滨海含生物气细粒土广泛分布于全世界五大洲中。气体多以离散大气泡形式存在于土骨架中。区别于传统非饱和土,滨海含气细粒土中气相不连通、水相连通、饱和度超85%,而无法用经典非饱和土理论描述;同时,由于气泡尺寸(约几百微米)远大于土颗粒尺寸(约几微米),而不能用饱和土与可压缩流体混合物的理论描述。前人试验表明,由于大气泡和土骨架的相互作用,气相的存在可能增加或降低土骨架强度,取决于含气量和气泡压力(与孔压相关)。至今,大气泡在土骨架中的结构形态及演化特征缺乏研究,大气泡对细粒土屈服面形态、应力-剪胀关系的影响仍不清楚,也缺乏能统一描述“气相损伤”和“气相强化”效应的本构模型。围绕上述问题,本文基于CT原位微型加载设备开发、高精CT扫描试验、三轴试验、弹塑性模型构建和圆柱孔洞扩张解析推导,得出以下主要结论:1)一维固结条件下,含气土中气泡更接近椭球形(椭球度介于0.35～0.75)。气泡椭球度和最大半径分布不能用常规概率模型(正态分布、对数正态分布、韦布分布和伽马分布)进行描述,但可以通过几个正态分布的叠加(高斯混合模型)来描述。2)随着竖向荷载的增大,气泡主要沿着竖向荷载作用的方向压缩,而水平向则基本上不发生压缩。基于考虑应力各向异性的椭圆孔洞压缩理论分析结果显示,气泡压缩过程中局部土体破坏主要发生在气泡顶部。参数分析结果进一步表明:土体应力各向异性是影响气泡形状(椭球度)的重要因素。CT扫描和理论分析结果都表明包含成熟气泡(不生长)的沉积物固结过程中不会产生拉应力和裂缝,这与软土沉积物中气泡生长导致土体开裂的情况不同。3)设计并开展了 一系列GDS三轴应力路径试验,以揭示含气土屈服面形状、塑性流动方向以及应力-剪胀关系,结果表明:a)相较于饱和土,含气土既可能表现出更加剪胀,也可能表现出更加剪缩的特性,取决于初始孔隙水压uw0和初始含气量ψ0的组合;b)气泡的存在会显著影响含气土屈服轨迹的形状(“子弹头形”、“椭圆形”、“泪滴形”),也取决于uw0和ψ0的组合。基于试验观察,分别提出了含气细粒土的剪胀方程和屈服面函数,能够统一考虑低uw0下更剪胀、屈服面为泪滴形,以及高uw0下更剪缩,屈服面为子弹头形的特性;当ψ0=0时,自动退化为饱和土的屈服、应力-剪胀方程。4)基于上述新建立的屈服函数、应力-剪胀方程,结合弹塑性理论和临界状态土力学框架,构建了滨海含气细粒土弹塑性本构模型。相较于修正剑桥(MCC)模型,新增了 5个参数,2个考虑气相效应对屈服函数的影响,2个用于描述剪胀关系,1个与气体压缩相关。该模型能够在统一的框架下考虑“气相损伤”和“气相强化”效应,且在ψ0=0时自然过渡回饱和黏土模型(类似于MCC),从而实现对饱和度介于85%～100%的滨海软黏土本构行为的预测。通过对本文及文献中3种典型含气细粒土,100多个试验的压缩、剪切行为和不排水抗剪强度的预测,验证了该模型的预测能力。5)基于新模型,结合三向应力圆柱孔扩张理论,推导了能够模拟桩基础或静力触探贯入含气海床中的半解析解。并通过参数分析,定性评价了 uw0和ψ0对结构周围应力场、孔压场和应变场等变化影响。6)同时,评价了含气粉土取样扰动效应(即不排水卸载对试样强度的影响)。三轴不排水试验表明,不排水卸载会导致含气粉土强度增加,这与文献中报道的含气黏土行为相反。这是由于不排水卸载过程中,平均总应力p降低,孔隙水压uw降低,但是孔隙气压ug变化较小,从而导致两种竞争机制:a)当ug-uw超过进气值(AEV),气体侵入使饱和基质变为不饱和而增加土体强度;b)当ug-uw小于进气值,气泡孔扩张导致周围土体屈服破坏。粉土 AEV较低,前者发挥主要作用,使得强度增加;黏土 AEV较高,后者占据主导地位,导致强度降低。并基于Code-Bright水-力耦合数值模拟重现了上述机制。