大量工程现场监测结果表明，岩土工程中大部分土体在工作荷载状态下的变形仍处于小应变范围内。土体在小应变水平下具有高刚度、明显的非线性等变形特性。这一特性对准确预测土体的变形起着十分重要的作用，是岩土工程的基本问题之一。然而，现有的大多数室内试验或本构模型，都很难准确地反映土体在小应变条件下表现出的变形特性。充分认识和准确模拟小应变水平下土体的变形特性以及探求应用于工程实践的方法，具有重要的研究价值和实用意义。依托国家重点基础研究发展计划(973)项目子课题“多尺度土体与结构的破坏机理及演化过程”(2010CB732101)，论文围绕这一主题展开研究和讨论。数字图像标点法具有非接触、精度高的特点。首先，对现有的基于数字图像标点法研发的土体局部应变量测系统进行改进;随后，将改进后的量测系统应用于常规无侧限压缩试验，针对普通武汉粘土，研究其在小应变水平下的变形特性;然后，结合理论分析，建立可以考虑土体小应变变形特性的本构模型;最后，对建立的模型进行程序实现，并对比室内试验结果验证模型的合理性，进而将模型应用到实际工程中。本研究主要内容包括：　　 ⑴改进了现有的基于数字图像标点法的局部应变量测系统。探讨标记点的制作以及布置方案对数字图像标点法应变量测精度的影响。研究现有的应变量测系统存在的缺陷，并对其进行了改进。对比分析了改进前后量测系统的随机误差、系统误差。结果表明，改进后的量测系统具有相当可观的精度和良好的可控性，不仅适用于大变形的量测，还能有效地量测出小应变水平下土体的变形特征。　　 ⑵开展了不同应变水平下土体的力学变形特性试验研究。将改进后的应变量测系统应用于传统的无侧限压缩试验，对初始物理状态不同的重塑的普通武汉粘土进行了试验，对比了土样整体轴向应变与局部区域的轴向应变演化过程以及局部区域内不同位置处的轴向、环向、剪切应变发展过程。分析结果表明，小应变水平下土体应力应变关系具有高模量，显著非线性的特点。轴向应变值在0.1％左右时，数字图像标点法测定的割线模量是传统试验方法的3～9倍;即使在局部微小的范围内，土体的应变的分布也是不均匀的。　　 ⑶发展了一个新的次弹性模型。基于横观各向同性弹性理论，考虑剪胀性和压硬性对土体变形特性的影响，将三轴应力条件下土体的体应变、剪应变与平均有效应力、偏应力间的关系推广到一般三维应力条件下，建立了横观各向同性模型。模型柔度矩阵仅含有4个参数，分别为切线体积模量、切线杨氏模量、体积变形系数和泊松比。　　 ⑷建立了考虑小应变变形特性的正常固结粘土模型和砂土模型。针对正常固结粘土，建议了一个可以准确描述不同应变水平下排水三轴压缩试验剪切曲线的拟合关系，用以确定切线杨氏模量。结合切线体积模量和剑桥模型的剪胀方程，建立了正常固结粘土模型。通过数值方法以及现有的室内试验结果，验证了模型的合理性。对于砂土，基于状态参数ψ，定义了“虚拟峰值偏应力”，并据此提出了一个可以统一描述不同密实状态下排水三轴压缩试验剪切曲线表现出的应变硬化、软化现象的拟合函数。结合切线体积模量ICC计算模型，以及考虑了应力比和密实状态影响的剪胀方程，建立了砂土模型。通过理论解以及现有的室内试验结果，初步验证了模型的合理性。　　 ⑸实现了正常固结粘土模型的程序化，并应用于工程实例分析。借助ABAQUS有限元软件UMAT子程序功能，结合美国西北大学医学研究中心大楼的基坑开挖这一工程实例，模拟了基坑工程的分步开挖。有限元计算结果与实测结果表明，本文建议的正常固结粘土模型能较好地反映基坑坑壁的水平位移分布规律以及坑壁外围地表的沉降分布规律。