已有研究资料表明,目前许多自然灾害和工程事故都与非饱和土有关,比如由降雨引起的高填方边坡滑坡、路基沉降和坍塌、道基沉降不均匀引起的机场跑道断裂等。试验研究方面,对非饱和土的力学性质和水力特性的认识还有待进一步提升,同时,非饱和土力学的理论研究处于正处于发展阶段,特别是对超固结非饱和土的相关试验和理论研究尚未成熟。因此,对非饱和土进行系统的试验研究,以及建立简单实用的超固结非饱和土的水力-力学耦合的本构模型,对于增加对非饱和土的水力-力学特性的认识、完善非饱和土力学理论、指导建立在非饱和土之上的实际工程的设计、施工以及安全性评价等,具有重要的理论价值和工程意义。在此研究背景下,本文开展的主要研究工作和取得的创新性成果如下:(1)系统进行了非饱和土的水力特性和力学特性试验利用定制改装的非饱和土固结仪和GDS非饱和土三轴试验系统,进行了系统的非饱和土的水力特性和力学特性相关试验,包括不同初始干密度的试样分别在侧限应力状态和等向应力状态下的土水特征曲线试验、不同初始干密度的试样在吸力控制下的一维压缩试验和等向压缩试验、不同吸力和不同净围压下的三轴压缩试验。试验结果表明:相同初始干密度状态的试样在侧限应力状态和等向应力状态下的土水特征曲线的线型基本一致。吸力的增加使试样的超固结程度增加,在达到屈服应力之前,压缩曲线的斜率随着吸力的增加而减小,超过屈服应力之后,试样在不同吸力下的一维压缩曲线的斜率几乎相同。超固结非饱和土在剪切过程中均会发生软化和剪胀现象,并且与吸力大小和净围压大小相关。(2)建立了超固结非饱和土的力学本构模型基于非饱和土的力学特性试验结果,建立了正常固结非饱和土的力学本构模型,结合超固结土的UH模型,建立了超固结非饱和土的力学本构模型,并通过大量的非饱和土在不同应力路径下的试验结果对模型进行了验证。首先,在非饱和土三轴压缩试验的基础上,提出了一个新的吸力应力公式,然后,引入吸力应力,基于非饱和土的一维压缩试验和等向压缩试验结果,提出了正常固结非饱和土的等向压缩公式,该公式能从低净应力到较高净应力范围内合理地描述非饱和土的压缩行为,更加符合实际。并推导出了新的加载湿陷(LC)屈服线方程,建立了正常固结非饱和土的本构模型。最后,在不增加任何参数的基础上,引入统一硬化参数H,结合修正剑桥模型的椭圆屈服面形式,建立了超固结非饱和土的UH模型,并且在未增加任何参数的情况下,采用变换应力方法实现了模型的三维化。该模型能反映在恒定吸力或者变吸力条件下正常固结和超固结状态下非饱和土的应力应变行为,包括湿化特性、等向压缩和一维压缩特性、净应力-吸力的加载路径相关性、剪缩和剪胀特性、剪切硬化和软化特性、在剪切过程中的湿化特性、临界状态线的唯一性等。模型一共有9个参数,均有明确物理意义并能通过室内试验获得,通过对等向压缩-湿化-等向压缩试验结果、不同吸力下不同初始孔隙比的一维压缩试验结果、不同净围压不同吸力下的三轴压缩试验结果、不同超固结程度的等向湿化试验结果、以及三轴压缩-湿化-三轴压缩试验结果的预测对比,表明了所提模型的正确性。(3)建立了水力-力学耦合的超固结非饱和土的UH模型基于非饱和土的水力特性试验结果,将分段函数形式的土水特征曲线方程修正为连续光滑的非线性形式,通过引入耦合应力和修正后的土水特征曲线方程,将超固结非饱和土的UH模型扩展为水力-力学耦合的超固结非饱和土的UH模型。并且在未增加任何参数的情况下,采用变换应力方法实现了模型的三维化,具有旷阔的应用前景。以实际工程中非饱和土的常含水率工况为背景,对水力-力学耦合的超固结非饱和土的UH模型在常含水率下的计算步骤进行了详细介绍,并对超固结非饱和土在常含水率等向压缩条件下、常含水率三轴压缩条件下的水力和力学特性进行了分析,探讨了非饱和土的持水性与强度的关系,并分析了超固结非饱和土区别于超固结饱和土剪切硬化的不同。耦合模型一共有11个参数,均能通过室内试验确定,通过对不同初始饱和度试样的等p三轴压缩试验结果、不同初始含水率试样的等净围压三轴试验结果、不同初始吸力和不同初始饱和度的常含水率三轴压缩试验结果的预测对比,表明了水力-力学耦合的超固结非饱和土的UH模型能合理地描述超固结非饱和土的水力和力学行为。