土体在地震、交通及波浪荷载等复杂受力条件下,主应力轴相对土体会发生不同程度的旋转,该条件下土体应力应变关系描述始终是工程界、学术界研究的热点和难点问题。现有土体本构关系绝大部分都在连续介质力学的理论框架下建立,该理论框架采用了材料为各向同性的假设,当材料为各向同性时,主应力轴旋转对材料的本构关系无任何影响,这个假设对描述土体在主应力轴旋转条件下的应力应变关系带来了巨大挑战。砂土在自然形成过程中,颗粒会沿某一方向定向排列,表现出原生各向异性,在复杂应力条件下,颗粒空间排列会发生演化,表现出明显的应力诱发各向异性,这种条件下明显加剧了其应力应变关系描述的复杂性。为此,本文在课题组提出的材料特性相关塑性位势理论的基础上,考虑到砂土细观组构对其力学特性的影响,建立砂土的土体本构模型,根据现有单剪试验结果,从单剪的应力应变关系描述、剪胀方程和三维主空间考虑主应力旋转的应力应变关系描述开展研究,最后,又用PFC软件对单剪试验进行模拟。主要内容如下:1、针对单剪试验应力应变特点,推导了该应力条件下的砂土的本构描述方程,并进行了试验模拟。根据单剪试验主应力轴发生旋转的特点,将组构张量引入砂土屈服方程中,描述该应力条件下细观组构对砂土屈服函数的影响;根据材料状态砂土对临界状态线的影响规律,将新定义的各向异性状态变量引入临界状态方程,描述细观组构对其临界状态的影响;在基于材料特性相关塑性位势理论建立砂土的本构模型;最后,基于单剪试验结果,对给试验条件下的应力应变及应力与非共轴角之间的关系进行了模拟,并与实验结果进行了比较分析。2、基于材料特性相关塑性位势理论,结合单剪试验,采用能量转换原理推导了砂土的应力剪胀方程。根据单剪试验过程中的主应力轴旋转特点,通过材料特性相关塑性位势理论计算主应力轴旋转过程中主应变增量变化角的关系,用主应力旋转角和对应主应变旋转角的差值定义非共轴性参数c,用该参数描述主应力轴旋转条件下材料参数对砂土剪胀关系的影响;结合材料相关特性理论的剪账方程进行对比,分析单剪试验条件下将松砂、中密砂及密砂的主应力旋转角、非共轴参数与剪账性的特点。3、使用PFC商业程序,用离散元模拟单剪试验条件下应力应变关系和剪账关系。根据单剪试验条件确定离散元初始加载条件,分析球形颗粒在不同围压,不同孔隙率和不同颗粒半径等排列条件下应力应变关系,并且分析其力链分布规律。