中文摘要：

非饱和土的抗剪强度不仅受控于应力、吸力水平和路径-外因，更依赖于土颗粒或孔隙体的几何特征和分布特征-内因（土本身的微观结构）。目前，土的强度指标没有反映其微观结构这一内在因素。本项目拟研究非饱和土的莫尔-库仑强度指标与其微结构、围压和应力（吸力）之间的关系，并进一步探讨与低维合成微结构参数之间的关系。①以饱和、非饱和三轴试验，粒度分析、比表面积孔径分析、SEM及其信息提取等微结构试验为基础，获取强度指标和对应的微结构参数；②基于相关分析、主成分分析、聚类分析等方法对微结构参数进行降维和滤波，在满足累积贡献率和类相似性要求的前提下，以主成分指标和类间距指标等低维向量组成的合成参数描述微结构状态；③建立非饱和强度指标与低维合成微结构参数之间的统计关系，给出非饱和三轴剪切试样的微结构再造特征。本项目的实施，对丰富土微结构研究理论和研究方法，揭示非饱和土强度与其微结构之间的固有关系具有理论意义。

结论摘要：

任何材料的物理力学性质均依赖于其组成和构成，岩土类材料也不例外。目前，人们普遍认识到，要进一步认识土的宏观力学特性，必须从研究其微结构着手。因此，根据土的微观结构和不同条件下相应的宏观力学现象，建立其本构模型，以反映土的宏观力学特点与微观结构之间的内在关系，是土力学的发展方向。非饱和土的强度不仅受控于应力、吸力水平和路径，还依赖于其微观结构，但既有理论一般不考虑微观结构这一内在因素。因此，加强该领域的研究具有重要的理论意义和工程价值。在国家自然科学基金资助下，项目组成员进行了大量关于土微结构、非饱和土强度方面的理论研究、室内试验和模型试验。建立了土微结构的合成参数表述方法，揭示了固结过程中微结构再造规律，并将其应用于固结过程描述。由谱系聚类原理，给出了基于各种欧氏距离的微结构参数间距离的递推公式和微结构参数聚类过程，建立了微结构几何属性的聚类方法。采用主成分分析和谱系聚类分析方法，研究了随阈值变化，颗粒体微结构之间的差别和联系。建立了以颗粒体面积为变量的面积累计曲线表示方法，建立了该曲线的曲率系数和颗粒体面积分布特点的不均匀系数。设计了一种能测试混凝土、岩土等材料内部应变状态和应力状态的接触式三维应变花和三维土压力盒。根据非饱和土的水气状态和联通特点，对其进行了重新分类和研究，得到吸力摩擦角随吸力的增加而增加并逐渐趋近于其水平渐近线。对土中的初始应力及其在形成土材料过程中的作用进行了研究，建立了能反映初始应力和增量应力的修正Mohr-Coulomb屈服准则，针对砂雨法试样的真三轴实验结果，建立了基于K0固结线的修正SMP屈服准则。建立了考虑非饱和特性和预留土作用时支护结构的嵌固深度、位移和内力计算方法。研究了非极限平衡条件下饱和、非饱和位移土压力对应的应力状态，给出了位移土压力依赖于非极限内摩擦角、黏聚力和吸力内摩擦角等参数的理论公式。基于Darcy定律，饱和度与基质吸力、渗透系数之间的经验公式，建立了三轴试样在常气压作用下孔隙水压力消散的偏微分方程。根据非饱和土的水气状态和联通特点，建立了以基质吸力为参数的连续可导的强度公式。非饱和土力学虽然已经初步建立了自己的体系，但宏微观研究和结构性研究资料仍十分缺乏，相关理论研究尤其是基础理论研究仍然相当薄弱。本项目的实施，为进一步研究岩土宏微观和非饱和土理论指明指明了方向，给出了切实可行的方法。