岩土类材料的非线性力学行为研究对于土-结构相互作用体系或者坝-地基-库水耦合体系的地震动力响应分析具有重要意义。比如砂土液化可能导致地基失效，继而引起上部结构破坏。混凝土坝的损伤开裂有可能演化成为坝的整体破坏甚至溃坝等重大灾变行为。因此深入研究岩土类材料地震过程中非线性破坏的力学行为是非常必要的。基于此，本文深入研究了三维J2模型，Cap模型、与压力无关多屈服面黏土(MYS)模型、与压力有关的多屈服面可液化砂土模型（包括砂土剪缩，剪胀，液化和应变滑移等复杂力学行为）、Drucker-Prager模型等几类经典的岩土类材料本构关系，详细阐述了这些模型的计算流程和数值实现方法。此外，本文对MYS模型进行了改进，提出新的MMYS模型及其一致切线模量计算方法。基于连续最近点投影法，消除了MYS模型计算的三个最主要误差来源，大大提高了其计算精度和数值稳定性。并且，本文推导了MMYS模型的一致切线模量保证了牛顿迭代法具有二阶收敛性，进一步提高了计算效率。本文将上述几种岩土类材料的本构模型在通用有限元软件OpenSees(http://opensees.berkeley.edu)中编程实现，用于分析混凝土重力坝、桩土相互作用体系、坝-地基-库水耦合体系的地震非线性动力响应。　　另一方面，对于复杂的结构或者土-结构体系，仅仅研究其动力响应是不够全面的，有限元响应的敏感性分析为其提供了一个非常重要和必要的补充。基于直接微分法的有限元敏感性分析可以高效和精确地计算出其响应的梯度，为参数不确定分析提供了一种重要分析方法，同时也为基于梯度的优化分析、系统识别、模型更新和参数重要性研究等问题提供有效和实用的计算工具。在这个背景下，本文基于直接微分法推导了三维J2模型，Cap模型、Drucker-Prager模型、库水模型(Acoustic fluid model)，库水单元，坝体与水的接触单元，透射边界单元(Transmitting-absorbing boundary)和地基粘弹性人工边界(Viscous-springboundaries)的敏感性分析方法，并在OpenSees中编程实现。用有限差分法验证了直接微分法推导和实现的正确性。通过计算混凝土重力坝和坝-地基-库水耦合体系的地震非线性动力响应敏感性，验证了新推导的这几类模型敏感性分析方法的正确性、计算精度和效率，并基于敏感性分析结果研究了材料参数的相对重要性，从而将基于直接微分法的敏感性分析方法拓展和应用到实际水利工程复杂问题研究中。