许多实际建设工程与非饱和土密切相关,如多数的公路、铁路和部分地铁工程直接建在非饱和土地基上。当对这些工程的非饱和土地基进行开挖和填筑时,若能充分利用其非饱和抗剪强度,不仅对工程结构物自身和支护结构的稳定性有重要意义,而且有利于降低施工成本。此外,当这些工程的地基承受车辆、地震等振动荷载作用时会产生一定的变形甚至液化,这将对其上部的基础和结构物造成较大的安全隐患。因此,研究非饱和土的抗剪强度及其在振动荷载下的动力特性有重要的工程应用价值。与砂土和黏土相比,粉土的工程性质比较特殊,本研究以粉土为试验材料,利用压力板仪、直剪仪、饱和盐溶液蒸汽平衡法和非饱和土动三轴仪,进行了一系列土水特性试验、直剪试验、动力变形试验和动力强度试验等,研究了非饱和粉土的土水特性、抗剪强度、动力变形特性以及液化特性,具体研究内容和成果如下:(1)通过对粉土进行从干燥到饱和范围内不同初始饱和度下的直剪试验和土水特性试验,研究其土水特性和强度特性,重点研究其非饱和抗剪强度和饱和度之间的关系。试验结果表明,在同一正应力下,非饱和粉土的抗剪强度随着饱和度增加先增大后减小,存在一个峰值;黏聚力随饱和度的变化规律也类似,而内摩擦角随饱和度变化不大,可视为常数。在分析前人提出的理论基础上,提出了一个非饱和土抗剪强度公式。根据实测的土水特征曲线,采用sSr、sSrc和s(Sr-Sra)/(1-Sra)(s为吸力;Sr为饱和度;Src为毛细饱和度;Sra为吸附饱和度)作为吸力应力σs的非饱和土抗剪强度公式,对比分析了非饱和粉土和南阳膨胀土抗剪强度的预测结果,并与实测值进行了对比。(2)利用饱和盐溶液蒸汽平衡法和吸力可控的非饱和土动三轴仪,对非饱和粉土进行动力变形试验,得到了广吸力范围内非饱和粉土试样的骨架曲线、动弹性模量和阻尼比,研究了吸力对非饱和粉土动力变形特性的影响。试验结果表明,在同一净围压下,非饱和粉土试样的骨架曲线和动弹性模量随着吸力增大而提高,而阻尼比随着吸力增大而减小。此外,随着试样的持水状态从边界效应区到过渡区再到残余区的变化,非饱和粉土试样的骨架曲线和动弹性模量的提高幅度逐渐减小,而阻尼比减小的趋势则显著,动弹性模量随应变的衰减率随着吸力的增大而减小。试验结果可用非饱和土的平均骨架应力、弯液面水的表面张力作用以及土水之间的吸附作用来解释。(3)利用吸力可控的非饱和土动三轴仪,对非饱和粉土进行动力变形试验,得到了在不同净围压和不同吸力路径下非饱和粉土试样的骨架曲线、动弹性模量和阻尼比,研究了先脱湿后吸湿的吸力历史对其动力变形特性的影响。试验结果表明,在同一净围压和吸力下,经历过先脱湿后吸湿非饱和粉土试样的骨架曲线和动弹性模量比仅经过脱湿的要高,而经历过先脱湿后吸湿试样的阻尼比比仅经过脱湿的要小;此外,随着非饱和粉土试样经历过最大吸力的增大,其骨架曲线和动弹性模量增大,而阻尼比减小。试验结果可用非饱和土的平均骨架应力和弯液面水的表面张力作用来解释,并用两项联合预测非饱和土试样的最大动剪切模量。(4)利用振动过程中可测体变的非饱和土动三轴仪,对不同初始饱和度下非饱和粉土进行了动力强度试验,得到了非饱和粉土在动荷载下的动应力、轴向应变、孔隙水压以及体积应变等的发展过程,从吸力和体积应变方面探讨了不同初始饱和度下非饱和粉土的液化特性。结果表明,在不排气不排水振动过程中,非饱和粉土试样的体积收缩,在相同的振动荷载下,试样的初始饱和度越高,吸力最终减小越容易接近或达到0,体积应变最大值越靠近孔隙气体体积应变的最大值,越容易达到触发液化所需的水平。