海洋工程的地基面临着由于波浪荷载反复作用引起破坏的危险,有必要对波浪荷载下地基土体的力学特性进行相关研究。本文对上海交通大学既有扭剪仪进行改造,使其具备了包括轴力、扭矩和内外围压的四向独立自动控制能力。然后对主轴固定单调剪切试验和应力主轴循环旋转试验所需要的公式进行了推导。接着通过开展应力主轴固定单调剪切试验讨论大主应力角对土体应力应变关系、孔压积累以及非共轴特性的影响。最后通过不排水条件和排水条件下应力主轴循环旋转试验研究土体的非共轴特性,得到结论如下:(1)针对原有仪器仅有扭矩或轴力可以实现动态控制的限制,通过自主研发,构建了SJTU-HCA的软硬件框架,使之具备了轴力、扭矩和内外围压四向独立自动控制能力。增加的气压自动反馈调节系统采用气态控制,具有利于应力控制模式等优点。最后通过试验验证了改造后的仪器具备复杂应力路径下的加载能力,所提出的软硬件框架可为今后拓展仪器实现其他应力路径提供基础。(2)通过开展应力主轴固定单调剪切不排水试验,发现定轴剪切方向影响砂土的剪胀性,且影响孔压积累的峰值和拐点。砂土在装样过程存在原生各向异性,这导致剪切过程中的定轴剪切方向影响砂土的强度,大主应力角为60°时砂土强度小于大主应力角为30°。在主轴固定单调剪切不排水试验中,土体存在应变增量和应力主轴非共轴的现象,大主应力角为30°时,应变增量方向偏向大主应力角为45°的方向,同时大主应力角为60°时,随着偏应力q的逐渐增大,非共轴性减弱,应变增量和应力主轴方向趋于相同。(3)通过开展应力主轴循环旋转不排水试验,发现偏应力、相对密实度和旋转起点影响砂土的力学特性。通过分象限对应力主轴循环旋转不排水试验的孔压积累情况进行分析,对比应力主轴循环旋转第一圈时的孔压积累情况,发现在Ⅱ和Ⅲ象限孔压积累多,而Ⅰ和Ⅳ象限孔压积累相对较少,这同样与试样的原生各向异性有关。在应力主轴旋转过程中,应变增量和应力主轴之间存在明显的非共轴性,且在大主应力角为45°～90°范围内产生的应变增量较大。(4)通过初步探索应力主轴循环旋转排水试验,发现应力应变关系呈现出“滞回圈”的形状,之后随着应力主轴旋转圈数的增加,滞回圈的面积将缩小,应变趋于稳定。应变增量和应力主轴之间存在明显的非共轴性,随着应力主轴旋转圈数的增加,应变增量逐渐减小,应变增量方向趋于应力增量方向。