土体介质是地质循环作用下由固体颗粒、孔隙液体和孔隙气体组成的多相地质材料,不同尺度土颗粒之间形成的复杂微细观结构以及各相物质之间的相互协调作用,导致土体在不同尺度结构层次呈现不同的物理机制和力学响应,突显土体强度和变形特性的多层次耦合和跨尺度演化效应。为了解决传统连续介质力学无法对颗粒尺度效应现象进行描述的问题,本文以高岭土和石英砂为研究对象,用理论分析和试验研究相结合的方法,探讨各尺度土体颗粒相互作用的力学机理。通过建立具有多尺度特征的土基体膜-增强颗粒模型,阐述土体尺度效应物理力学机制并推导能够预测土体膜模型流动应力的力学公式;结合试验分析,研究基体体分比和增强颗粒粒径对土体屈服强度的影响规律并求解力学模型的微细观参数,将试验结果与理论结果进行对比,验证土基体膜-增强颗粒模型在分析土体多尺度耦合力学特性方面的有效性和适用性。本文完成的研究工作与结论有以下几个方面:(1)基于土基体膜-增强颗粒模型理论框架,引入了土基体膜厚度和等效应变梯两个参数,从能量角度推导了土基体膜-增强颗粒模型的流动应力公式,为解释土体颗粒尺度效应奠定了理论基础。(2)制备一系列具有不同基体体分比和增强颗粒粒径的土基体膜-增强颗粒模型试样,分别进行直接快剪试验和三轴不固结不排水剪切试验。试样的屈服强度随着基体体分比的增加而先增大后减小,随着增强颗粒粒径的增大而先减小后增大。三轴压缩试样的临界基体体分比为0.35,直接剪切试样的临界基体体分比介于0.35~0.49之间。增强颗粒粒径范围是0.8~1mm的试样屈服强度最低,粒径范围是1~2mm的试样屈服强度最高。总体而言,试样屈服强度对增强颗粒粒径的敏感度要远远小于基体体分比。(3)根据试验结果计算土基体膜厚度并分析其影响规律:土基体膜厚度随着基体体分比和增强颗粒粒径的增加而增大,试样的屈服强度随着土基体膜厚度的增加而逐渐减小;且增强颗粒粒径为1~2mm的土基体膜厚度明显大于另外三组粒径,说明增强颗粒的比表面积大小对土基体膜厚度的影响占据了主导作用。(4)土基体膜-增强颗粒模型的等效应变梯度随着基体体分比和增强颗粒粒径的增加而先增大后减小,基体体分比为0.35时等效应变梯度达到最大,这与土体膜模型试样的抗剪强度规律保持了很好的一致性。(5)对比试验结果和理论分析可知,无论是直接快剪试验还是三轴不固结不排水剪切试验,土体屈服应力试验值与理论值的相对误差均较小,证实了土基体膜-增强颗粒模型在分析土体多尺度耦合力学特性方面的有效性和适用性。