粗粒土具有压实性能好、透水性强、取材方便等诸多优点,已广泛应用于土木、水利、交通等工程领域。以粗粒土作为主要建筑材料的土石坝、土质高边坡、防波堤、护岸、高速公路路基与高铁路基等工程,在地震或其它动力荷载作用下的安全性与粗粒土的动力特性存在着密切的关系。因此,精准把握粗粒土的动力特性具有非常重要的工程意义。在粗粒土的动力特性研究中,动剪切模量随剪应变的变化规律是土工建筑物等重大工程结构抗震设计、分析与验算中必不可少的基础数据,也是影响土层地震反应分析的主要因素之一。土体处于极小应变弹性阶段时,动剪切模量存在一个初始值,即最大剪切模量Gmax,它是综合反映土体应力、密实程度和结构特征的重要指标,已成为学术界研究的一个热点问题。根据我国土的工程分类标准,粗粒土可进一步划分为砂类土和砾类土。目前关于砂类土最大剪切模量的试验手段比较成熟,研究成果也较为丰富。在室内试验中,共振柱法和弯曲元法已被广泛应用于砂类土最大剪切模量的测定,学者们通过大量的试验研究得到了 Gmax的主要影响因素,并建立了相应的Gmax预测模型。相比于砂类土,砾类土的粒径有所增加,其制样方式和试验条件发生了一定程度的变化,对仪器的体量和测试技术提出了新的要求。此外,现有砂类土 Gmax预测模型的模型参数和预测结果均存在不同程度的差异,适用于砂类土的预测模型能否直接应用于砾类土还尚未得知,影响粗粒土最大剪切模量的内在机理仍有待深入研究。鉴于上述问题,本文依托大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的大型三轴仪试验平台,自主开发了粗粒土剪切波速测试系统,克服了传统共振柱法和弯曲元法难以满足砾类土最大剪切模量测定的技术难题。在此基础上系统地研究了颗粒形状、颗粒级配以及颗粒尺寸三个主要颗粒特征对粗粒土最大剪切模量的影响规律,提出并验证了综合考虑颗粒特征的粗粒土最大剪切模量预测模型。本文的主要研究内容及结论有以下几个方面:（1）基于扭转振动和压电效应原理,将压电叠层作动器嵌入到大型三轴仪上盘,集成加速度计、数据采集设备、密封转接元件等,成功开发了对试样无扰动的剪切波速和三轴试验一体化测试系统,而后分别针对有机玻璃试样（连续介质）、玻璃珠和福建砂试样（散粒介质）开展了动力试验,从测试精度和测试稳定性等方面对系统的可靠性和功能性进行了验证,为粗粒土的动力特性研究提供了先进的技术支撑。（2）基于傅立叶形态分析方法,量化了粗粒土的颗粒形状指数SF。在颗粒级配相同的条件下,研究了颗粒形状对粗粒土最大剪切模量的影响。试验结果表明,最大剪切模量随形状指数的增大而增大,即颗粒轮廓越偏离圆形,最大剪切模量越大。分别基于Hardin孔隙比函数和Jamiolkowski孔隙比函数建立了考虑颗粒形状的最大剪切模量预测模型。结果表明,颗粒形状对最大剪切模量的影响可以通过模量系数A来体现,A随形状指数的增大而增大,应力指数n与颗粒形状基本无关。（3）针对同种岩性的粗粒土,系统地研究了不均匀系数Cu对最大剪切模量的影响。试验结果表明,最大剪切模量随不均匀系数的增大而减小,减小趋势逐步平缓。不均匀系数对最大剪切模量的影响可以通过模量系数A和应力指数n来体现,其中A随Cu的增大而减小,n随Cu的增大而增大。因此,只考虑孔隙比和有效围压的Gmax预测模型无法合理地反映最大剪切模量随颗粒级配的变化规律。（4）采用离散单元方法,开展了粗粒土宏观弹性特性的细观影响机制研究。结果表明,不均匀系数Cu对配位数分布的影响较为显著,宏观孔隙比和平均配位数并不存在一一对应关系。有效稳定孔隙比eeff-4比宏观孔隙比e更能表征不同级配材料的最大剪切模量。对于宏观孔隙比相同的试样,有效稳定孔隙比随Cu的增大而增大,进而在宏观上表现为最大剪切模量的减小。因此,将Cu引入经典Hardin模型中可以得到更为理想的预测效果。（5）针对均匀和非均匀粗粒土,系统地研究了相似级配条件下颗粒尺寸对最大剪切模量的影响。试验结果表明,对于均匀粗粒土,最大剪切模量随颗粒尺寸的增大略有增大;对于非均匀粗粒土,最大剪切模量随颗粒尺寸的增大而增大,增大趋势相比均匀粗粒土表现得更加明显。颗粒尺寸对最大剪切模量的影响可以通过模量系数A来体现,A随颗粒尺寸的增大而增大,应力指数n与颗粒尺寸基本无关。此外,最大剪切模量与颗粒尺寸的关系可能会受到颗粒形状的影响,且在均匀粗粒土中表现得较为明显。（6）针对学术界较为常见的8个Gmax预测模型,从模型的预测误差、预测趋势和适用范围等方面进行了详细的比较和分析。结果表明,现有模型的预测结果存在不同程度的差异,且仅能满足部分试验数据。根据试验成果,提出了考虑颗粒特征的Gmax预测模型,并通过本文以及现有文献中的数据对其适用性进行了验证。对于尚未或难以获取试验数据的粗粒土材料,可依据本文建议的模型进行最大剪切模量预测,为工程抗震设计、分析与验算提供可靠的依据。