混凝土作为一种建筑材料已被广泛地应用于民用和军用工程中,如核电厂(安全壳)、隧道、桥梁、大坝、水电站、指挥所和地下掩体等。在细观层次上,混凝土材料被普遍认为是由砂浆基体、粗骨料及介于二者之间的界面过渡区(Interfacial Transition Zone, ITZ)三相组成的复合材料。各组分材料的性质、骨料体积含量、级配比以及密实度等因素直接或间接地决定了混凝土材料的宏观力学特性和破坏模式。正因为混凝土在细观结构上具有多种形态特征以及变形和失效机理,使得其力学行为变得极其复杂。本文的主要工作是在深入了解混凝土的细观结构特点和已有细观力学模型建模方法的基础上,建立了适用于大体积混凝土的三维细观力学模型。全文的主要工作包括以下几个方面：深入分析了已有混凝土细观模型(如格构模型、随机粒子模型、随机力学特性模型、Voronoi模型以及随机骨料模型等)的优缺点,重点研究了随机骨料模型。研究发现,随机骨料模型较其它四种模型没有过多的假设和简化,能够更好地反映混凝土材料的真实细观结构。在此基础上,利用单元重构技术在与骨料相邻的基体内创建ITZ相(在此利用3D壳单元模拟),并使得各相材料之间共用节点。该方法简化了混凝土三维细观力学模型的建模过程,提高了建模效率并大量减少了单元数量,进而节约了计算机时和提高了计算效率。从而使得该模型可适用于大体积混凝土的细观力学计算。同时,只需在当前建模方法的基础上相应地调整ITZ层的判断准则,当前构建的三维混凝土细观力学模型便可蜕变成已有的混凝土细观力学模型。在现有混凝土材料应变率效应研究的基础上,进一步分析了混凝土SHPB实验数据。假设尺寸效应只影响惯性约束效应而不影响材料真实应变率效应,由此从理论上推导了混凝土材料的实验数据与材料真实应变率效应、惯性约束效应以及尺寸效应之间的定量关系。借助数值模拟SHPB实验得到不同尺寸混凝土试样的惯性约束效应,建立了不同尺寸试样惯性约束效应之间的转化关系并得到了尺寸效应因子。利用转换关系统一了不同尺寸试样的SHPB实验数据,显著地改善了实验数据的分散度。结果表明惯性约束效应和尺寸效应是影响混凝土SHPB实验数据分散度的主要因素。利用定量关系得到了混凝土SHPB实验真实应变率效应数据。在分析已有预测混凝土弹性模量的理论模型基础上,借助理论力学、弹性力学和相关几何学知识推导了三相球模型来预测混凝土的弹性模量。利用研发的三维细观力学模型数值计算了混凝土的宏观弹性性能,计算结果与理论分析和实验数据吻合得较好。利用所研发的三维细观力学模型数值模拟了混凝土层裂实验并进行了相关参数研究。通过数值模拟得到的层裂位置和破坏形貌与实验观察结果基本一致。深入研究了层裂实验中的“反常”现象,通过多次加载的方法验证了形成“反常”现象的主要原因是损伤积累所致。此外,分别利用三相、两相和一相模型模拟了层裂实验中的“反常”现象,研究发现只有三相模型才能重复实验现象。这表明ITZ相在损伤演化中起着重要作用。理论分析了三种典型三角波形导致混凝土发生多次层裂现象的先后顺序并进行了相应的数值模拟验证。在已知波形对层裂区宽度影响的情况下,数值模拟研究了加载波的波长对混凝土层裂区域宽度的影响,即随着加载波长的减小,层裂区宽度逐渐减小,甚至不会出现层裂现象。因此,通过层裂实验研究混凝土动态拉伸强度,需要选择合适的子弹产生恰当的波长。利用细观力学模型数值模拟了平头弹撞击钢筋混凝土靶的响应过程。建立了大体积钢筋混凝土靶板的细观模型,扩大了当前混凝土细观力学模型的使用范围,为从细观层次上研究大体积混凝土结构的动态响应提供了新的思路。数值模拟了子弹分别以30m/s和63.3m/s的速度撞击靶板的响应过程,模拟所得的裂纹位置和破坏形貌与实验观察结果吻合得很好。借助数值模拟技术的优点,直接观察了靶板中裂纹起始、扩展和走向等物理特征。新研究的混凝土三维细观力学模型为研究大型钢筋混凝土结构的动态响应和损伤破坏提供了广阔的前景。