土体是由岩石不断风化形成的颗粒性材料。物理风化使土体从块石到黏粒跨越约5个数量级,表现出明显的几何跨尺度特性;化学风化使土体从原生矿物到次生矿物种类繁多,表现出明显的矿物组成多样性。这些形状不规则、大小不相同、成分不相同的颗粒堆积成孔隙形状不一、空间结构复杂的自然土体。因此土体具有典型的颗粒性、多相性、结构性、跨尺度性及非均匀性等特点,这些特点使土体表现出独特的工程特性。由土颗粒粒径几何大小、矿物组成差异引起的颗粒表面效应及界面效应即为土体的尺度效应。本文从土体颗粒的矿物成分、几何尺度两方面出发,建立了综合微重比土体能量尺度划分方法,揭示了土体多尺度特点的根本原因,并以能量尺度方法为基础建立了能同时反映土体微观离散颗粒属性与宏观连续介质属性的基体“膜”-增强颗粒土体尺度模型（“膜模型”）并推导了“膜模型”本构方程。然后通过直剪试验及三轴试验分析了“膜模型”土体在剪切荷载和三轴压缩条件下的受力变形特点以及影响因素,同时还采用CT扫描分析了“膜模型”土体在三轴试验过程中内部结构变化情况。最后在“膜模型”单元上讨论了“膜模型”本构方程中各参数的意义及影响并与三轴试验结果对照验证了“膜模型”本构方程的合理性。通过以上研究方法及过程,本文主要得到了一下研究成果:（1）颗粒的几何尺度及矿物种类都能引起颗粒界面效应和表面效应,是土体尺度特性的根本内因,综合微重比能量尺度划分方法考虑了以上因素,建立了土体多尺度性质划分的新标准。采用综合微重比能量尺度方法对土体类别划分时,综合微重比相同的土体Ip指数一致性更高。综合微重比能量尺度划分方法为划分基体材料和增强颗粒材料提供了新的理论基础。（2）“膜模型”土体的直剪试验、三轴试验及“膜模型”单元理论计算结果都表明体分比对土体强影响最显著:填充状态时,随着基体的体分比增加,“膜模型”土体的抗剪强度及三轴屈服应力增大;填满状态时,随着增强颗粒体分比增加,“膜模型”土体的抗剪强度值及三轴屈服应力值也不断增大。体分比还会影响“膜模型”土体的结构变化,使土体应力-应变曲线表现出硬化或软化现象。理论计算表明:体分比与荷载调整系数几乎成线性关系,体分比变化会同时影响“膜模型”单元体积以及荷载调整系数,两者的综合作用表现为随着增强颗粒的体分比增加,“膜模型”单元应力的理论计算值也不断增大。（3）“膜模型”土体直剪试验结果表明:增强颗粒与基体材料对土体抗剪强度的贡献形式不同:增强颗粒主要为土体提供内摩擦效应;而基体主要为土体提供粘聚效应。增强颗粒体分比增加时,“膜模型”土体的内摩擦角φ逐渐增加;基体体分比增加时,“膜模型”土体的粘聚力c值先增大后逐渐减小。（4）“膜模型”土体直剪试验、三轴试验以及“膜模型”单元理论计算结果都表明增强颗粒粒径d对土体强度影响不明显。相同应变条件下,单个颗粒的d越大,颗粒的转动力矩、赫兹接触力及弹簧接触力越大,但是体分比一定时d越大颗粒数目越小,对颗粒群取统计值后,表现为增强颗粒d对土体强度的影响不明显。由于基体弹簧力、增强颗粒接触力与d成2次方关系,而单元截面积也与d成2次方关系,因此将合力表示成应力时,d的变化对“膜模型”单元的应力计算值影响不明显。（5）在处理CT扫描图像进行接触颗粒筛选时,“盒子”搜索法及边界域预判法能将计算量较少到原来的20%左右。（6）“膜模型”土体CT扫描结果表明三轴试验过程中土体内部结构在不断变化。“膜模型”土体内部结构参数(CN,S增-增、S增-基)的变化趋势表明:轴向应变较小时土样被压缩,体积变小;轴向应变增大时,颗粒转动导致土体出现鼓胀现象,鼓胀区域内颗粒间接触作用变弱,因此在加载过程中CN、S增-增、S增-基表现出先增加后减小的现象。（7）“膜模型”本构方程能实现对土体应变硬化或应变软化时应力-应变曲线的全过程准确预测。荷载作用时“膜模型”土体内部结构在不断变化,增强颗粒的赫兹接触力与基体弹簧力对抗力合力的贡献情况也在不断变化。当将荷载调整系数表示成能反映土体结构变化的函数形式时,“膜模型”本构方程能实现土对体应力-应变曲线的全过程准确预测。