随着我国经济发展和“一带一路”等重大战略的推进,大型地下工程,大型桥梁工程等一些庞大而复杂的工程不断出现,这对现代土力学提出了新的挑战。作为土木工程建造环境的土体,需要对其有更本质更精确的认识。粗粒土的物理本质为颗粒堆积体,并非如典型固体流体一样的连续介质。以往的基于连续介质力学的土体数学模型由于和粗粒土在物理本质上不一致,限制了这些模型在工程实际中的应用。本文从粗粒土为颗粒堆积体这一基本认识出发,首先对土体颗粒尺度最基本的几何特性进行了系统而深入的研究,然后发展了一系列的颗粒堆积体构造、孔隙分割、水分在孔隙结构中散失集聚和输运的细观尺度模拟算法,通过大量数值模拟和理论分析,建立了颗粒基本几何特性与孔隙结构以及水力学特征之间的关联规律。本文的主要研究内容和成果如下:（1）对于粒径分布的连续函数表征进行了系统研究。现实中的土体由风化破碎和地质营力输运两个关键过程生成。本文综合最大熵定理和Kolgomorov级联破碎理论,建立了颗粒破碎的一般方程,并求出了解析解;对于输运过程,根据H.Einstein泥沙随机输运理论建立随机输运水槽模型,利用元胞自动机对不均匀颗粒的水流输运过程进行了数值模拟。综合上述两步模型计算结果,最终给出了一个5参数的连续函数作为粒径分布的统一表达式,并通过月壤数据库和UNSODA2.0数据库对该函数的有效性和合理性进行了验证。（2）对于不规则颗粒形态的表征方法进行了系统研究。综合以往颗粒形态欧氏参数和频域参数各自的优缺点,将颗粒形态分析分成尺度分割和形态参数提取两大步。其中尺度分割采用环状（2D）和球面（3D）经验模态分解进行。对尺度分割结果利用几何测度理论提炼不同方面不同层次的形态表征参数。利用上述方法建立了一个相对完整的不规则几何体形态表征体系,把以往的多个参数统一在一个体系中,并提出了几个新的参数。同时,基于经验模态分解,提出了一个简单灵活且稳定的真实形态颗粒构造方法。（3）研究了不同粒径分布不同颗粒形态的颗粒堆积规律。对于粒径分布对堆积密度的影响,综合二元堆积和几何堆积,通过解析推导给出了一个堆积密度预测的半经验公式,该推导方法适用于任何连续函数表征的粒径分布,利用离散元对此半经验公式进行了验证。对于颗粒形态对堆积密度的影响,通过综合最小势能原则和模拟退火算法,给出了一个任意形态颗粒的快速堆积算法,利用数值模拟研究了形态对堆积密度的影响,证明球度与堆积密度为二次关系,圆度与堆积密度为一次关系。（4）研究了粗粒土颗粒堆积体的孔隙结构特征。不区分孔隙和孔喉,基于三维的连续开运算,给出了一种孔隙分割算法,对不同颗粒几何特性颗粒堆积体的孔隙结构进行了孔径分布计算。计算结果表明,无论颗粒几何特性如何变化,孔径分布一直稳定为Weibull分布,说明孔径分布只需要尺度参数和形状参数两个参数即可表征。本文通过多元拟合,给出了这两个参数和颗粒几何特性参数之间的经验关系。（5）通过细观尺度数值模拟研究了粗粒土颗粒堆积体的土水特征曲线（SWCC）。利用考虑方向的连续开运算实现了对造成滞后效应的墨水瓶效应和接触角滞后效应的捕捉,利用该方法对不同颗粒堆积体的孔隙结构进行了主吸湿和主脱湿过程数值模拟。模拟结果表明在众多的SWCC表达式中,Assouline的Weibull型方程有最好的拟合效果,本文简化了其形式。同时,给出了SWCC滞回度和颗粒基本几何特性参数之间的经验关系。（6）通过细观尺度数值模拟研究了粗粒土颗粒堆积体的渗透特性。采用可并行计算的格子Boltzmann方法对流体在孔隙结构的运动过程进行了超精细网格的数值模拟。本文以前面几章给出的任意分布任意形状的颗粒堆积体为计算对象,通过大量的细观数值模拟,建立了渗透率与颗粒基本几何特性之间的关系,给出了一个KC（Kozeny-Carman）公式的修正公式,该修正公式和KC公式一样准确,但包含的所有量都是工程中容易测量的颗粒基本几何参数。