重力场作为工程领域最主要的、甚至是唯一的荷载来源,其引起的应力梯度广泛存在于地球岩土工程以及以星球基地建设和资源开采为主要目标的深空星壤工程中。然而,受限于理论体系缺乏、试验手段不足等因素,目前重力引起的应力梯度还没有得到岩土工程界的足够重视。本文围绕“颗粒介质在重力引起的应力梯度作用下的力学行为”关键科学问题,从力学理论模型、数值单元试验、模型试验方法及模型试验四个方面进行了系统研究。首先,针对经典连续介质力学理论体系无法描述重力引起的应力梯度对颗粒介质本征力学行为影响的局限,引入代表性体积单元的概念,基于均质化理论将非均质非连续颗粒介质等效为应力梯度连续介质,并进一步建立了一种包含平衡方程、几何方程、边界条件及本构方程的高阶连续介质力学模型,同时给出了基于代表性体积单元的本构响应获取颗粒介质本征本构关系的方法。其次,在所构建的高阶连续介质力学模型的理论框架下,针对大主应力与重力方向重合且不考虑k₀固结的情形,进行了不同重力场和围压条件下代表性体积单元的数值单元试验,研究了应力梯度对颗粒介质本征力学行为的影响。结果表明,重力引起的应力梯度对颗粒介质等压固结特征、三轴剪切强度、弹性模量、内摩擦角、体积应变及临界状态力学行为均具有显著影响,且其影响与围压间存在耦合效应。进一步通过细观力学响应分析发现,重力敏感型颗粒导致孔胞的模、拉伸率及取向角等细观力学参数均呈现出重力场相关性,进一步引起颗粒骨架体系和微剪切带呈现出重力场相关的演化,最终造成了宏观力学响应的应力梯度依赖性。进一步,分别考虑单元高度变化和颗粒尺寸变化引起的尺度效应,进行了不同重力场条件下不同尺度代表性体积单元的数值单元试验,研究了应力梯度作用下颗粒介质尺度相关的本征力学行为。结果表明,不同重力场条件下尺度及其起源对压固结特性没有显著影响;三轴压缩过程中尺度对剪切强度、内摩擦角、弹性模量、体积应变和临界状态力学行为均具有显著影响,施加应力梯度导致以上力学行为呈现出尺度起源相关性,且颗粒尺寸越大其影响越大。细观层面,重力场的增加导致孔胞模、拉伸率、取向角及力链骨架和微剪切带均呈现出尺度及尺度起源相关的复杂演化,最终导致了宏观力学响应的尺度效应。同时,针对现有重力场模拟手段无法满足重力引起的应力梯度对颗粒介质模型尺度力学响应研究的情形,基于磁力场模拟重力场的思想,系统地构建了涵盖“基础理论-试验设备-模型材料”的土工磁拟重力场模型试验方法,研制了可在Φ95×160mm圆柱形试验空间持续模拟0-20 min强度为0-10g重力场环境的试验系统,制备了系列磁敏性颗粒介质并研究了其磁化及磁重力特性。最后,基于土工磁拟重力场模型试验方法,通过活动门试验从模型尺度进一步研究了重力引起的应力梯度对颗粒介质力学响应的影响,并结合数值单元试验结果建立了同时考虑应力梯度和应力水平影响的土压力计算模型。综合模型试验和理论模型进一步探讨了应力梯度和应力水平对颗粒介质模型尺度力学响应影响的差异性。结果表明,考虑应力梯度时归一化土压力理论预测值才能够更好地吻合实测值,且应力梯度的影响要远大于应力水平。