持水特性是非饱和土中一个重要的水力参数,对研究非饱和土的渗透性、变形以及强度等水力和力学性质具有重要作用。非饱和土持水特性受诸多因素影响（颗粒形态、孔隙结构、流体湿润特性,应力状态等）,受传统试验技术和测量方法的限制,孔隙率和接触角等对非饱和土持水特性影响以及非饱和土体微观结构方面的研究还存在很多不足。基于此,本文以粒径范围在0.2-0.4mm的高圆度玻璃微珠材料为研究对象,通过压力板仪对两种孔隙率条件下的持水特性曲线和相对渗透系数进行了研究;并利用自行研制的适用CT扫描的微型土水特征曲线试验装置,对非饱和颗粒材料脱湿过程中的液体团簇和孔喉结构等基本特征以及流-固和气-液两相交界面的演化特征进行了分析;最后基于CT扫描图像微观分析结果,并结合格子Boltzmann（LBM）数值模拟方法,对不同孔隙率和不同接触角条件下非饱和颗粒材料的持水特性（持水特性曲线）、两相交界面面积和相对渗透率等变化规律进行了模拟分析。主要研究结论如下:（1）通过压力板仪对高圆度玻璃微珠材料在两种不同孔隙率（φ=0.2619和φ=0.3053）条件下的持水特性曲线试验,结果表明:VG模型可以很好地对不同孔隙率的高圆度玻璃微珠的持水特性曲线进行拟合,决定系数R2均大于0.99。随着孔隙率的增大,高圆度玻璃微珠材料的持水性呈现出减弱的趋势,进气值和残余饱和度均逐渐减小。φ=0.3053时试样的进气值较φ=0.2619时试样的进气值低0.15kPa,残余饱和度降低0.4%,φ=0.2619时试样达到残余饱和度的基质吸力较φ=0.3053时试样达到残余饱和度的基质吸力高约1kPa。利用VG模型拟合参数对相对渗透系数的计算预测结果表明,随着高圆度玻璃微珠材料孔隙率的增大,液相和气相的相对渗透系数均逐渐增大。（2）基于自行研发的微型土水特征曲线试验装置CT扫描图像,从代表体积元尺度对孔隙率、饱和度、交界面面积等进行了局部分析并与全局分析进行了对比,二者趋势基本吻合。结果表明:液-固的特征交界面面积和气-固的特征交界面面积随着饱和度的变化呈相反的变化趋势,液-固的特征交界面面积随着饱和度的减小而减小,气-固的特征交界面面积随着饱和度的减小而增大,二者总和保持不变（等于固体颗粒表面积与试样总体积的比值）。气-液的特征交界面面积随着饱和度的减小呈现出先增大后减小的趋势,局部分析结果显示其峰值出现在饱和度30%-40%的区间范围内。随着基质吸力的增加,孔隙内脱饱和过程主要分为两阶段,大体积孔隙优先脱水,当饱和度下降至30%左右的范围时,孔隙水开始从小体积孔隙排出;在试验脱湿的演化过程中,随着孔隙水排出,大体积的液体团簇逐渐消解,并且部分被分解为小体积的液体团簇,导致小体积的液体团簇数量增多,试样内部最大体积液体团簇的体积也相应减小。第一次扫描结束和第五次扫描结束后孔配位数的对比结果表明:脱湿过程中试样的孔喉结构有微小变化,但由于侧向约束的存在,这种变化对试样整体结构的影响可以忽略。（3）使用基于介观尺度的格子Boltzmann方法对不同孔隙率和不同接触角条件下的多孔介质两组分两相的流动进行了数值模拟,结果表明,湿润性流体的相对渗透率随着孔隙率的增大而增大,但湿润性流体-固体颗粒、非湿润性流体-固体颗粒和非湿润性流体-湿润性流体的特征交界面面积随着孔隙率增大无统一变化规律。随着接触角的增大,试样的进气值和残余饱和度均逐渐减小,湿润性流体-固体颗粒的特征交界面面积、湿润性流体-非湿润性流体特征交界面面积也逐渐减小,而非湿润性流体-固体颗粒的特征交界面面积逐渐增大。接触角对湿润性流体相对渗透率的影响与饱和度相关,在不同的饱和度区间,接触角对湿润性流体相对渗透率的影响趋势不同。湿润性流体的相对渗透率随着饱和度的减小而逐渐减小。使用VG模型对模拟的持水特性曲线数据进行了拟合,拟合参数α与接触角的关系可以用一元二次函数来描述。从流-固交界面、气-液交界面等方面对数值模拟结果和微观试验结果进行了对比,结果表明,数值模拟的非湿润性流体-固体颗粒的特征交界面面积大于微观试验代表体积元尺度的局部分析结果;数值模拟的湿润性流体-固体颗粒特征交界面面积、非湿润性流体-湿润性流体特征交界面面积和固体表面湿润比与微观试验代表体积元尺度的局部分析结果基本吻合。