水工混凝土材料在现代水利水电工程建设中占有极其重要的地位。深刻认识水工混凝土的力学行为及工程特性,对于高混凝土坝真实工作性态分析及其安全评价具有重要意义。混凝土结构变形、损伤和断裂等非线性力学特性与其细观尺度材料组成的强非均匀性（即骨料、浆体、界面过渡区和缺陷等组成的多相复合结构）密不可分。相比于传统试验手段,细观力学分析方法在开展混凝土材料复杂工程力学特性的预测,揭示全级配混凝土与湿筛试件之间的强度差异规律,分析温度、荷载作用下细观微裂缝萌生、发展、贯通及扩展过程等方面,具有独特优势。发展混凝土细观力学分析方法,研究混凝土材料（尤其是全级配混凝土材料）的复杂力学特性及损伤断裂机理,已经成为国内外工程界、材料学界和固体力学界的前沿问题。本文致力于应用和发展细观力学分析方法,从细观尺度研究水工混凝土变形、徐变、损伤、断裂等力学特性。通过生成与实际混凝土材料相似的细观多相复合模型,采用力学理论和数值分析方法研究混凝土细观结构与宏观力学特性之间的联系。主要研究成果如下:（1）介绍了混凝土细观力学分析方法在细观模型建立、细观组分力学参数试验研究、基于细观模型的宏观力学性能预测以及细观尺度混凝土损伤断裂数值模拟等方面的国内外研究现状,总结已有研究中存在的若干关键技术问题,并提出本文的主要研究内容。（2）发展了细观尺度混凝土三维建模技术,包括高含量多级配骨料的生成与高效投放、孔洞或微裂缝等初始缺陷的模拟以及细观模型的可视化;同时,可对混凝土内部结构直接进行实际尺寸的有限元网格划分,形成含骨料、砂浆、界面过渡区及缺陷等多相组分的精细化模型。该法整体建模效果较好,基本可满足混凝土细观力学数值仿真的需求,为后续的研究奠定重要基础。（3）建立了基于三维细观力学模型预测全级配混凝土等效热弹性力学性质的数值试验体系。对混凝土等效弹性模量、热传导系数和热膨胀系数的预测结果与一些试验结果或理论分析结果吻合较好,证实数值试验的合理性和可靠性。同时,数值试验的分析结果表明,混凝土等效力学性质的表征体积单元（RVE）约为最大骨料粒径的3.5-4倍。（4）开展了室内力学试验和细观力学数值仿真的对比研究,探讨骨料特征对混凝土强度的影响和混凝土强度的尺寸效应问题。在此基础上提出了全级配/湿筛混凝土强度折算系数的预测方法,该系数可用于初步评估全级配混凝土的强度。（5）提出了基于非稳态热传导和徐变温度应力分析理论的混凝土细观热力学模型,预测了不同骨料含量混凝土试样的徐变特性。对三级配混凝土试样标准养护过程中早期自约束温度应力的产生进行数值仿真及参数敏感性分析,揭示了早期自约束温度应力的产生机理及主要影响因素。分析结果表明:自约束温度应力的存在可能会导致混凝土内部产生微裂缝等初始损伤,危害结构的承载能力和耐久性。（6）推广了相场断裂模型及其有限元分步求解算法在混凝土细观尺度开裂及裂缝扩展模拟中的应用。模拟结果表明,混凝土在单轴压缩下产生张拉、压剪复合型裂缝,在单轴受拉下则产生张拉型裂缝;细观结构特征（包括骨料、ITZ、初始缺陷等）对混凝土裂缝扩展行为具有重要影响:骨料、ITZ、孔洞和微裂缝的存在容易诱发裂缝产生,且其含量和分布是裂缝起裂位置、扩展路径和裂缝形态等的主要控制因素。最后,总结了论文的主要研究成果,并提出了今后尚待深入研究的若干问题。