土体介质是地质循环作用下由固体颗粒、孔隙液体和孔隙气体组成的多相地质材料,土体不同尺度土颗粒之间形成的复杂微细观结构和组构以及各相物质之间的相互协作用,导致土体在不同尺度结构层次呈现不同的物理机制和力学响应,突显土体强度和变形特性的多层次耦合和跨尺度演化效应。本文采用采用理论分析和试验研究相结合的方法探讨土体介质的多尺度耦合力学特性。其中,理论分析阐述土体尺度效应物理力学机制并建立能够预测和模拟土体多尺度流动应力的力学模型,得出含有尺度效应的土体胞元模型理论框架体系,并结合试验分析,研究土体不同尺度体现出的颗粒特性对土体宏观强度的影响,并通过试验结果求解力学模型参数,在理论分析和试验研究的基础上,将理论预测值与试验结果比较来验证土体多尺度流动应力的力学模型的正确性和适用性。本文理论研究与试验分析取得的主要成果如下:(1)土体颗粒之间的相互作用力主要为粘聚效应还是摩擦效应与土体颗粒的微重比有关。当颗粒粒径较小时,土体颗粒之间微重比较大,颗粒之间的作用力主要为微观作用力,体现粘聚效应;随着颗粒粒径的增大,土体颗粒之间微重比减小,颗粒间微观作用力逐渐减弱,宏观层面的重力作用逐渐增强,体现出摩擦效应。(2)基于MSG理论,引入了等效应变梯度、协调微裂纹密度以及内禀尺度三个参数,并给出了三个参数的物理意义,从能量角度推导了“基体-加强颗粒”土体胞元模型的土体流动应力公式,为土体胞元模型对包含加强颗粒的土体的屈服强度进行理论预测奠定了理论基础。(3)制备了一系列具有不同加强颗粒组合的土体胞元模型试样,分别进行了直接快剪试验、三轴压缩试验以及无侧限压缩试验。试验结果表明体分比以及粒径对土体胞元模型试样的应力应变关系以及屈服应力有很大影响。加强颗粒体分比小于0.3时,试样的屈服应力均随加强颗粒体分比的增加而增加,但这种变化规律在三轴压缩试验中要表现的更加显著。当加强颗粒体分比超过0.3时,提高加强颗粒体分比,土体强度不再提高,甚至会减少;对于无侧限压缩试验,试样的屈服应力随加强颗粒粒径的增大呈现出先增大后减少的趋势,而对于三轴不固结不排水剪切试验,试样的屈服应力随加强颗粒粒径的增大而显著减小;而加强颗粒粒径的变化对直接剪切试验试样的屈服应力影响不大。(4)土体胞元模型试样剪切屈服应力与加强颗粒体分比和粒径不是简单的递增递减关系,存在一个介于0.275～0.3之间的“临界体分比”以及一个介于0.4mm～0.6mm之间的“临界粒径”。当加强颗粒体分比小于“临界体分比”,试样屈服应力随着加强颗粒体分比的增加而增加,当加强颗粒体分比大于“临界体分比”,试样屈服应力随着加强颗粒体分比的增加而不再增大甚至减小;当加强颗粒粒径小于“临界粒径”时,试样无侧限抗压强度随着粒径的增加而增加,当加强颗粒粒径大于“临界粒径”时,试样无侧限抗压强度随着粒径的增加而减小,并且随着加强颗粒体分比增加,“临界粒径”越小。(5)将试验参数与含有尺度参数的胞元土体理论框架体系进行对比分析,分析结果表明加强颗粒体分比和粒径对土体胞元模型等效应变梯度、协调微裂纹密度以及内稟尺度有比较大的影响。当加强颗粒粒径一定时,等效应变梯度以及协调微裂纹密度随着加强颗粒体分比增加而增大;当加强颗粒体分比一定时,加强颗粒粒径越小,等效应变梯度和协调微裂纹密度也随着增大。对于直剪试验,土体胞元模型的内禀尺度随着加强颗粒粒径的增大而增大,而加强颗粒体分比的改变对土体胞元模型的内禀尺度的影响不大;而对于三轴不固结不排水试验,土体胞元模型的内禀尺度随着粒径的增大而减小,当体分比小于0.3时,土体胞元模型的内禀尺度随着体分比的增加而增加,并且有着良好的线性关系。模型理论预测值与试样试样值之间的相对误差|τth-τte/τte|小于10%,多数小于5%,土体胞元模型剪切试验屈服应力理论模型预测结果总体上是可以接受的。(6)在土体胞元模型的基础上,引入了一些尺度参数,并结合三轴不排水剪切试验条件,建立三轴不排水试验条件下的多尺度Mohr-Coulomb强度准则,根据试验结果绘制其屈服轨迹并与传统Mohr-Coulomb强度准则的屈服轨迹进行比较,结果表明,多尺度Mohr-Coulomb强度准则具有良好的适用性和有效性。