砂土作为典型的天然颗粒材料，具有剪胀性、压硬性、各向异性等特殊力学性质。砂土颗粒的性质、形状、大小等细观力学性质决定着土体应力应变的非线性关系。砂土的力学性质受控于其内部的微细结构，力学行为所表现出的不确定性、不规则性和模糊性是其微细结构的具体反映。为了更好的研究砂土的宏观力学性质与细观变形机理，本文采用基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的新手段，并以颗粒流软件PFC2D为平台，通过对直剪仪的改造，对福建标准砂进行了土工直剪试验与数值模拟试验，并对试验结果进行剖析，进一步揭示砂土的力学性质与变形机理。为此，本文开展的主要工作有：1.综述国内外基于数字图像相关方法的直剪试验研究现状，并着重介绍土体微结构的研究方法和有关力链的研究成果。详细介绍有关数字图像相关方法的应用、原理以及推导过程。2.采用基于图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的手段，对传统的直剪试验装置进行改造，利用自行设计改装的剪切试验装置，应用CCD摄像机实时跟踪并采集砂土变形特性，开展在不同的垂直压力下对砂土试样进行直剪试验，实时跟踪观测砂土的动态连续变形。3.详细介绍颗粒流方法产生的背景、特点、基本假设及其基本理论。运用颗粒流数值软件PFC2D对砂土的直剪试验力学特性进行细观数值模拟，并对试验的流程与方法做了详细阐述。4.通过数字图像处理，得到砂粒在剪切过程的运动规律以及力学性质变化，分析其对宏观力学特性的影响，并与数值模拟试验作对比。