砂土作为典型的离散体颗粒材料,广泛地存在于自然界并应用于工程建设之中。长期以来,对砂土力学特性的研究多是基于连续介质理论,并未考虑土体具有离散性、非线性以及非均质性等离散体特性的影响,因此并不能准确全面地解释砂土复杂的力学行为,而离散单元法的诞生和发展为解决土体等离散体材料的力学特性提供了更为合理的理论依据。离散单元法提出,砂土宏观力学现象的本质需要从细观机理上去解释,这是当前研究各种复杂岩土问题的关键切入点。关于砂土材料力学特征的影响因素及其反应机制的研究一直是岩土工程领域中的重要课题。本文以离散单元法为理论依据,结合室内直剪试验和PFC2D颗粒流数值模拟,从宏-细观角度分析了粒径差异对砂土剪切力学特征的影响机制。主要工作和结论如下:(1)通过室内直剪试验对具有三种不同粒径的砂土进行各级法向应力下的剪切试验,并建立了可以反映各组砂土试样剪切力学特性的PFC2D数值模型,同时分析了部分主要细观参数的设置对模拟试验应力-应变特性的影响。室内直剪试验和数值模拟结果表明,粒径差异对砂土宏观剪切力学特性的影响主要体现在其抗剪强度和剪胀变形方面,砂土平均粒径越大,其抗剪强度越高,剪胀效应也越明显。(2)通过对数值模型中剪切带内部颗粒的运动轨迹进行追踪,从大量轨迹特征的共性中总结归纳了砂土颗粒在剪切过程中相对运动的三种基本形态:上跨型、下跨型和平动型。其中,剪切带内颗粒间的跨越是决定土样剪胀性强弱的重要因素,通过对样本颗粒坐标变化范围的分析得知,平均粒径越大的砂土试样其上跨型颗粒占比越高,颗粒跨越产生的平均竖向位移也越大,从颗粒运动角度解释了各组试样宏观剪胀性差异产生的原因。(3)充分发挥PFC2D颗粒流软件的可视化优势,弥补了室内试验在细观参数监测上的不足。在兼顾横向对比的同时,详细研究了在剪切过程中数值模型力链网络、孔隙率、配位数以及位移场、速度场等细观结构参数的变化特征和规律。从细观角度分析了粒径差异对砂土试样宏观剪切特性的影响机制。研究表明,不同平均粒径的砂土试样在剪切过程中的细观参数变化存在显著差异,并且其细观参数的差异主要体现在剪切带处,而试样孔隙率云图、位移场、速度场和转动场均可从不同角度反映剪切带的形态特征和变形机理。