土石混合体(S-RM)常见于多种浅表生地质灾害以及水利水电工程、道路工程、房屋建筑、矿山开采等领域。其中“土”和“块石”在粒径及强度方面均存在很大差异,使得土石混合体的细观结构特征对其宏观物理力学性质有显著影响,且与研究尺度密切相关,并具有明显的非均质特性。论文通过物理试验和数值模拟开展了土石混合体细观结构力学及尺度效应的系统研究。结合实时无损的CT扫描技术,开展了土石混合体室内三轴试验。研究了含石量、粒度组成、试样尺度对其宏观强度及变形特性的影响,并实现了对试样细观结构及其演化过程信息的实时获取。应用数字图像处理、数据库管理和3D可视化技术,研发了土石混合体三维细观结构重建及分析系统(MSRAS3D),实现了土石混合体试样三维细观结构模型重建及细观结构定量统计分析,为揭示三轴试验全过程的细观结构演化规律提供了有力手段。在此基础上,揭示了土石混合体试样在外荷载作用下内部块石的空间运动规律、典型破碎形式和变形局部化现象。基于土石混合体重建模型开展了三轴试验的离散元数值模拟,根据室内试验结果反演获得了“土”与“块石”的颗粒细观力学参数。应用反演计算参数,采用随机生成技术获得土石混合体随机模型,系统研究了块石形状、破碎性能和试样尺度等因素对土石混合体宏细观力学行为的影响。基于数值试验结果,对土石混合体剪切破坏过程中内部颗粒的空间运动、颗粒间接触数、法向与切向接触力、细观体变等细观结构特征的演化规律进行了定量分析,从细观层次揭示了粒度组成、块石形状及破碎性、试样尺度等因素对土石混合体宏观强度及变形特性的影响机制。通过论文研究表明:基于室内试验中的重建模型和数值模拟中的随机模型量化分析细观结构演化规律,是揭示土石混合体宏细观力学特性的有效手段。土石混合体的细观结构特征和“土”、“块石”的自身性质,共同影响其力学行为。变形破坏过程中,内部块石运动、破碎等引起内部细观结构的不同调整,从而影响宏观强度和变形特性。研究尺度和粒度组成直接决定了块石在土石混合体力学响应中所发挥的作用类型;棱角性块石未破碎时,能通过咬合有效提高强度;由应力水平和块石自身强度决定的破碎性质,对土石混合体强度参数及变形特性均有重要影响。