不同成因的土石混合体边坡在我国分布广泛。为了对这类边坡进行有效防治,有必要对土石混合体的物理力学行为进行系统研究。土石混合体是由块石、细粒土以及分布其间的孔隙构成的典型的非均质颗粒混合系统,其力学行为受到含石量、块石形状和块石的空间分布等诸多因素的影响。现有的岩土力学理论不足以对这种特殊地质材料的力学行为进行准确描述。为了加强对这类特殊岩土材料力学行为的理解,有必要探究其宏观力学行为和细观结构特性间的联系。基于此,以细粒土为砂土的土石混合体为工程背景,采用离散元数值试验对土石混合体的宏细观力学行为展开了研究。本文主要研究内容如下:(1)采用室内静力加载试验探究了含石量(0%、10%、30%、53%和70%)对土石混合体边坡渐进破坏过程及模式的影响,并引出下文其他章节的研究问题。研究发现含石量将影响边坡的荷载-位移曲线形式:当含石量小于30%时,边坡荷载峰值受含石量的影响较小;当含石量达到70%时,边坡荷载随加载位移持续增加,并当位移达到较大值时仍未出现明显的软化行为。含石量30%和70%与物理试验观测到的含石量阈值基本一致。通过PIV(Particle Image Velocimetry)分析揭示了边坡在静力超载作用下渐进贯通破坏的过程。对比不同含石量边坡的PIV分析结果,发现剪切带均呈“y”型,并探究了含石量对局部剪切带发展过程的影响规律,发现剪切带发展过程中的“单边”和“分叉”两种绕石模式。当含石量低于30%时,边坡呈整体破坏形式,而当含石量大于53%时,边坡呈局部分级破坏形式。(2)物理试验发现土石混合体的峰值抗剪强度存在含石量阈值现象,尚未有研究揭示其细观机制。基于离散元数值双轴试验,采用提出的不同接触类别赋予不同摩擦系数的新方法,重现了物理试验中观测到的土石混合体峰值抗剪强度随含石量的变化规律。基于组构各向异性分析,阐明了土石混合体峰值抗剪强度随含石量变化规律的细观组构异性机制。定量评估了块石-块石接触、块石-土接触和土-土接触对峰值抗剪强度的贡献,提出了一种土石混合体分类标准,发现特定类别间含石量界限值即为阈值,且阈值受接触摩擦系数的影响较小,从而揭示了阈值现象的细观机制。最后研究了含石量达到阈值时的颗粒排列结构,对于圆盘和球体二元混合体,当粗颗粒的平均局部配位数分别达到2.0和3.4左右时,二元混合体的力学行为开始由粗颗粒所控制。(3)对多球体构成的椭球试样进行了一系列数值三轴试验,探究了长短轴之比(即AR)对颗粒材料宏细观力学行为的影响。试样的峰值抗剪强度随AR先增加后减小,而残余抗剪强度随AR逐渐增加。应力剪胀关系分析发现:不同AR试样的峰值内摩擦角φp,残余内摩擦角φc和峰值剪胀角ψp满足φp=ψc+0.62ψp。其他文献探究AR对宏观抗剪强度的影响结果与本文结果一致,验证了本文多球体构成Clump模型的有效性。颗粒的平均接触数和转动惯量随AR逐渐增加,导致颗粒的平均旋转角度随AR逐渐降低。剪切过程中颗粒旋转使椭球体定向排列:随着AR增加,椭球体更趋于“平躺”排列。以组构异性分析为基础建立了宏细观力学行为的联系,并揭示了峰值和残余抗剪强度的组构异性机制。(4)采用CT扫描不同块石颗粒建立颗粒形状库,基于此建立土石混合体三维数值模型并进行了一系列三轴试验,探究了砾石形状和含石量对土石混合体宏细观剪切特性的影响规律。当含石量达到60%-70%时,土石混合体内逐渐形成了砾石的骨架结构,此时峰值和残余抗剪强度随含石量迅速增加。应力剪胀关系分析发现剪胀作用对抗剪强度的贡献随含石量先增加后减小。对比分析发现颗粒形状影响石-石接触、石-土接触和土-土接触对峰值抗剪强度的贡献,并基于粗颗粒的平均局部配位数分析阐明了粗颗粒形状影响各接触类别对峰值抗剪强度贡献的细观机制。剪切过程中石-土接触对外荷载的贡献逐渐增加,土-土接触的贡献逐渐降低,而石-石的贡献可能保持不变、升高或降低,主要取决于含石量水平。对各接触类别的接触力及其比例特征分析阐明了上述变化规律的细观机制。最后基于组构各向异性分析,建立了宏细观剪切特性的联系,阐明了土石混合体峰值和残余抗剪强度的组构异性机制。