花岗岩风化残积土在我国广泛分布,以资源丰富的花岗岩风化残积土为原料,具有取料方便,成本低廉,变废为宝,节约资源和保护环境等效益。随着一带一路战略的推进,将有基础设施建设在风化花岗岩山区,其推广应用可以一定程度上解决当地工程建设中的资源调配问题。然而,针对我国花岗岩风化残积土的分类及其工程性质的研究鲜有报道,对决定残积土宏观力学性质的细观颗粒层面物理力学行为的研究更寥寥无几。目前,针对花岗岩风化残积土的研究主要以试验研究为主,由于含有较多的粗粒和砾粒,采用室内试验研究残积土存在尺寸效应,工程上所需的残积土的设计指标（如承载力和原位剪切强度等）多采用成本昂贵的原位试验获取。颗粒离散元法以颗粒的运动和相互作用为基础,基于合适的接触本构模型和细观参数,不但能够准确地获取残积土的宏观力学性质,而且可以获取其细观颗粒层面的物理力学行为。另外,以室内试验为基础,采用颗粒离散元法仿真试验开展残积土工程性质的研究,可以带来缩减试验成本、避免尺寸效应和试验误差等多种效益。本文以三峡库区无粘性花岗岩风化砂为例,采用试验与颗粒离散元法仿真相结合的方法,从宏细观角度开展了针对无粘性花岗岩风化残积土工程性质的多尺度研究:基于颗粒离散元软件Particle Flow Code（PFC）,开发了适用于仿真风化砂的抗旋转Hertz接触模型及颗粒破碎功能模块;揭示了颗粒形状、颗粒级配和颗粒破碎等主要影响因素对风化砂宏细观力学性质的影响机理;开发了能够准确获取风化砂承载力和原位剪切强度的仿真技术;提出了适用于直剪试验的宏细观本构关系;提出了具有分形级配的风化砂三轴压缩强度参数与界限粒径的二元一次函数模型;提出了与基础埋深和宽度相关的花岗岩风化砂地基承载力计算公式。研究成果可为编制相关规范,科学、合理和高效地利用该类风化砂提供理论和技术支持。论文主要研究方法和成果如下:（1）系统研究了三峡库区花岗岩风化砂的物质组成、颗粒成分与形状,基于多种土工试验,获取了风化砂基本的物理力学指标。为开展三峡库区无粘性花岗岩的颗粒离散元仿真提供了基础支持。采用相关测试技术和室内土工试验获取无粘性花岗岩风化砂的物理力学指标。高倍率放大镜下,风化砂粒以类球状居多,片状和杆状颗粒较少,棱角鲜明,表面质地粗糙,粗粒和砾粒多伴有风化裂隙,砂粒在较小的弯矩或压力下会破碎。通过X-Ray衍射得出砂粒的矿物成分主要以石英、长石、闪石为主,粘土矿物含量很少,颗粒越粗,长石含量越大,砾粒的长石含量为40%-80%,不同粒径的砂粒中石英和闪石含量较为均匀。筛分试验结果表明,风化砂的级配区间较宽,从极细的粉粘粒到巨粒均有分布,对其进行常规室内试验存在尺寸效应。为此,在剔除含量很少的粉粘粒和中粗砾石后,将风化砂筛分为四组,进行分类研究,即细砂（>0.075 mm）、中砂、粗砂和砾砂（<10 mm）。同时为了便于制作可重复的试样,每组砂样的颗粒级配均采用均匀分布（均匀分布的颗粒级配曲线在坐标系中为直线,具有分形特征且分形维数为2.0）。对细砂、中砂、粗砂和砾砂开展了多种土工试验,获取了风化砂基本的物理力学指标。试验结果为开展准确的颗粒离散元仿真试验提供了基础支持。由高应力水平下固结和直剪试验前后颗粒级配的变化可知,风化砂在较高的应力水平下发生了一定的颗粒破碎。（2）针对无粘性花岗岩风化砂,基于PFC开发了抗旋转的Hertz接触模型和颗粒破碎功能模块,使颗粒离散元能够准确地仿真风化砂的宏细观力学行为。为准确模拟风化砂的力学行为,根据接触力学与摩擦学原理,开发了适用于无粘性花岗岩风化砂的可考虑颗粒旋转阻力矩的赫兹接触本构模型（RRHertz）。针对风化砂的颗粒破碎特性,通过引入颗粒破碎准则和颗粒破碎方式,开发了可考虑颗粒破碎的功能模块。在此基础上,采用颗粒离散元法对风化砂的土工试验进行了仿真,基于室内试验结果,标定了仿真试验所需的细观参数及破碎参数,结果表明,颗粒离散元仿真试验能够准确地模拟风化砂的宏细观力学行为。（3）通过所构建的颗粒离散元模型,获得了颗粒形状对花岗岩风化砂直剪和三轴压缩宏细观力学性质的影响规律。建立了适用于直剪试验的宏细观本构关系。针对采用对比试验研究颗粒形状对砂性土宏细观力学性质的影响时,常忽略颗粒的体积和形状不规则性,导致颗粒形状影响因子不能被完全分离的问题,本文参照天然砂粒的轮廓,构建了风化砂的颗粒离散元模型,获取了仿真砂样在直剪和三轴压缩过程中的宏细观力学性质,揭示了颗粒形状在不同类型的试验中对砂样宏细观力学性质的影响规律。结果表明:1)由于其棱角可以占据孔隙空间,形状不规则的颗粒能够堆积出相比圆形颗粒更小的孔隙比;2)颗粒形状明显影响砂样在直剪试验中的峰值强度,而对三轴压缩试验峰值强度的影响几乎为零,导致这种结果的原因在于砂样在直剪试验中沿唯一的剪切带破坏,颗粒形状对峰值强度的影响被放大,而三轴压缩试验中砂样沿多组剪切带破坏,颗粒形状对峰值强度的影响被弱化;3)在直剪试验中,当法向应力较低时,由于最大剪胀角小于同等条件下圆形颗粒试样,不规则形状颗粒构成的试样具有较小的峰值强度,只有当法向应力较大时,不规则形状颗粒构成的试样才具有较大的峰值强度。对于风化粗砂,该临界法向应力为400 k Pa,需要注意的是,不同颗粒级配和类型的土对应的临界法向应力应不同;4)无论是直剪试验还是三轴压缩试验,颗粒形状对临界强度几乎无影响,对临界状态线的斜率无影响,但不规则形状颗粒试样临界状态线与Y轴截距较同等条件下圆形颗粒试样小;5)在直剪试验中,除了宏观剪应力、体积应变和临界状态线受颗粒形状的影响,在细观颗粒层面,颗粒形状对粒间接触力大小的分布、接触密度、接触力方向及大小的各向异性均有影响;6)探讨了三轴压缩和直剪试验中接触力方向及大小的各向异性与砂样宏观应力比的关系,提出了适用于直剪试验的宏细观本构关系。（4）采用颗粒离散元模型模拟了10组具有分形级配特征的纯砂和混合砂在不考虑颗粒破碎情况下的宏细观力学响应,揭示了颗粒级配对花岗岩风化砂宏细观物理力学性质的影响规律。针对平均粒径d50、不均匀系数Cu和曲率半径Cc不能够唯一地确定颗粒级配曲线的问题,为便于制作重复的试样,采用分形维数模型量化颗粒级配（简称为分形级配）,该模型包含三个指标,即分形维数α、最大及最小粒径dmax和dmin。按照细砂、中砂、粗砂和砾砂的界限粒径设计了级配具有分形特征的4组纯砂,以及将纯砂按照分形级配混合而成的6组混合砂。针对分形级配对风化砂宏细观力学性质的影响,基于颗粒离散元仿真获取了10组具有分形级配的风化砂在三轴压缩试验中的宏细观物理力学响应,得出如下结论:1)当最小粒径dmin和最大粒径dmax不变,分形维数α在2.0-2.6范围内变化时,α对密实砂土的峰值摩擦角、临界摩擦角、体积应变率、剪胀角、临界状态线、均一化接触密度、均一化接触力分布、接触力方向和大小的各向异性均无影响;2)具有分形级配的砂在三轴压缩试验中的峰值及临界强度、压缩模量、临界状态线、接触力大小的分布、接触密度和接触力方向和大小的各向异性与其界限粒径存在规律性,提出了采用二元一次函数描述分形级配砂样三轴压缩强度参数与其界限粒径关系的数学模型。（5）采用颗粒离散元模型模拟了10组具有分形级配特征的纯砂和混合砂在考虑颗粒破碎情况下的宏细观力学响应,揭示了颗粒破碎对花岗岩风化砂宏细观物理力学性质的影响机理。针对颗粒破碎对风化砂宏细观力学性质的影响,基于颗粒离散元仿真获取了10组具有分形级配特征的纯砂和混合砂在考虑颗粒破碎和不考虑颗粒破碎情况下的宏细观力学响应,通过对比分析,揭示了颗粒破碎对砂样宏细观物理力学性质的影响。主要结论如下:1)在界限粒径不变时,α在2.0-2.6范围内变化时,颗粒破碎率不受影响;2)界限粒径和应力水平是影响颗粒破碎的主要影响因素。其中应力水平与颗粒破碎率呈线性相关,而在同等应力水平下,界限粒径区间越宽,颗粒破碎率越小;3)颗粒破碎导致平均粒径以下的细粒含量增加,试样中颗粒的数量变大,而平均接触力变小;4)在颗粒破碎的情况下,当界限粒径不变,α在2.0-2.6范围内变化时,砂样的峰值及临界摩擦角、体积应变率及剪胀角、临界状态线、均一化接触密度、粒间接触力分布、接触力大小及方向的各向异性均无影响;5)颗粒破碎导致峰值摩擦角变小,而临界摩擦角变大,最大剪胀角变小,e-p临界状态线的斜率及其与Y轴的截距变大;6)在颗粒破碎的情况下,风化砂的三轴压缩强度参数、最大剪胀角、临界状态线、接触密度、接触力大小的分布、接触力方向和大小的各向异性与其界限粒径依然存在规律性的关系,提出了采用二元一次函数描述强度参数与界限粒径的关系;7)颗粒破碎会影响剪切带的形成,弱化试样中的应力集中,降低峰值阶段接触力方向和大小的各向异性,但对临界阶段的各向异性有所提高。（6）开发了能准确模拟平板载荷试验和原位直剪试验的高效率的颗粒离散元仿真方法,可大大缩减工程试验成本。通过平板载荷试验和原位直剪试验获取风化砂的地基承载力和原位剪切强度成本较高,基于颗粒离散元法开发了高效率的可准确模拟平板载荷试验和原位直剪试验的方法,可获取完整的H-V-M地基承载力包络线和地基土的原位剪切强度,同时可确定地基土的变形模量。通过模拟平板载荷试验和原位直剪试验获得了如下结论:1)基于理论分析,确定了模拟平板载荷试验时,地基模型所需的尺寸,采用半平面法,在保证结果准确的同时,提高了计算效率。根据地基土的内摩擦角和基础宽度确定地基土的宽度和深度;采用伺服控制,在地基表面施加恒定的应力以模拟地基的埋深;基于此方法,提出了适用于风化砂的,与基础埋深和宽度相关的地基承载力计算公式,进一步研究可提供完整的针对风化砂的地基承载力深宽修正公式;2)通过不断增加地基模型的尺寸,同时与室内直剪试验做对比,确定了模拟原位直剪试验时,地基模型所需的尺寸,即地基模型在深度上不宜小于基础宽度的2倍,地基模型在宽度上不宜小于基础宽度的3倍。风化砂的原位直剪试验结果表明,当法向应力超过200 k Pa时,在剪切过程中伴随着地基承载能力的破坏,导致所得剪切强度小于真实值,因此,为准确地获取风化砂原位抗剪强度,其法向应力水平不宜超过200 k Pa;3)室内直剪试验中试样的剪胀角会大于同等条件下原位直剪试验,导致所得峰值摩擦角较大,主要原因在于,室内直剪的剪切盒限制了试样的变形,在原位直剪试验中土样的变形范围较大。