高堆石坝建设的快速发展对堆石体的宏细观力学特性研究提出了更高要求。堆石体自身的多尺度结构和典型的非线性、非均匀、离散性、各向异性等使得人们对其宏细观变形机理的认识还不够深入,现行的本构模型和设计理论还不能完全满足工程实践的需求。目前,堆石体应力变形的研究方法主要是采用基于连续介质模型的有限元方法进行,它能够在宏观层面上基本等效地得到堆石体的应力变形特性,但难以反映堆石体在细观尺度上的演变过程,如颗粒破碎、颗粒滑移等重要特征。离散元或者以离散元为基础的多尺度数值试验不受试验尺寸的限制,并能够区分影响堆石体力学性能的各种因素,同时也可以方便地监测堆石体内部结构在加载过程中的演化过程,数值试验的这些优势一方面为研究堆石体的细观变形机理或宏观力学特性产生机制提供了新的途径,另一方面也可为完善堆石体的本构关系提供理论依据。因此,有必要从细观数值方法入手,以多尺度方法为手段,从宏细观角度研究堆石体的力学特性。多尺度方法是研究堆石体等复杂颗粒体系的一种有效思路。本文提出了一种分阶耦合有限元-离散元的多尺度模拟方法,分析和推导了该多尺度方法中的关键关系式,构建了相应计算框架。该多尺度方法采用有限元模拟边值问题,并从对应于每个高斯积分点的离散颗粒集合体提取本构关系用于整体求解。该方法既能避免传统连续方法对基于唯象假定的本构关系的依赖,又能克服单纯离散元不能有效模拟大尺度工程问题的缺点,同时还可以将宏观响应与颗粒材料的细观机制有效关联。通过堆石体双轴压缩多尺度数值试验,对堆石颗粒材料的宏细观特性进行了系统的研究。宏观力学响应表现出围压相关性与非对称的应变局部化现象；剪切带内外以及边缘积分点表现出不同的局部响应；在细观组构方面,分析了加载过程中配位数的演化规律、颗粒的运动规律以及接触力链的发展,从细观层次解释了堆石颗粒体系的力学性质；颗粒集合体的接触力分布具有非均匀性与空间各向异性,剪切带内颗粒集合体的主应力发生了偏转,各向异性程度更加明显；分析了各向异性系数的演化过程以及不同各向异性来源对总体各向异性的贡献权重；研究了加载过程中颗粒集合体能量的演变。随着表征元颗粒数目的增多,接触法向的分布越均匀、各向异性程度越小,但在软化行为的模拟方面有一定差别。数值算例充分展示了该多尺度模拟方法在颗粒材料基本特性研究及其实际工程应用方面良好的运用前景。对随机散粒体不连续变形(SGDD)方法中的接触力学模型、弹塑性应力应变关系、时域离散和积分等方面进行了简要介绍。以实际工程筑坝料为例,对堆石颗粒形状进行了分析和模拟,发展了堆石颗粒随机生成方法。该算法可生成不同颗粒形状、不同孔隙率、不同级配的颗粒集合体,在细观尺度上实现了堆石颗粒几何形态与空间分布的精细化描述。在随机散粒体不连续变形方法的基础上,引入内聚力模型,将准脆性材料离散为实体单元与无厚度界面单元,并对界面单元的刚度等参数进行推导,通过界面单元的起裂、扩展和失效,实现了岩体等准脆性材料开裂扩展的数值模拟。该方法能够显式地模拟三维颗粒破碎现象,不需要在裂缝尖端重新剖分网格,确保了数值计算的稳定性,提高了计算效率。数值模型中,损伤与断裂只发生在界面单元上,实体单元仅发生弹性变形,界面单元的应力状态达到破坏准则后,运用基于断裂能的损伤演化模型,界面单元失效后从模型中删除,之前由界面单元相连的实体单元转为接触状态。以巴西劈裂试验等算例对该方法进行了验证,较好地模拟了裂纹的开裂萌生与扩展。在分析颗粒破碎力学机制的基础上,应用该方法模拟了堆石体的颗粒破碎。基于多尺度力学模型与随机散粒体不连续变形方法,建立了堆石体的数值试验平台。数值试验平台能够模拟刚性或柔性边界条件,提供位移或应力加载方式,提取颗粒集合体的宏观力学指标。在详细阐述数值试验过程的基础上,分别研究了堆石体的缩尺效应和锚固效应。以水布垭面板堆石坝主次堆石料为研究对象,建立了考虑颗粒破碎与颗粒强度尺寸效应的散粒体数值模型,重点研究了颗粒强度的尺寸效应以及试样的尺寸对堆石体力学特性的影响,分析了缩尺后堆石体力学特性的变化规律。将砾石锚固试验进行数值实现,分别建立了不同锚杆间距和不同颗粒粒径的数值试样,数值模拟结果能够较好地反映不同加锚散粒体结构的变形规律与锚固效应,散粒体材料表现出的宏观特性与其细观组构的演化密切相关。