砂土作为一种典型的离散介质,在工程应用中表现出高抗剪强度、高压缩性和高渗透性等特点。关于砂土材料的力学及水力学特性研究一直是重要课题,而作为砂土材料力学及水力学特性中较为重要的剪切特性和持水特性,会受到颗粒间力链结构以及渗流孔道的影响,并随着颗粒形貌的不同而发生改变。因此迫切需要对形貌影响砂土材料力学及水力学特性的机理进行深入的研究,以确保砂土在各项工程中的合理应用。本文使用3D打印技术制备四种形状（球体、正八面体、正六面体、正四面体）的砂颗粒替代物,并分别进行室内直剪试验、界面剪切试验和土-水特征曲线（SWCC）测量。同时,对不同形貌颗粒材料进行离散元模拟,获得不同形貌颗粒材料的抗剪、变形特性以及持水特性结果。本文的主要成果如下:（1）修正并提出通用颗粒形貌参数（Sh）,其能够更全面地描述颗粒的形貌并表征颗粒材料的力学特性,具有较高的泛用性。在恒定相对密实度条件下,随着Sh的增大,颗粒的形状越利于力链结构的形成。但随之增大的试样孔隙比,使得颗粒间距增大导致咬合作用减弱。因此,这种耦合作用促使砂土材料抗剪“形状最优”结果的出现。建立了Sh和最大动摩擦角之间的经验公式,为通过形貌预测砂土材料力学特性打下基础。（2）提出楔形摩擦模型,用以预测锯齿状凸起界面的剪切行为。界面抗剪强度来源按颗粒在锯齿状结构界面上的运动状态,可分为表面摩擦、被动阻力和内摩擦三类。当界面倾斜度较小,颗粒能在界面上运移时,抗剪强度来源主要为表面摩擦。当界面倾斜度较大,颗粒阻塞在凸起前时,抗剪强度来源主要为被动阻力和内摩擦。（3）对比不同形貌的颗粒试样SWCC发现,试样进气值大小和孔径分布与颗粒形貌有关。在恒定相对密实度条件下,Sh越大,试样最大孔径越小,且当Sh逐渐增大时,会出现使得孔隙分布达到最不均匀的“最优形状”。首次建立了考虑颗粒形貌影响的SWCC模型,并通过与典型颗粒材料实验数据的比较,验证了模型的准确性与适用性。（4）颗粒形貌通过增大颗粒间接触的数目和改变接触的分布方式,来实现颗粒材料整体抗剪强度的提高。颗粒的剪切方向运移结果同宏观抗剪强度规律一致,但在垂直剪切方向上,Sh越大,颗粒受到的约束越强,颗粒间相对位移越小。通过分析颗粒运移结果,提出了剪切带范围综合判定方法。