我国黄土主要分布在昆仑山、秦岭、泰山连线以北的干旱、半干旱地区。它具有发育明显的管状孔隙结构和垂向节理。受不同的应力历史以及沉积环境的影响,黄土颗粒和孔隙的形态、大小、方向性等微观结构参数存在较大差异。这些微观结构的差异性、复杂性和不确定性致使它表现在宏观力学的多样性,引起广大学者关注。同时,随着我国“一带一路”倡议的实施,涉及到黄土地区工程越来越多且规模逐步扩大。在道路、坝堤、桥梁等建设中,面临着震陷、湿陷、沉降等各种黄土问题严重威胁建筑的安全。研究黄土的微观结构特征以及宏观力学性质与细观变形机理显得尤为必要且具实际意义。本文以青海西宁、兰州新区和庆阳三地区的原状马兰黄土为研究对象,通过野外勘察和室内试验获得它们的物性指标。借助电镜扫描和数字化图像分析系统提取粒径、形状系数、方向角度、孔隙率等有关微观参数,方差分析三种黄土微观结构特征的差异及变化规律。以颗粒流PFC为平台,基于数字图像微观颗粒等面积圆直径自动膨胀填充模型的方法,对三类黄土进行数值模拟试验。并将模拟结果与室内直剪试验对比剖析,进一步揭示黄土的宏观力学性质与微观变形机理。本文从横向(相同深度下不同地区的黄土试样)和纵向(相同地区不同深度的黄土试样)的角度详细分析黄土颗粒形态、方向、大小和孔隙大小等微观参数。定性分析和定量计算上述微观参数在横向上和纵向上的变化规律。结果表明,相同深度下青海西宁、兰州新区和庆阳地区之间黄土的颗粒大小分布,孔隙特征,形状系数,方向角度均有显著性差异。其中,青海西宁地区黄土的颗粒半径均值最大,级配最差,兰州新区次之,庆阳的颗粒半径均值最小,级配最好。青海西宁、兰州新区和庆阳地区的黄土的孔隙率和形状系数均依次逐渐增大。青海西宁地区的黄土骨架颗粒清晰可见,以大颗粒大孔隙居多。而兰州新区和庆阳地区的黄土以半圆状和磨圆状颗粒为主,粒径小于青海西宁地区的黄土,且有较多黏粒和填充物。同地区不同深度的黄土试样对比,青海西宁地区黄土和庆阳地区黄土的孔隙率随深度增大而减小,然而形状系数随深度加深而增大。模拟参数的标定是根据微观参数粒径的颗粒级配以及前人研究资料确定。模拟结果表明,宽径比、接触刚度、黏结强度和摩擦系数对剪应力峰值都有显著影响,宽径比越大影响程度越小。接触刚度越大,初始模量和应力峰值越高;随着摩擦系数的增大,应力峰值逐渐提高,增幅显著。微观颗粒等面积圆直径自动膨胀填充法模拟的结果与实验结果基本吻合,具有可行性和实际意义。监测剪切盒得出:三种黄土剪切过程中剪切面颗粒发生错动翻转,黏结破坏,在剪切盒上、下界面处形成剪切带。