非饱和颗粒状土的力学行为特性与其颗粒组构、含水状态以及孔隙中气、液两相流体的空间分布密切相关。在气候变化的大背景下,由土体含水率变化导致土体变形（收缩和膨胀）与整体强度损失,进而引发各类工程地质灾害,相关的非饱和土问题愈发受到国内外研究者的关注。由于非饱和土问题涉及固、液、气三相物质的混叠,以及实际情况中土体的空间异质性与各相位之间交界面的复杂形态,从其全局应力状态准确描述或预测非饱和土体的应力应变行为仍然是一项具有挑战性的任务。因此,非饱和土基础理论的争论延续至今,极大程度的限制了非饱和土力学理论向工程实际的推广应用。研究非饱和土的基础科学问题无可避免要从宏观行为和微观机理两个层面入手。针对常规非饱和土力学试验方法对微观因素反馈不敏感,非饱和土力学微观尺度数值模拟方法的结论需要进一步实验验证等问题,本文运用了一种微型非饱和三轴加载原位CT扫描实验技术,通过微型试验设备研发、宏微观对比实验、微型三轴加载原位CT扫描试验与三维图像图形信息分析相结合的研究方法,从上述四个方面对非饱和颗粒材料的微观作用机理与宏观力学行为特性展开研究。研究表明,微型非饱和三轴加载原位CT扫描试验的研究方法可以实现吸力控制的三轴剪切试验方法与X射线CT扫描三维成像技术的有机结合,开展基于X射线微焦点CT的原位三轴加载扫描实验,在微观层面对非饱和颗粒材料的样品内各相的微观结构形态进行相对动态且无损化的高精度三维成像。运用图像分析的技术手段,对非饱和颗粒材料的各类微观因素进行探究,并与三轴剪切过程中试样整体的宏观力学行为特性进行关联。主要研究工作与成果如下:（1）研发了一种适用微焦点CT扫描设备工况的吸力控制微型三轴剪切试验装置,可以实现在不同的围压条件下控制所施加的吸力,对非饱和颗粒材料进行三轴剪切试验。选取高圆度玻璃微珠作为颗粒状土的理想模型,使用该微型非饱和三轴试验装置进行干燥状态组与吸力控制非饱和状态组的试验,并与常规非饱和三轴仪的实验结果进行相互验证,对比其内摩擦角φ与粘聚力c等参量及颗粒材料强度的关系,证实微型三轴剪切装置具备试验所需精度。（2）该微型非饱和三轴试验装置能够实现在不同的加载状态进行对试样的CT扫描三维成像。在40kPa的围压条件下,对干燥状态与吸力控制（s=1.0 kPa）非饱和状态的试样进行阶段加载的原位CT扫描试验,获得微米级高分辨率三维CT扫描灰度图像,应用图像分析软件对CT图像展开噪声平滑过滤、图像相位划分、代表体元（RVE）选取划分的前处理工作。（3）对完成固、液、气三相物质相位划分的图像,进行标签化分析、交界面提取与接触探测等计算处理,分析试样宏观整体与微观局部的图形信息,如三相物质物理特性、液相三维形态、相位间交界面空间特征、颗粒间接触与组构演化（颗粒接触配位数与颗粒骨架组构各向异性）,探究非饱和粒状土在三轴剪切作用下的各类微观因素对整体应力应变的作用机制。（4）通过基于图像分析获得的三相物质物理特性演化的结果,证实图像相位划分的准确性。与此同时,随着三轴剪切的进行,孔隙中的水被排出,联通的大体积的液体团簇被分解为空间中分布不连续的小体积液体团簇（部分表现为液桥）与保留在微小孔隙中的水。试样随轴向应变增加而出现剪胀,固体颗粒骨架结构变得更加松散,观察到颗粒间接触配位数也呈下降趋势,直到在大应变状态下达到稳定状态。固相骨架结构的组构颗粒间接触的各向异性程度可以基于颗粒间接触张量进行量化,由于重力效应和样品制备过程中的压实处理,试样中存在初始的组构间各向异性,但三轴剪切过程仍会扩大组构间的各向异性程度,颗粒间接触出现空间指向分布向垂直方向集中的态势。