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随着技术的发展，我国超过200米的高土石坝越来越多。堆石料具有就地取材方便、变形小、强度高的特点，已在高土石坝工程中得到了广泛的应用。在强震或者复杂应力作用下，会导致堆石料发生颗粒破碎，从而导致原工程设计初始颗粒级配发生改变，影响着高土石坝的安全稳定。堆石料颗粒破碎导致高土石坝产生沉降和变形，造成面板脱空和开裂，从而导致高土石坝防渗系统破坏。目前国内外关于颗粒级配及破碎演化对堆石料的强度变形及临界状态的影响的研究尚不多见，因此本文采用试验研究和理论分析相结合的方法，针对堆石料的单颗粒强度特性、一维压缩特性、剪切变形特性、临界状态特性及塑性本构模型开展了较为系统和深入的研究。本文开展的主要研究内容和所取得的研究成果如下：
①通过不同颗粒粒径的堆石料单颗粒强度试验，研究了颗粒粒径对于单颗粒强度的影响及特征强度和残存概率之间的关系，并结合Weibull分布函数，统计出了单颗粒的强度分布特征。研究结果发现单颗粒的峰值力随着单颗粒粒径的增大而增大，而峰值应力随着单颗粒粒径的增大而减小，具有明显的尺寸效应；在给定的特征应力条件下，颗粒粒径越大，残存概率越小。通过对收集起来的破碎颗粒进行筛分，随后根据其试验结果，基于尺寸效应分析了单颗粒的分形维数、颗粒强度以及破碎能量，发现通过分形维数可直接获得堆石料的颗粒强度及破碎能量，堆石料颗粒粒径越大破碎能量越大。
②群颗粒是单颗粒的集合体，在堆石料单颗粒强度特性研究的基础上，通过不同颗粒粒径及试样尺寸在不同终止法向应力条件下的一维压缩试验，开展了堆石料群颗粒的压缩及颗粒破碎特性的研究，研究了孔隙比、相对破碎率、输入功等随法向应力的变化规律。研究发现试样的孔隙比与法向应力呈现一个指数函数的关系；压缩指数可由Weibull模量来表示；屈服应力随着颗粒粒径的增大而减小，且屈服应力可由单颗粒特征强度预测得出；颗粒破碎现象随着终止法向应力的增大越来越明显，试样的级配曲线向左上方移动，并逐渐达到最终的极限分形维；通过分析相对破碎率和输入功随法向应力的变化规律，建立了一维压缩条件下的堆石料的颗粒级配演化与能量耗散的函数关系。
③通过室内大型三轴剪切试验，系统分析了在不同初始颗粒级配及围压情况下的堆石料强度变形规律。通过大型三轴剪切试验获得了偏应力、应力比、峰值应力、摩擦角以及峰值摩擦角随不均匀系数和围压的变化规律，结果发现当初始颗粒级配相同，围压不同时，围压增大，偏应力和峰值应力也在增大；然而应力比、摩擦角以及峰值摩擦角呈现相反的趋势，围压越大，其值越小。当围压相同，初始颗粒级配不同时，偏应力、应力比、峰值应力、摩擦角和峰值摩擦角均随着不均匀系数的增大而增大。
④在大型三轴剪切试验结果的基础上，通过研究堆石料的颗粒级配演化规律，分析了初始颗粒级配及破碎对堆石料的力学特性的影响，探讨了堆石料在其影响下的临界状态变化规律。研究结果发现在初始颗粒级配相同，围压不同时，随着围压的增大，级配曲线向左上方移动，进而导致绝对破碎量和分形维数均在增大；在考虑级配影响的情况下，提出了一个新的相对破碎指标BGr，并分析了相对破碎指标BGr和能量耗散之间的变化规律，建立了两者之间的函数关系；随后又研究了不同初始颗粒级配及颗粒破碎等因素影响下的堆石料临界状态线在p-q平面上和e-(p/pa)ζ平面上的变化规律，表明其临界状态线在e-(p/pa)ζ平面上随着初始不均匀系数和相对破碎率的增大而向下移动，随后提出了考虑颗粒级配和破碎演化的堆石料统一临界状态线，进而建立了考虑颗粒级配和破碎演化的堆石料三维临界状态理论。
⑤在堆石料三维临界状态理论的基础上，通过引入新的剪胀应力比参数和边界面应力比参数，并在传统的剪胀方程与塑性模量基础上引入初始颗粒级配和颗粒破碎影响参数，在临界状态理论和边界面塑性理论框架下，建立了考虑颗粒级配和破碎演化的堆石料状态相关塑性本构模型。通过计算分析，得出一套适用于该本构模型的材料参数，并与大型三轴剪切试验结果进行对比分析，验证了所提出的堆石料塑性本构模型的合理性。
①通过不同颗粒粒径的堆石料单颗粒强度试验，研究了颗粒粒径对于单颗粒强度的影响及特征强度和残存概率之间的关系，并结合Weibull分布函数，统计出了单颗粒的强度分布特征。研究结果发现单颗粒的峰值力随着单颗粒粒径的增大而增大，而峰值应力随着单颗粒粒径的增大而减小，具有明显的尺寸效应；在给定的特征应力条件下，颗粒粒径越大，残存概率越小。通过对收集起来的破碎颗粒进行筛分，随后根据其试验结果，基于尺寸效应分析了单颗粒的分形维数、颗粒强度以及破碎能量，发现通过分形维数可直接获得堆石料的颗粒强度及破碎能量，堆石料颗粒粒径越大破碎能量越大。
②群颗粒是单颗粒的集合体，在堆石料单颗粒强度特性研究的基础上，通过不同颗粒粒径及试样尺寸在不同终止法向应力条件下的一维压缩试验，开展了堆石料群颗粒的压缩及颗粒破碎特性的研究，研究了孔隙比、相对破碎率、输入功等随法向应力的变化规律。研究发现试样的孔隙比与法向应力呈现一个指数函数的关系；压缩指数可由Weibull模量来表示；屈服应力随着颗粒粒径的增大而减小，且屈服应力可由单颗粒特征强度预测得出；颗粒破碎现象随着终止法向应力的增大越来越明显，试样的级配曲线向左上方移动，并逐渐达到最终的极限分形维；通过分析相对破碎率和输入功随法向应力的变化规律，建立了一维压缩条件下的堆石料的颗粒级配演化与能量耗散的函数关系。
③通过室内大型三轴剪切试验，系统分析了在不同初始颗粒级配及围压情况下的堆石料强度变形规律。通过大型三轴剪切试验获得了偏应力、应力比、峰值应力、摩擦角以及峰值摩擦角随不均匀系数和围压的变化规律，结果发现当初始颗粒级配相同，围压不同时，围压增大，偏应力和峰值应力也在增大；然而应力比、摩擦角以及峰值摩擦角呈现相反的趋势，围压越大，其值越小。当围压相同，初始颗粒级配不同时，偏应力、应力比、峰值应力、摩擦角和峰值摩擦角均随着不均匀系数的增大而增大。
④在大型三轴剪切试验结果的基础上，通过研究堆石料的颗粒级配演化规律，分析了初始颗粒级配及破碎对堆石料的力学特性的影响，探讨了堆石料在其影响下的临界状态变化规律。研究结果发现在初始颗粒级配相同，围压不同时，随着围压的增大，级配曲线向左上方移动，进而导致绝对破碎量和分形维数均在增大；在考虑级配影响的情况下，提出了一个新的相对破碎指标BGr，并分析了相对破碎指标BGr和能量耗散之间的变化规律，建立了两者之间的函数关系；随后又研究了不同初始颗粒级配及颗粒破碎等因素影响下的堆石料临界状态线在p-q平面上和e-(p/pa)ζ平面上的变化规律，表明其临界状态线在e-(p/pa)ζ平面上随着初始不均匀系数和相对破碎率的增大而向下移动，随后提出了考虑颗粒级配和破碎演化的堆石料统一临界状态线，进而建立了考虑颗粒级配和破碎演化的堆石料三维临界状态理论。
⑤在堆石料三维临界状态理论的基础上，通过引入新的剪胀应力比参数和边界面应力比参数，并在传统的剪胀方程与塑性模量基础上引入初始颗粒级配和颗粒破碎影响参数，在临界状态理论和边界面塑性理论框架下，建立了考虑颗粒级配和破碎演化的堆石料状态相关塑性本构模型。通过计算分析，得出一套适用于该本构模型的材料参数，并与大型三轴剪切试验结果进行对比分析，验证了所提出的堆石料塑性本构模型的合理性。