堆石料是一种由砂砾石、碎石、块石等颗粒混合而成的不连续颗粒材料,在岩土工程中得到大量应用,如堆石坝、公路路基建设、海岸工程、建筑基础等。高堆石坝工程的快速发展对其主要筑坝料——堆石料的宏细观力学性能提出更高要求。堆石料的宏观力学性质如非线性、弹塑性、剪胀性和各向异性等是外荷载作用下细观颗粒间摩擦、滑移、运动及破碎的结果,与堆石料的级配特性密切相关。目前,常采用基于连续介质力学的方法研究堆石料的应力变形特性,但只能从宏观角度等效得出堆石料的应力变形,难以体现堆石料细观尺度的演化过程,如颗粒破碎、咬合和滑移等重要特性。本文基于连续-离散耦合分析方法,采用随机模拟技术生成不规则形状颗粒,根据三维断裂理论显式地模拟堆石颗粒的破碎,同时建立堆石料的颗粒-粒径分布的分形模型描述堆石料的级配特性。通过开展压实度试验和常规三轴剪切数值试验,研究不同分形维数对堆石料的压实性能及其宏细观力学机理的影响,开展堆石料的级配优化设计研究。为了进行堆石料颗粒破碎模拟,引入内聚力模型,将堆石颗粒离散为实体单元和无厚度界面单元,实体单元只发生弹性变形,损伤和断裂发生在界面单元上,模拟堆石料颗粒裂纹发生、扩展和失效的全过程。采用随机模拟技术生成40个圆球颗粒进行单颗粒压缩试验,利用Weibull模型统计颗粒破碎强度并绘制Weibull统计图,结果表明除了在较低应力附近产生偏离外,颗粒的破碎强度能很好地满足Weibull分布,验证了所用颗粒破碎模型的适用性。分形几何理论能够定量地描述非线性系统的分形特征,刻画系统的局部不均匀性。基于分形理论,建立堆石颗粒的粒径-质量分布的分形模型,收集不同堆石坝工程的35条堆石料原型级配曲线、23条堆石料或粗粒料的室内试验前后级配曲线和11条单颗粒破碎试验后级配曲线,统计级配拟合分形维数取值和分布,分析堆石料级配曲线的分形特性,寻求反映堆石料颗粒填充结构的几何参数,各堆石坝工程堆石料级配具有良好的分形特性,从大规模体系、实验室尺度体系和单颗粒三个层面出发,考虑将分形维数作为定量描述和反映堆石料级配分布特性的新指标。基于古水垫层料原始级配曲线,采用堆石料颗粒粒径-质量分布的分形模型设计6组级配曲线,引入内聚力模型,进行相对密度数值试验和常规三轴数值剪切试验,研究堆石料的压实性能及分形维数对于堆石料的宏细观力学特性的影响:分形维数从2.0到2.8,孔隙比呈先减后增的趋势,当分形维数D= 2.7时,堆石料的压实性能最好。随着分形维数的增大,接触力各向异性程度增强,接触力分布的非均匀程度越明显,且平均摩擦激励指标越高,当分形维数D = 2.8时,力链网络也最稳定。综合考虑试样的压实性和力链分布的非均匀性确定分形维数为D = 2.7时的级配为堆石料的优化级配。相较于级配评价指标——不均匀系数Cu和曲率系数Cc在描述级配特性时的模糊性和不确定性,可考虑将分形维数D作为定量描述堆石料级配的一个新指标。