颗粒堆积密度是反映颗粒介质内部构造的一个基本指标,是土木工程中的一项必不可少的设计参数,也是研究许多颗粒力学问题的切入点。鉴于颗粒堆积密度的重要性,本文结合水利围堰中密度参数确定问题,基于PFC3D数值平台,开展了颗粒材料堆积密度的数值试验,研究影响颗粒堆积密度的相关因素,建立了堆积密度计算公式。同时进行了物理模型试验和离心机模型试验验证计算结果的可靠性。研究内容与研究成果如下：1.建立了颗粒堆积密度的计算公式。基于颗粒的“填隙”和“替换”机制,从单粒径颗粒、二元颗粒的堆积密度,推广到级配颗粒的密度计算模式。通过数值试验研究计算公式中参数的影响,针对容器中颗粒堆积以及无侧向边界限制的颗粒堆积,分别建立了一整套估算级配颗粒堆积体密度的方法及计算公式。2.基于Matlab的图像处理功能,进行颗粒形状信息提取和颗粒形状重建。从颗粒的三视图图像中提取圆度信息并对其进行加权平均,得到加权圆度作为反映颗粒三维形状特征的指标。在Matlab中创建具有指定加权圆度的三维凸包,对凸包进行体素化和骨架化处理,提取颗粒的三维空间信息,从而在PFC3D中重建具有特定形状的clump块体,为形状颗粒的堆积试验提供基础。3.研究了颗粒材料特性对颗粒堆积密度的影响。针对颗粒的摩擦系数、颗粒形状、颗粒级配等颗粒材料特性,设计了相关的数值试验,得到各因素与颗粒堆积密度的影响关系。讨论了颗粒试样宏观摩擦角与颗粒间摩擦系数之间的联系,提出了反映颗粒级配情况的粒度分布宽度的计算方法。4.研究了静水条件下颗粒堆积密度的变化规律。颗粒在水中的堆积受到重力、浮力、阻力等作用,也受到颗粒与颗粒之间相互干扰的影响,这些外力作用和影响最终反映在堆积密度的变化上。本文设计了级配颗粒在流体中的堆积试验,得出了在静水中颗粒堆积密度与级配之间的关系。5.研究了颗粒堆积深度与密度的关系。基于数值试验结果,根据Janssen压力公式拟合得到随深度变化的孔隙比计算公式。在PFC3D中进行了不同摩擦系数的颗粒侧限压缩试验,将试验成果作为上覆荷载作用下颗粒孔隙比变化的依据,对建立的孔隙比随深度变化的公式进行扩充和完善。6.进行了物理模型试验以及离心机模型试验,对建立的估算公式的有效性进行判断。在不同高度的圆柱筒容器中进行玻璃球和风化砂的抛填试验,对级配风化砂进行不同加速度的离心机试验,模拟不同深度的风化砂自重压密效果。将估算值与模型试验值进行对比,两者具有较好的一致性。