尽管现代面板堆石坝压实密度和变形模量较早期有很大提高,但坝体变形仍是面板堆石坝安全设计的主要问题。筑坝堆石料的变形特性是影响面板应力量值和分布规律的重要因素。此外,面板应力还与面板与垫层间的接触变形紧密相关。近年来,高面板堆石坝在填筑、蓄水以及地震过程中出现了面板挤压破坏和面板脱空等问题,这些问题与堆石体的变形以及面板与垫层间的接触变形均有着密不可分的关系。筑坝堆石料本构模型以及面板与垫层间接触面本构模型是计算分析面板堆石坝变形和面板应力分布规律的重要理论基础。近年来,面板堆石坝填筑和蓄水过程的弹塑性有限元分析已经有了较大的发展。但由于缺乏强震情况下的震害资料,面板堆石坝动力弹塑性分析方法的发展受到了一定的限制。目前,在面板堆石坝动力分析中广泛采用的等效线性分析方法可以较好的反映中、低强度地震的加速度反应,但不能满足大坝在强震环境中可能出现的强非线性乃至破坏全过程模拟的分析要求。强震下面板堆石坝较大的塑性(残余)变形,是引起面板挤压破坏和面板脱空等现象的主要原因,但等效线性分析方法不能考虑动力条件下塑性变形渐进发展过程,难以合理评价强震下堆石体变形对面板破坏的影响。为此,本文首先采用大型三轴仪对筑坝堆石料的颗粒破碎、临界状态及剪胀特性进行了试验研究,在此基础上提出了一个考虑颗粒破碎的状态相关堆石料广义塑性模型。然后提出了一个三维广义塑性接触面模型。最终建立了一套基于筑坝堆石料和面板与垫层间接触面弹塑性本构模型的面板堆石坝三维静、动弹塑性有限元分析方法,并应用于紫坪铺面板堆石坝填筑、蓄水及地震全过程的静、动弹塑性有限元实例分析。本文的研究内容及主要结论有：(1)采用大型三轴仪对紫坪铺筑坝堆石料进行了颗粒破碎试验研究。试验表明：单调和循环荷载下堆石料的颗粒破碎率与塑性功之间存在良好的双曲线关系,且受孔隙比、围压和应力路径的影响较小(2)采用文献中的砂土试验成果分析了颗粒破碎和临界状态的关系。结果表明,将塑性功引入到临界状态可以较好的反映临界状态随颗粒破碎的变化规律。对紫坪铺筑坝堆石料和米兰河筑坝砂砾料的临界状态进行了研究。试验表明：两种堆石料均存在临界状态,且临界状态受初始孔隙比影响较小。(3)研究了三轴单调压缩荷载下紫坪铺筑坝堆石料和文献中5种堆石料的剪胀规律。结果表明：峰值应力前剪胀比Dp和应力比η呈较好的线性关系,等p和σ3路径的剪胀关系基本一致。剪胀线斜率受孔隙比和围压的影响较小。除1种颗粒破碎较小的堆石料,其他5种堆石料的相位变换应力比均随围压的增加而减小。紫坪铺筑坝堆石料相位变换应力比Mf和状态参数ψ之间呈较好的线性关系,斜率参数k小于0。(4)研究了三轴循环荷载下紫坪铺筑坝堆石料和阿尔塔什砂砾料的剪胀规律。试验表明：三轴拉伸时Dp和η呈近似线性关系,三轴压缩和拉伸相位变换时的摩擦角接近一致。循环加载dη>0和dη<0路径上的剪胀线都近似地呈线性关系。初始加载(单调)和初始卸载剪胀线是循环加载时剪胀线的边界线(外包线),循环荷载下的剪胀线均位于边界线的内侧,当循环荷载下剪胀线达到初始剪胀线后两者一致。循环荷载下剪胀线位置与卸载反弯点位置有密切关系,反弯点距初始加载剪胀线越远,卸载后剪胀线偏离初始卸载剪胀线的距离越大。离散元数值试验的循环剪胀特性与堆石料的结果是一致的。(5)在试验研究和广义塑性模型框架的基础上,采用边界面和临界状态理论,与刘华北教授合作提出了一个考虑颗粒破碎的状态相关堆石料广义塑性模型。该模型将初始孔隙比作为模型输入参数,模型参数与初始孔隙比无关。模型可以反映堆石料在单调和循环条件下的变形特性。采用该堆石料模型,开展了面板堆石坝静、动弹塑性有限元数值模拟,分析了碾压颗粒破碎引起的级配变化对堆石坝计算变形的影响。计算表明：三轴试验如不考虑碾压过程中颗粒破碎对级配变化的影响,据此计算的结果会明显地低估大坝的变形,对大坝的安全性评价是十分不利的,这可能是目前有限元计算的高坝沉降变形比实测偏小的主要原因之一。(6)在平面应变条件下的接触面模型基础上,采用边界面理论,提出了一个三维广义塑性接触面模型。该模型可以反映不同初始孔隙比和不同法向约束条件下接触面在三维单调和循环条件下的变形特性,能够考虑单调和循环荷载下颗粒破碎的影响及剪切的三维耦合效应。采用该接触面模型,对某在建面板堆石坝进行了三维有限元静、动力弹塑性有限元数值模拟,分析了接触面模型对面板与垫层间接触面变形及面板应力的影响。结果表明：相比双曲线(仅静力计算)和理想弹塑性接触面模型,广义塑性接触面模型能更好地描述三维条件下接触面的剪胀、剪缩和循环残余变形特性。(7)基于本文提出的考虑颗粒破碎的状态相关堆石料广义塑性模型和三维广义塑性接触面模型,对紫坪铺面板堆石坝进行了静、动力弹塑性有限元数值模拟。首先根据大坝填筑沉降和汶川地震后残余变形反馈分析获取了堆石料模型参数。在此基础上,分析了大坝动力反应和残余变形规律,着重研究了汶川地震时紫坪铺面板堆石坝面板脱空现象。结果表明,面板与垫层间的脱空与土体变形和面板刚度有密切的关系。紫坪铺面板堆石坝震后面板脱空区域较大,与震前水位有着密切的关系,水位以上由于面板的法向约束较小,面板更容易发生脱空。面板错台是震后二期面板顶部出现较明显脱空的主要原因。本文发展的筑坝堆石料和面板与垫层间接触面弹塑性模型可以较好的再现汶川地震下紫坪铺面板堆石坝残余变形和面板脱空过程。