堆石料是土木、水利等工程建设中普遍使用的材料,受颗粒破碎及排列、级配、石料成因、渗透性等因素影响,其强度与变形特性描述非常复杂。堆石料的强度变形特征,不仅受其宏观应力状态、路径的影响,还取决于其几何特征、空间排列等细观特性的变化规律。当不同级配、颗粒排列的堆石料在相同应力条件下,其表现出的强度变形特征差异非常大,加上堆石料的强渗透性,这对土石坝、边坡等大型的变形及稳定性描述带来巨大挑战。为此,本文基于材料相关临界状态理论、材料特性相关塑性位势理论,结合分形理论和砂土宏细观研究的成果,建立堆石料本构模型,基于ABAQUS开发模型的有限元程序,利用土工试验成果和工程实例进行模型的验证分析。其主要工作和结论如下:(1)基于材料特性相关塑性位势理论建立堆石料的本构模型。使用分形理论,根据颗粒级配及颗粒破碎对分形维数的影响,表征了堆石料颗粒分布和载荷作用下颗粒破碎的规律,借助宏细观结合定义的各向异性状态变量和堆石料分形维数的变化规律,建立了堆石料的屈服与破坏准则,结合材料相关概念和堆石料强度试验结果,建立了考虑其细观组构、分形维数、颗粒破碎和应力状态的临界状态方程,基于材料特性组构塑性位势理论推导了堆石料的剪胀方程,并建立受临界状态影响的硬化准则,在新位势理论框架下建立了一般应力空间的堆石料的本构模型。(2)利用堆石料的常规三轴排水试验进行了模型验证。新建模型建立了堆石料细观颗粒和应力状态之间关系,用各向异性状态变量来反映因颗粒排列规律不同而产生的各向异性,即原生各向异性与次生各向异性,反映了应力诱发各向异性与原生各向异性的细观本质,同时考虑了堆石料分形维数、颗粒破碎、级配等因素对其临界状态线的影响,通过堆石料排水强度试验结果验证了模型对各种应力路径下临界状态描述的性能,模拟了其三维空间强度变化及其在π平面上强度变化规律,对应力应变关系的模拟验证模型有效性和合理性。(3)基于ABAQUS开发堆石料模型的有限元程序程序。用ABAQUS商业软件的用户定义材料接口对模型进行二次开发,运用Fortran语言编写了堆石料弹塑性刚度矩阵的计算子程序UMAT,将该子程序植入ABAQUS程序中对建立的模型进行有限元单元进行运算,建立了双轴、三轴试验的有限元模型,应力应变关系显示开发程序能够抓住堆石料的强度变形特性,同时能够较好模拟不同分形维数、颗粒破碎、级配和细观正交各向异性等因素对堆石料变形规律描述,也可以描述主力轴旋转等复杂应力状态线堆石料的变形规律。(4)分析三维空间堆石料边坡的变形规律及稳定性。建立了对考虑三维空间边坡有限元分析模型,考虑边坡和土石坝实际结构组成,边坡分三层构建,每层材料参数都根据工程背景设定模型参数,分层计算,同时考虑水土保持对边坡设计要求,使用本文的堆石料本构模型对边坡的稳定性和变形进行分析,利用软件中固液耦合功能对雨后煤矸石边坡稳定进行模拟探究,模拟结果能够抓住边坡的关键变形和渗透特性。