山区地形起伏,地质条件及环境因素复杂。山区机场高填方工程所用堆石料往往就地取材,力学性质参差不齐。如何可靠预测和控制高填方地基工后沉降,特别是差异沉降,是山区机场建设面临的一个重要问题。同时还因为对山区填料进行室内试验时往往由于仪器尺寸限制不得不进行缩尺,而使问题的难度剧增。本文采用离散单元模拟,结合室内试验,研究堆石料工后长期变形特性,重点讨论颗粒形状对堆石料短期和长期力学行为的影响,研究堆石料尺寸效应问题。本文主要研究内容和成果如下:1、开展了堆石料蠕变特性的室内试验和离散元模拟研究。利用大型侧限仪对石灰岩堆石料进行分级加载蠕变试验,探究应力水平和水对蠕变速率影响。采用PFC2D建立了基于亚临界裂纹扩展理论的堆石料蠕变模型,模拟分析颗粒形状对蠕变特性的影响。结果表明,堆石料颗粒形状对变形的影响与应力水平和边界条件密切相关。此外,基于该蠕变模型讨论了填料粒径对蠕变速率的影响。2、基于堆石料湿化变形机理,采用PFC3D构建可反映碎石颗粒遇水弱化的离散元模型,并通过与已有试验结果对比验证了该模型的合理性和有效性。对堆石料湿化变形特性及细观机理开展研究,结果表明湿化路径不同导致颗粒破碎量有所差异,单线法湿化变形大于双线法。基于模拟结果和已有试验研究提出了计算三轴湿化应变的经验公式。3、基于真实颗粒形状,采用PFC3D分别构建了不同球度砂卵石和爆破料的离散元模型,分析了颗粒球度对材料短期力学特性的影响。结果表明,磨圆度较好且颗粒强度高的砂卵石堆石料峰值摩擦角基本不受颗粒球度影响,而棱角鲜明易破碎的爆破料峰值摩擦角受颗粒球度影响较大。基于爆破料模拟结果,提出了考虑颗粒球度影响的峰值摩擦角和初始变形模量表达式。4、明确了堆石料相关的四类尺寸效应,提出可同时反映颗粒强度尺寸效应、颗粒粗糙度尺寸效应以及颗粒强度离散性的堆石料离散元模型。基于该模型进行相似级配缩尺效应模拟研究,分析填料粒径对侧限压缩模量曲线的影响;根据三轴试验模拟结果合理解释了已有试验研究规律出现差异的原因,并在此基础上提出了可考虑颗粒尺寸效应的峰值摩擦角和初始变形模量表达式。