土石混合体是一类介于块状岩体与细粒土体之间的特殊地质材料,其力学特性具有明显的结构效应和尺寸效应,使得工程尺度下土石混合体强度的确定十分困难。本文以徐州地区的土石混合体作为研究对象,采用大型直剪试验和数值模拟的研究方法,考虑土石混合体强度特性的级配效应对其尺寸效应展开研究,以期为工程实践提供指导和借鉴。论文第一章介绍了土石混合体的研究背景,在总结国内外土石混合体的研究进展与不足后,确定了本文的研究内容和技术路线。第二章采用分形理论对土石混合体颗粒尺寸分布特征进行研究。获得了土石混合体天然级配曲线,计算出曲率系数、不均匀系数,级配分形曲线,验证了土石混合体天然级配具有分形特性,分形维数D=2.3。由于传统土力学描述方法难以有效描述土石混合体的级配不连续性,本文以分形维数和最大粒径作为级配描述指标研究土石混合体的尺寸效应。第三章采用大型直剪仪探讨了土石混合体剪切强度的缝宽效应特性,进而获得土石混合体剪切强度的粒径尺寸效应。结果表明随着缝宽的增加,土石混合体剪切强度呈减小、平缓、再减小的规律,粘聚力和内摩擦角随着缝宽增加呈负相关关系。粘聚力以及内摩擦角的变化规律表明,在级配分形维数为2.3时,合理缝宽在0.2~0.4倍最大粒径之间,此时颗粒处于相对稳定的滚动和滑动状态,受到剪切盒边界约束较小。考虑缝宽尺寸效应,试验研究了土石混合体强度粒径尺寸效应。结果表明土石混合体剪切强度随着颗粒尺寸的增加而变大,100~300kPa法向应力条件下,强度增大系数为0.07。无量纲化之后,发现粘聚力与最大粒径尺寸之间呈指数关系,内摩擦角正切值与最大粒径尺寸之间呈对数关系。第四章采用离散元软件PFC2D对物理试验结论进行验证,同时开展不同级配和法向应力下的模拟试验,并在细观层面进行了解释。不同级配下的缝宽试验结果表明,当级配分形维数不变时(D=2.3),适宜缝宽与最大粒径存在定量关系(0.2~0.6倍最大粒径);当最大粒径不变时,随着级配分形维数增加(D=2.5),适宜缝宽减小(0.2~0.4倍最大粒径)。不同缝宽下土石混合体颗粒接触力分布表明,随着缝宽的增加,力链由“整体分布”向剪切面“局部集中”,表明抗剪强度主要由剪切带内部颗粒贡献。缝宽继续增加,力链再次呈现整体不规则分布。此外,研究表明土石混合体剪切强度的尺寸效应与法向应力呈正相关关系。由于粒径的增大,土石混合体内部颗粒接触力逐渐增大,形成稳定的强力链结构。第五章围绕工程尺度下土石混合体强度的估算方法进行了分析与讨论。基于室内试验研究成果,首次建立了工程尺度下土石混合体的强度计算方法。不同尺度特征的算例表明本文提出的土石混合体强度尺寸效应公式可较好地估算粗粒土、土石混合体、破碎岩体的强度。第六章总结本文研究成果,并指出论文研究需要深入的工作和展望。