堆石坝通常采用薄层填筑、分层碾压的施工方法,在碾压过程中控制好施工质量是保证大坝安全运行的关键。目前,控制现场碾压质量主要是控制碾压参数,但坝料特性(如级配、含水率等)不同,碾压参数也存在差异,通常需要根据现场碾压试验来确定,耗费人力、物力、财力。因此,本文通过离散元颗粒流程序(Particle Flow Code,PFC)从细观角度对堆石坝料的碾压过程进行模拟,对碾压过程中的堆石坝料受压密实机制进行分析,并研究不同碾压参数对于压实质量的影响,从而为堆石坝料现场施工质量的实时控制提供理论依据。本文主要研究成果如下:(1)提出了堆石坝料二维、三维精细建模方法,建立了二维、三维模型孔隙率定量匹配关系,修正了考虑尺寸效应的碾轮等效荷载计算公式。首先通过三维激光扫描技术辅助建立能够反映真实形状骨料形状的二维/三维坝料颗粒;其次建立了加压板加载模型以匹配二维孔隙率与三维孔隙率的定量关系;最后通过建立真实尺寸碾轮的原地振动模拟试验与缩小尺寸碾轮的原地振动模拟试验,来修正等效荷载计算公式。(2)提出了堆石坝料卸料-平料-碾压全过程的离散元模拟方法,以及碾压参数对堆石坝料压实效果影响的分析方法。首先,通过自重下落法模拟坝料卸料的过程,然后通过删除多余颗粒的方法模拟平料的过程,接着给碾轮施加与其尺寸相匹配的碾压荷载模拟碾压过程。研究结果表明:行进速度越慢,坝料压实质量越高;激振力适当加大,坝料压实效果更好;铺料厚度加厚,坝料压实效果变差。经过分析发现,坝料压实效果对铺料厚度为最敏感。(3)通过在坝料-碾轮系统中预埋监测颗粒的方法,研究了碾压过程中颗粒的运动规律。研究表明:颗粒竖向加速度随颗粒埋深的增加呈指数型衰减,竖向速度和竖向位移随颗粒埋深的增加而减小;同一深度处监测颗粒的竖向速度随碾压遍数的增加而减小,竖向位移随碾压遍数的增加而增加;在坝料压实过程中,小颗粒与大颗粒相比具有更大的运动速度及位移。