碎石集料作为道砟材料、公路工程中的路基路面材料以及坝体工程中的填料等被广泛应用。在冻土区碎石集料被用来修筑碎石路基结构,利用孔隙中气体的对流效应对地基土体进行降温,从而主动地保护冻土。为了发挥降温效应,一般需要碎石颗粒具有较大的粒径,并且级配分布往往较为集中,然而这显然有悖于路基工程中的压实要求。而现有的研究大多针对碎石集料的降温机理以及降温效果方面,针对这种特殊级配集料的力学性质研究则很少。本研究以国家重点基础研究发展计划(国家“973”计划)“冻土工程构筑物服役性能评价与预测(No.2012CB026104)”以及国家自然科学基金“多年冻土区碎石路基的变形机理与长期稳定性研究(No.41371081)”为依托,以多种级配的碎石集料为研究对象,在总结了国内外针对碎石集料降温机理以及力学性质研究的基础上,通过室内大型直接剪切试验、三轴剪切试验并结合基于离散单元思想的颗粒流计算方法,研究了碎石集料在动静荷载作用下的强度与变形特性。研究成果可以为碎石集料的进一步研究与应用以及冻土地区碎石路基的设计提供指导与参考。主要研究内容与成果包括以下几个方面：(1)基于室内大型直接剪切试验系统,研究了碎石集料在直接剪切条件下的强度、变形以及破碎特性,并分析了主要因素的影响。结果表明：碎石集料的抗剪强度包络线可以采用非线性模型描述：集料的变形则表现为在初始压缩过后的体积膨胀特性；可以采用相对破碎势对碎石集料的破碎状态进行评价：集料的密实度、细粒含量、含水率以及试验温度对集料的抗剪强度均有显著的影响。(2)基于颗粒流方法建立了碎石集料直接剪切试验的模型,通过对比试验结果对模型的参数进行了标定,从细观角度对集料的力学行为进行了研究,分析了直剪条件下碎石集料内部颗粒之间的接触力的分布以及位移矢量的演化。(3)基于室内大型三轴剪切试验对碎石集料的力学性质进行了深入分析；通过对比室内试验结果,建立了三轴剪切的颗粒流模型,讨论了颗粒细观参数对于集料宏观力学性质的影响。(4)研究了集料孔隙状态对力学性质的影响,结合细颗粒含量的影响,提出了用骨架孔隙比的概念来评价级配间断较大集料的孔隙状态,分析结果显示骨架孔隙比与集料的力学性质具有较大相关性；结合颗粒流软件中的球形单元与超级颗粒clump算法,提出了二维条件下,不规则块体的生成方法,并对棱角度指数的概念进行了优化,在此基础上定量地分析了颗粒形状对于集料抗剪强度的影响。计算结果显示,孔隙越小,棱角度越大集料的抗剪强度以及表征摩擦角也越大。(5)基于室内试验与颗粒流模型研究了动荷载作用下碎石集料的永久变形特性以及回弹特性。计算结果显示集料的永久变形随着荷载的幅值和频率的增加而增加,随着围压的增加而降低；对于级配间断较大的集料,随着大颗粒含量的降低,集料的永久变形在增加,回弹模量在减小;随着颗粒棱角度指数的增加,集料的永久变形在减小而回弹模量则在增加。