伴随着东北老工业基地振兴计划的实施,我国对当地基础设施的投入力度不断加大,东北地区铁路、公路及桥梁等基础工程建设蓬勃发展。随着大量的工程建设,人工高边坡问题逐渐突出,而各种边坡的失稳往往都是由于剪切破坏引发的,要对其进行稳定性分析与治理工程设计,准确的把握岩土体强度特性是关键。因此,针对岩土体的物理力学性质的研究,已成为边坡稳定性分析与灾害防治中的一项重要任务。岩土体抗剪强度指标是进行斜坡稳定性评价的重要力学参数,其取值直接决定稳定性分析的结果,通常通过试验的手段来获取(包括室内试验和现场原位试验),然后对所得的试验数据采用回归统计分析以获得其抗剪强度参数指标,从而进行斜坡稳定性评价。近期动工兴建的田师府-桓仁铁路大前石岭隧道进口段开挖形成人工边坡,坡体物质组成以碎石土、块石土为主,边坡一旦失稳将严重威胁铁路运营及人民的生命财产安全。碎石土的物理力学性质既不同于通常的土类,也区别于一般的岩体,而是介于土体和岩体之间的一种特殊的非连续的高度非均质的地质体。由于大前石岭隧道边坡体土中粗颗粒含量较多,当粗颗粒组成不同时,其性质差别甚大,进行常规的直剪试验已不能满足对其力学性质的完整研究。为此,本文以大前石岭隧道边坡碎石土为研究对象,通过野外现场调查取样、室内常规物理力学试验及室内大型直剪试验对该碎石土的基本物理性质、剪切特性、抗剪强度参数变化规律、粒度分形特性等方面进行研究,可为该边坡后期的稳定性分析和防治提供可靠的岩土参数。本文主要开展的工作及取得的成果如下：(1)基本物理性质研究。通过野外现场测试和室内试验确定了大前石岭隧道边坡碎石土的天然密度、天然含水率及其颗粒组成情况等基本物理性质参数。(2)抗剪强度特性研究。以室内大型直剪试验为主,常规直剪试验为辅,对大前石岭隧道边坡碎石土按不同含石量、不同含水率、不同碎石尺寸进行重塑样配制,配制出三组不同含石量(粗粒含量分别为30%,50%,68.53%)、三组不同含水率(含水率分别为9.05%,12.50%,饱和)及三组不同碎石尺寸(三个区间粒径为60～40mm,40～20mm,20～5mm)的碎石土重塑试样,分别进行大型直剪试验和三种不同含水率下的常规直剪试验,建立了其相应条件下的抗剪强度库伦拟合公式。(3)抗剪强度参数与含石量变化相关性研究。根据三组不同粗粒含量重塑试样的大型直剪试验结果,分析了抗剪强度、强度参数、应力-应变曲线随着粗粒含量变化的作用规律。研究发现,粗粒含量在很大程度上影响着碎石土的抗剪强度。随着粗粒含量的增大,抗剪强度增大；内摩擦角随着粗粒含量的增加而增大,在粗粒含量为30%-50%之间增幅较快,粗粒含量超过50%后,增幅较慢而呈现逐渐稳定的趋势；粘聚力随着粗粒含量的增大先略微下降后急剧上升,在粗粒含量达到50%时最低,而后急剧升高。不同粗粒含量下碎石土重塑样应力-应变曲线均没有出现明显的峰值强度,表现为弹性变形阶段、屈服阶段和应变硬化阶段三个阶段。随着粗粒含量的增加,屈服阶段愈为明显；在同一法向应力下,粗粒含量高的碎石土试样应变硬化程度明显比粗粒含量低的碎石土试样高。碎石土变形破坏机制在很大程度上受到其内部粗粒含量的影响。(4)抗剪强度参数与含水率变化相关性研究。根据三组不同含水率重塑试样的大型直剪试验结果,分析了抗剪强度、强度参数、应力-应变曲线随着含水率变化的作用规律。研究发现,抗剪强度随着含水率的增大而降低；内摩擦角随着含水率的增大而降低；粘聚力对含水率变化的敏感性比内摩擦角高,随着含水率的增大先略微增大后急剧降低；含水率由9.05%上升为12.50%时,粘聚力略有上升,而后粘聚力随含水率的升高急剧下降。不同含水率下碎石土重塑样应力-应变曲线均没有出现明显的峰值强度,表现为弹性变形阶段、屈服阶段和应变硬化阶段三个阶段。随着含水率的增大,屈服阶段而表现的愈不明显。在同一法向应力下,含水率低的试样应变硬化程度明显比含水率高的试样高。(5)大型直剪试验与常规直剪试验对比研究。三组不同含水率下大型直剪与室内常规直剪重塑样的试验结果对比分析发现,粘聚力和内摩擦角在二种不同的试验方式下的变化规律基本相同,大型剪切试验得出的粘聚力和内摩擦角均高于室内常规小型剪切试验,大型直剪试验得到的抗剪强度参数结果更贴近碎石土的实际力学性质。(6)碎石土粒度分形特性研究。引入分形理论,采用颗粒质量-粒径分布分形模型,对含石量均为50%的重塑试样进行了分维数的计算。计算表明,在粗粒含量相同的情况下,随着碎石尺寸的相对增大,分维数增大；分维数越大,其颗粒粒度分布越不均匀；分维数越小,其颗粒粒度分布越均匀。(7)抗剪强度参数与碎石尺寸相关性研究。研究表明,在粗粒含量相同时,抗剪强度随着碎石尺寸的相对增大而增大,抗剪强度增大的幅度也随着碎石尺寸的相对增大而增大；内摩擦角随着碎石土内碎石相对尺寸的增大而增大；而粘聚力呈现相反的趋势,随着碎石相对尺寸的增大而降低。不同碎石尺寸下的碎石土重塑样应力-应变曲线均没有出现明显的峰值强度,表现为弹性变形阶段、屈服阶段和应变硬化阶段三个阶段。在大粒径区间组及中粒径区间组时,应力-应变曲线呈现为应变硬化型,而小粒径区间组在高法向应力时,逐渐呈现出弱应变软化型。随着碎石相对尺寸的增大,剪应力达到峰值强度前的屈服阶段历时愈长。(8)抗剪强度参数与粒径分形维数相关性研究。研究发现,碎石土抗剪强度和粒度分维数有一定程度的相关性。粘聚力随着分形维数的增大而减小,而内摩擦角呈现相反的趋势,随着分形维数的增大而增大,粘聚力和内摩擦角均与粒度分维数近似呈现抛物线函数关系。