堆石料是特殊的人工摩擦型岩石颗粒组成的集合体,被广泛应用于面板堆石坝、心墙堆石坝和路基等工程结构。堆石料的长期变形具有显著的时间相关性。大量室内试验和现场观测研究结果表明,堆石料在加载终结并持续不变条件下会产生明显的流变行为。另一方面,堆石料的宏观流变行为与颗粒自身的物理属性、几何形态、尺寸以及排列方式等因素密切相关,具有明显的尺寸效应。经典连续介质理论的流变本构关系缺乏材料尺度的相关性,难以表征堆石料流变的尺寸效应。而微极连续体理论中的内禀特征长度为刻画堆石料的尺寸效应提供了一种可能途径。本文基于微极连续体理论开发了Perzyna过应力弹粘塑性模型和Duncan-Chang模型用于描述堆石料流变过程中的压力相关性和尺寸效应。具体工作如下：(1)研究了基于微极理论考虑堆石颗粒尺寸效应的具体方法。分析了堆石颗粒的粒径、圆度、球度和表面粗糙度等多种形貌属性参数的物理意义。用微极理论中的内禀特征长度来表征堆石颗粒的圆度、球度、表面粗糙度和粒径,并给出了多种内禀特征长度的数学表达形式以适应不同的使用环境。(2)系统的比较和梳理了堆石料的级配、压实性、非线性强度、剪胀性和湿化等基本宏观物理力学性质,为选择和改进各种堆石料本构理论模型奠定基础。(3)对目前混凝土面板堆石坝应力变形分析中常用的非线性本构模型进行了系统地研究和整理。重点比较和分析了Duncan-Chang模型及其改进形式、南水模型、K-G模型和殷宗泽模型,并提出了自己对这些模型适用性的看法。(4)通过堆石料的单轴和三轴流变试验现象研究了堆石料蠕变和应力松弛等流变行为的压力相关性、尺寸效应和单级多级加载影响。整理了经验模型、元件模型和广义应力应变时间模型这三种堆石料的宏观流变模型,并对这些模型的优缺点发表了自己的观点,为选择和改进堆石料的流变模型奠定理论基础。(5)基于微极连续体理论发展了Perzyna过应力弹粘塑性模型,以探讨堆石料流变的尺寸效应与影响机制。基于Drucker-Prager屈服准则导出了微极连续体弹粘塑性模型的一致性算法,获得了过应力本构方程积分算法与一致切向模量的封闭形式,并在ABAQUS软件平台上进行了用户自定义单元(UEL)的二次开发,予以程序实现。有限元数值算例模拟了软岩堆石料试样的三轴压缩蠕变和两种堆石料试样在常规三轴条件下的蠕变和应力松弛。并将数值模拟结果与相应的蠕变和应力松弛试验数据进行了对比,验证了模型开发的正确性,体现了一般应力应变时间广义应力应变时间模型可以适用于蠕变和应力松弛等多种边界条件的优越性,表明所发展的流变模型可以捕捉颗粒材料流变行为的压力相关性和尺寸效应。(6)为了更好的确定面板堆石坝流变的初始应力变形情况。在微极连续体理论框架下完成了考虑尺寸效应的Duncan-Chang模型的程序开发,模拟了三板溪混凝土面板堆石坝的施工过程,并求解得到面板堆石坝竣工期的应力和变形,作为堆石坝流变行为模拟的初始条件。分别采用经典连续体理论、室内试验堆石参数的微极理论和考虑尺寸效应的Duncan-Chang模型模拟了三板溪面板堆石坝的施工过程和竣工期应力变形结果,并结合工程实测资料分析了模型开发的合理性。结果表明,经典连续体理论框架下的Duncan-Chang模型模拟所得的沉降值相比工程观测资料数据偏小,而基于微极理论考虑尺寸效应的Duncan-Chang模型模拟所得的沉降结果则与实测资料更加接近。此外,还根据不同内禀特征长度得到的最大沉降量的变化规律总结了所研究尺度范围内堆石料瞬时变形的尺度律。(7)采用基于微极连续体理论开发的考虑尺寸效应的Perzyna过应力弹粘塑性模型模拟了三板溪面板堆石坝蓄水后的流变行为。在基于微极连续体理论考虑尺寸效应的Duncan-Chang模型模拟所得的面板堆石坝的竣工期应力变形结果的基础上,分别采用室内试验堆石参数模型和考虑尺寸效应模型模拟了三板溪堆石坝蓄水后2000天的流变行为。结果表明面板堆石坝蓄水后沉降、大主应力和小主应力随时间逐渐增大。而流变过程中沉降、大主应力和小主应力随时间增大的速率逐渐减小。直接采用室内试验参数模拟所得的沉降、大主应力最大值和小主应力最大值相比取用考虑尺寸效应模型模拟所得的结果偏小。通过对内禀特征长度的调谐,可以反映堆石料流变过程中所蕴藏的尺寸效应。同时,根据不同内禀特征长度得到的蓄水后坝顶流变沉降量的变化规律总结了所研究尺度范围内堆石料流变变形的尺度律。在微极连续体理论框架下发展弹粘塑性模型可以预测堆石料流变的压力相关性。有限元数值模拟结果再现了蠕变与松弛试验所观测到结果与规律,并在定量上具有较好的一致性。微极连续体理论中内禀特征长度可以反映堆石料流变机制中所蕴藏的尺寸效应。在相同围压与偏应力状态下,轴向应变的蠕变量将随颗粒粒径的增大而增大,与现有试验观测资料吻合,为应用堆石料缩尺室内流变参数预测工程原型流变提供有益的指导。