随着土石混合料越来越广泛的被道路、堤坝、基础等工程采用,快速、准确地预测其抗剪强度指标不仅有利于设计、计算,也有利于施工方案的制定和压实方法的选择,而现有的土石混合料的工程分类多从颗粒粒径和各粒组含量进行分类,无法从分类上判断其强度指标。本文依托交通部西部建设科技项目“土石混填路基修筑技术研究”,结合现场大型直剪试验、室内击实试验、室内大型剪切试验、三轴试验及室内试验的颗粒离散元PFC3D数值模拟的试验结果,采用岩性、含石量和混合料颗粒组成的分形指标,将土石混合料按不同层次分为不同的类别,并由试验得出各类别土石混合料的强度差异,该综合分类法指标简单,易于实际应用,并可根据分类预测混合料的强度指标,具有较高的工程应用价值。在室内剪切试验中,考虑土石混合料组成及三轴试验的复杂性,主要采用大型直剪试验研究土石混合料力学特性的变化规律,并与现场大型直剪试验、室内大型三轴试验及室内大型直剪试验的数值模拟对比。为了克服由于大型直剪仪自身结构及性能存在的许多问题,及其造成的直剪试验结果与其试验原理的应用条件及混合料的实际强度的偏差。本研究对室内大型直剪试验进行了改进,研发了新型的土石混合料室内大型直剪试验系统,克服了常规直剪仪存在的主要问题,还可以进行剪胀率、剪切面起伏特征、剪切面分形等研究,使得试验结果更精确、可靠,试验分析更完善。本文通过试验研究了土石混合料力学特性随岩性、含石量、密实度及颗粒最大粒径等影响因素的变化规律,分析了土石混合料的剪胀性能、剪切面的起伏特征和分形特征、土石混合料的剪切变形破坏方式,经比较现场试验、室内试验及数值模拟的结果基本一致,并依据试验结果建立了不同类别土石混合料力学特性指标的预测模型,可通过模型快速预测不同类型土石混合料的力学特性指标。本研究的创新之处在于:提出了以岩性、含石量以及颗粒组成分形为指标的土石混合料综合分类方法;研制了能够确保试验过程中垂直荷载恒定并保持不偏心的新型直剪试验系统;通过大量的、系统的试验,分析了不同类别土石混合料的力学特性随各影响因素的变化规律;首次进行了剪切面起伏特征的研究,并通过分形理论,初步建立了剪切面分形与强度指标的关系。