煤矸石广泛分布于全国各大煤矿区域。煤矸石作为煤层开采和洗选过程中产生的废弃料,常用于路基填筑。煤矸石填料属于粗颗粒土,在压实过程中形成双孔隙群结构,其土水特征曲线(SWCC)具有双台阶现象。而SWCC与土体非饱和渗透系数密切相关,对路基内部水分运移有重要影响。同时,煤矸石具有一定的崩解性,对路基稳定性和长期累积变形有重要影响。因此研究煤矸石SWCC和荷载与干湿循环耦合作用下的固结特性,对煤矸石填料的应用具有重要的意义。本文以中南地区常见的煤矸石填料为研究对象,围绕SWCC和固结特性进行了一系列试验研究,具体内容分为以下四个方面:(1)通过室内试验获取了煤矸石填料的基本特性参数。试验包括比重试验、X光衍射扫描试验、颗粒分析试验、液塑限试验、击实试验、固结试验、渗透试验、崩解试验和电镜扫描试验等。(2)对煤矸石填料进行了一系列压力板试验,研究了压实度、粉粒含量、最大颗粒粒径对双台阶SWCC的台阶形成、台阶高差的影响。试验结果表明,随着压实度增大,SWCC台阶高差减小,第二个台阶高度变化与试样粉粒含量有关:粉粒含量为5%时,第二个台阶高度基本一致,且不同压实度试样SWCC均存在双台阶现象;粉粒含量为50%时,第二个台阶高度小幅度降低,试样SWCC由双台阶形过渡为单台阶形,在0.90和0.95压实度之间存在一个界限值,双台阶现象消失。随着粉粒含量提高或最大颗粒粒径减小,SWCC台阶高差减小,第二个台阶高度增大,且两者变化幅度基本一致。(3)分别用V-G模型和Bi-V-G公式拟合实测SWCC,比较了拟合效果,并分析了模型参数随压实度、粉粒含量、最大颗粒粒径的变化规律。结果表明,随着压实度增大或粉粒含量提高,模型参数α₁、α₂(与进气值有关的参数)和n₁、n₂(与排水程度有关的参数)值均逐渐减小,试样大、小孔隙部分进气值均增大、持水能力均提高;随着试样最大颗粒粒径减小,参数α₁、α₂、n₁增大,n₂减小,大、小孔隙部分进气值均增大,而大孔隙部分持水能力增强,小孔隙部分减弱。(4)进行了一系列荷载与干湿循环耦合作用下煤矸石试样固结试验,研究了干湿循环过程中试样的脱湿、吸湿特性,以及干湿循环次数对煤矸石填料固结特性的影响,最后通过激光粒度仪试验、电镜扫描试验和压汞试验研究了煤矸石填料微观结构演变规律。试验结果表明,随着干湿循环次数增多,煤矸石试样压缩模量减小;轴向荷载和干湿循环均对试样累积塑性变形有重要影响,第1次干湿循环引起的塑性变形最为显著;随着干湿循环次数累积,试样脱湿压缩量逐渐减小,增湿膨胀量逐渐增大,且在干湿循环次数达到4次左右时两者基本一致;随着干湿循环次数增多,试样的脱湿含水量终值、增湿含水量终值均呈线性降低。e-w曲线下降段,骨架孔隙和较大孔隙排水时,试样孔隙比几乎不变;而由粉粒(50%)控制形成的小孔隙排水过程中,试样孔隙比显著减小,到了不连续的微孔隙排水时,孔隙比减小的趋势放缓。随着循环次数增加,大孔隙和小孔隙体积均逐渐减小,小粒径粉粒含量逐渐增多;干湿循环次数足够高时,煤矸石填料微观结构发生显著变化,孔隙近乎消失;干湿循环过程中,轴向荷载越小,团粒结构的崩解越显著。