崩塌滚石是仅次于滑坡的地质灾害。陡坡上危岩体受三维空间结构面切割,在重力、风化营力、地震、渗透压力等外力作用下从母岩分离,形成滚石。边坡的变形失稳、运动、发展、破坏,是一种典型的非连续块体系统大位移和大变形动力问题,存在着复杂形状块体与复杂地形坡面间的接触变换。因此,准确描述滚石运动过程,掌握滚石运动规律和控制方法,是研究人员近期十分关注的工作。本文基于三维非连续变形分析(3D DDA)方法,综合室内试验、校园试验和现场试验等手段,考虑边坡三维地形及滚石几何特征,定量定性研究边坡失稳和崩塌滚石运动特征、能量转化、冲击破坏能力及致灾方量等,揭示边坡失稳和崩塌滚石成灾机理及规律,为滚石防护措施设计和工程防灾减灾奠定基础。论文主要内容如下:(1)将以进入块体模型为核心的接触理论引入到3D DDA方法;基于有限变形S-R分解理论,数值上实现了 3D DDA大转动模型的改进,解决了三维块体大转动引起的体积膨胀问题;通过节理面各角点接触力之和大小来确定整个节理面的接触状态,改进3D DDA临界滑动状态接触判断准则,解决了临界滑动状态块体运动不合理问题;根据恢复系数概念、动量定理和DDA接触力发展方式,得到了块体碰撞恢复系数、冲量和冲击力;发展了适用于大型岩质边坡稳定性分析及崩塌滚石模拟的3D DDA方法,并采用滑动、斜抛、自由落体、碰撞弹跳、滚动等滚石基本运动模型,验证了 3D DDA模拟的有效性。(2)考虑边坡变形惯性分量,推导适用于在边坡任意位置的块体失稳动力极限平衡条件公式。结合3D DDA方法,分析滑动和倾倒破坏等启动、运动、发展过程,研究了岩质边坡倾倒破坏机理。与Hoek和Bray的静力LEM相比,3D DDA和动力LEM结果拓宽了边坡失稳的纯滑动条件,但缩窄了倾倒-滑动条件。静力LEM高估了倾倒边坡的稳定能力,3D DDA模拟结果与地质工程实际观察到的现象相吻合,并指出高陡边坡小型倾倒破坏最终以崩塌滚石形式致灾。(3)提出基于3D DDA方法的滚石树木阻挡和平台防护措施,以坡面树木不同特征和排列方式为约束条件分析其对滚石的阻挡作用,总结出不同坡面特征下平台对滚石防护作用规律。结果表明,不同实体(滚石、树木和边坡)之间的接触和碰撞是滚石动能耗散和运动轨迹变化的重要原因。在滚石运动过程中,平动动能与总动能在数值大小和演进趋势上相接近。尽管转动动能占总动能的比例很小,但因角速度可影响碰撞后滚石运动轨迹的方向,所以在边坡防护中不可忽略。研究结果为栽植过程中的树木排列设计和平台宽度设计提供依据。(4)研发块体运动室内试验平台系统和双目立体视觉滚石现场试验系统。结合3D DDA模拟,研究了块体、块体柱、单排块体、散粒体等块体系统的失稳条件及三维破坏特征。考查校园和现场试验滚石侧向偏移、停留位置、弹跳高度、动能演进等指标,研究了滚石不同质量、形状、启落高度、启落角度和边坡不同几何特征等各工况下的滚石运动特征。结果表明,校园试验、现场试验和3D DDA模拟可定量确定滚石能量、弹跳高度、运移距离和侧向运动范围,总结出滚石运动与动力过程规律。(5)分析西藏自治区G318国道K4580典型工程滑坡和崩塌滚石的全过程及现象。从现场调研和监测结果判断,边坡滑坡可能为浅层平面滑坡和深层弧形滑坡。通过3D DDA模拟分析,展现了滑坡体内部空洞和地表下陷、张拉裂缝、剪切错动的形成过程。预测了潜在危岩体区域巨石和大体积崩塌体的失稳模式和破坏过程,实现了不同坡面条件下巨石和大体积崩塌滚石运动范围、停积位置和影响区域等灾害预测,为实际工程的防灾对策制定提供依据。