崩塌落石是高山峡谷区或其他高陡边坡部位频发的重大地质灾害，落石块径从几米至十几米不等，质量可高达百吨，最大冲击速度可达20m/s以上，尤其是高位崩塌落石，垂直高差一般大于100m，具有突发、随机及高能的动力特性。中国西南山区坡陡谷深、构造活动频繁的特点为单体及群发性危岩崩塌的孕育创造了良好的条件，这些潜在的危岩体一旦崩落势必造成巨大的灾难。本文利用经典接触理论、野外原型调查及基于桩板拦石墙和棚洞原型结构的大型落石冲击试验，系统研究了落石与防护结构相互作用的动力学特征参数及其变化规律。采用SPH-FEM耦合的数值分析对模型试验进行了对比验证并扩展了相关计算。最后通过有限元数值仿真进行实例验证，再现了新型桩板拦石墙结构的落石冲击动态响应。本文主要研究成果和创新点如下：
　　(1)利用经典接触理论，推导了落石碰撞过程中恢复系数和冲击力的计算式，得到以初始入射速度和入射角为变参量下的恢复系数和冲击力的变化规律；根据入射条件，提出了计算切向力的新模型，通过坡面特征及落石的入射条件对可能掉落的崩塌体进行运动形态的判别。主要结果包括：当入射速度相同时，恢复系数与入射角呈正相关；当入射角相同时，恢复系数与速度呈负相关，而冲击力与速度呈线性正相关；落石的切向行为主要受控于冲击入射角；落石回弹的运动状态取决于初始入射条件，当入射角大于临界粘滞-滑移入射角时，落石碰撞过程均存在滑动，反之发生粘滞。
　　(2)开展了室外大型落石冲击试验，研究了落石冲击上覆缓冲层的钢筋混凝土板结构的动力响应，分析了落石冲击过程中冲击力与缓冲层厚度的关系；针对不同厚度钢筋混凝土板的冲击试验，分析了混凝土板的变形破坏模式。主要结果包括，缓冲层厚度对冲击力有显著的影响。一定范围内，增大缓冲层厚度可以有效减小冲击力，在本文最大20kJ的冲击能级下，最优缓冲层厚度为0.3m~0.4m；根据试验实测数据，提出了计算最大冲击深度的方法；钢筋混凝土板的厚度对板的破坏模式有较大影响，当钢筋混凝土板的厚度为0.25cm时，板的破坏模式表现为以弯曲破坏为主兼剪切破坏特征，而板厚为0.35m时，最终的变形模式为典型的弯曲变形。
　　(3)在模型试验的基础上，对试验结果进行SPH-FEM数值模拟验证。结果表明，数值模拟结果与试验结果吻合度较高。在此基础上增加了扩展计算，即保持其他条件不变，将冲击能量增大至150kJ，重点分析了钢筋混凝土板的损伤破坏形态及破坏机制。综合考虑落石锤冲击力、混凝土板应变及破坏特征，最终确定在扩展能量的冲击荷载作用下，最优缓冲层厚度为0.8m。本文采用的SPH-FEM方法可为土体-结构组合体的冲击响应提供新的模拟方法。
　　(4)引入形状系数将落石简化为椭球状，通过三向轴长确定落石的形状及尺寸。采用SPH-FEM耦合算法分析了落石形状及接触姿态角对碰撞过程中冲击力、冲量、缓冲层耗能等特征参量的影响。发现形状系数相同时，姿态角越大，冲击力放大系数越大；形状系数越小，落石姿态角对冲击力的影响越大。此外，当落石的冲击速度与落石轴存在一定的夹角时，落石会绕着接触点发生转动。
　　(5)依托四川省康定市孔玉镇已实施的桩板拦石墙结构，建立等比例数值模型。为了更好地模拟无限大结构在截断边界处能量的逸散，采用无限元边界吸收截断处的应力波，实现波的逸散，从而增加计算精度，减小计算量。采用多种冲击力计算模型与数值模拟结果进行对比，验证了结果的可靠性；通过分析冲击过程中缓冲层能量耗散规律发现，缓冲层土体是最主要的耗能部件，相对于土颗粒材料，土工格栅产生的塑性应变能仅占总塑性应变能的6%左右；根据混凝土损伤因子的定义，采用混凝土损伤体积来量化结构损伤程度。根据损伤结果，受拉损伤远大于受压损伤且在撞击中心处损伤非常严重，混凝土已经失效剥落形成贯穿的坑洞，这与实际工程中观察到的现象吻合。