边坡落石是山区地带常见现象之一,虽然其规模较小,但由于发生频繁,突发性高,随机性强,很容易构成落石灾害。随着我国西部大开发战略的深入实施,西部山区资源开发和基础设施建设正以前所未有的速度高速发展,在宜万铁路、沪蓉西高速公路、西气东输等大型工程项目进行的同时,人类工程活动诱发落石致人死亡的灾害事件也屡屡发生。因此,进行落石灾害的系统研究具有重大的理论意义和工程应用价值。对落石灾害进行有效防治,需查明落石形成的工程地质条件,确定落石的易发区段；了解落石的运动特性,准确预测落石运动的影响范围；进而计算落石碰撞冲击力,为防护工程设计提供依据。在进行落石运动的理论计算时,假定落石为质心点或者圆形刚体,将落石的运动分解成坠落、弹跳、滚动或滑动,分别进行研究,其中的弹跳和滚动过程分别由碰撞恢复系数和滚动摩擦系数控制。落石运动特性的研究主要在于确定其关键参数,即落石的碰撞恢复系数和滚动摩擦系数。这两个系数表征落石运动过程中的能量损耗,其中又以碰撞恢复系数对落石运动影响更大,是落石后续运动的控制性参数。基于落石运动的反演分析和模型试验,很多学者提出了碰撞恢复系数的建议值,但其值差异较大,有的甚至相互矛盾。碰撞时的冲击力大小决定落石防护设施的强度等级。落石碰撞通常在10-3-10-2s之间完成,由于碰撞的时间极短,根据冲量定理可知碰撞冲击力很大。由于落石冲击碰撞问题采取理论求解存在较大困难,目前冲击力的研究主要采取基于落石冲击碰撞试验建立经验公式的方法。即通过测得冲击过程中落石的加速度随时间的变化、冲击持续的时长、垫层材料对冲击的响应等参数,建立冲击力计算的经验公式。由于冲击试验往往针对某一特定环境进行,建立的经验公式难具普遍性。本文围绕落石灾害防治这一中心问题,通过工程地质分析确定落石的易发区段,采用FASTCAM SA1.1高速摄影仪拍摄落石运动,解析落石的运动学参数,结合数值模拟方法,研究落石块度、入射速度和入射角对落石碰撞恢复系数的影响；基于试验结果,建立落石最大运移距离的人工神经网络预测模型,分析边坡条件和落石条件对运动距离的影响程度；基于普朗德尔对数螺旋线的地基承载力理想化破坏模型和能量理论,建立了落石碰撞冲击地面的简化模型,提出了落石最大冲击力的计算方法。最后以鄂西恩施野三关石马岭危岩体和从危岩体下方经过的天然气管道为研究对象,分析危岩发育地区的工程地质条件,预测危岩失稳后的影响范围,计算落石对埋地天然气管道的冲击力冲击力范围,采用动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟落石冲击埋地管道,研究埋地管道对不同冲击条件的响应。论文完成的主要工作包括以下几个方面：(1)通过对现有文献中落石定义的分析比较,结合本文研究内容与目的,明确了落石的定义及与崩塌、危岩的关系。落石形成的工程地质条件主要受地形地貌、地层岩性、地质构造和风化卸荷控制；诱发落石的主要因素为人类工程活动、动植物影响、降雨及地下水、冻融循环和地震。结合工程地质调查,根据潜在落石的发育形态和对应的破坏模式,将其分为六种类型,即滚动或滑动的孤立式、拉裂坠落的悬挂式、滑移破坏的贴坡式、膨胀拉裂的软弱基座式、溃屈破坏的碎裂结构式和倾倒破坏的板柱结构式。(2)引入FASTCAM SA1.1高速摄影仪研究落石的运动特性。以5000fps(每秒拍摄5000幅照片)的精度拍摄落石运动过程,解析得到落石的运动轨迹、运动模态和速度、加速度等数据；精确记录碰撞过程中落石形态和速度变化。研究表明,边坡坡度、坡面覆盖层条件、落石质量、落石形状对落石运动影响明显；由于落石的运动模式极易在碰撞中改变,落石的初始运动模式对后续的运动无明显影响。落石的横向位移-时间曲线表明,有96.2%的落石横向偏移比小于10%,61.5%的落石横向偏移比小于5%。(3)通过现场试验研究了碰撞因素对碰撞恢复系数的影响。碰撞恢复系数不仅跟坡面材料强度有关,还受到入射角、碰撞速度等因素的影响。落石的动能恢复系数随入射角的增大而减小,法向速度恢复系数随入射角的增大而减小,切向速度恢复系数随入射角的增大而增大。采用动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA,基于现场试验建立了研究碰撞恢复系数的数值模型,探讨了利用数值模拟研究落石碰撞恢复系数的方法。数值试验表明,落石的碰撞速度越大,速度恢复系数越小；落石的块度越大,法向恢复系数越小,对相同的地面岩土体材料,落石块度增大到一定程度后,不再影响碰撞恢复系数；地面岩土体材料的塑性参数越大,碰撞速度恢复系数越大,当塑性指标增加至一定程度后,速度恢复系数基本趋于稳定。(4)将人工神经网络应用于落石最大运移距离的研究,考虑边坡坡度、坡高、坡面覆盖层情况和落石质量、形状五个因素,建立落石最大运移距离的人工神经网络预测模型,实现落石影响范围的快速评估。参数敏感性分析表明：①边坡坡度小于45°时,落石的运移距离随坡度的增加而增加；当边坡坡度大于45°时,落石的运移距离随坡度的增加而减小；②落石的运移距离随边坡高度的增加而增加,但边坡高度增加至某特定值后,落石运移距离不再受坡高影响,且该特定值的大小受坡度大小影响；③坡面覆盖层越少,或坡面覆盖层材料强度越大,越利于落石运动；④球形落石的运移距离最大,方形落石次之,板状落石和长条形落石的运动距离由于受运动模态影响较大,试验中没有呈现规律性差异。对网络连接权重的研究表明,边坡条件对落石运动距离的影响大于比落石自身条件的影响,具体的影响程度从大到小依次为：边坡坡度、边坡高度、坡面覆盖层条件、落石质量和落石形状。(5)根据落石冲击地面土体的物理过程,基于普朗德尔对数螺旋线的地基承载力理想化破坏模型和能量理论,建立了落石冲击地面的简化模型,考虑地面土体容重和内摩擦角对冲击力的影响,提出了落石冲击地面时冲击力的计算公式。研究表明最大冲击力随土体容重和内摩擦角的增大而增大。(6)以鄂西恩施野三关石马岭危岩体为例,系统运用本文提出的落石灾害防治思路指导经过危岩体下方的天然气管道的工程防护。首先根据落石发育地区的工程地质条件,确定了落石的发育形态和破坏模式；然后采用建立的人工神经网络评估落石的影响范围——当落石质量大于60kg时,无论其形状,都能运移至危岩体下方的天然气管道所在位置。并计算了最大质量危岩失稳后冲击管道的冲击力范围。(7)采用动力有限元数值模拟的方法,通过ANSYS/LS-DYNA对埋地天然气管道在落石冲击下的响应进行了研究：①管道埋深越大,即上覆缓冲土层越厚时,不仅落石的最大冲击力越小,而且冲击力在缓冲土层中的衰减越明显。②当管道埋深较浅时,落石冲击速度对冲击深度的影响很明显,随着管道埋深加大,落石速度对冲击深度的影响逐渐减小。因此适当增大管道埋深能有效保护管道。③落石与地面碰撞点的位置距管顶水平距离越大,管道受到的冲击影响越小；管道在落石冲击下的最不利位置在管顶位置。本文的研究方法可为落石地区基础设施或建筑物的选址和落石防护工程设计参数的确定提供科学依据。针对以上研究内容,本文取得的主要创新成果有：(1)将高速摄影仪引入落石运动特性的研究,深入研究了落石的碰撞恢复系数,探明了碰撞入射角对碰撞恢复系数的影响。确定了不同入射角时落石碰撞恢复系数的取值范围,据此可确定不同坡度角时的碰撞恢复系数的取值范围。(2)基于边坡坡度、坡高、坡面覆盖层情况和落石质量、形状五个易于获得的参数,建立了预测落石最大运移距离的人工神经网络,实现了落石影响范围的快速预测。研究了边坡条件、落石条件的相关因素对落石最大运移距离的影响程度。(3)基于普朗德尔对数螺旋线的地基承载力理想化破坏模型和能量理论,考虑地面土层物理力学性质对落石冲击力的影响,提出了落石冲击力的计算公式,为落石防护工程设计提供科学依据。