颗粒材料碰撞在自然界及人们的生产生活中广泛存在。落石、岩质边坡崩塌等地质灾害就是典型颗粒碰撞过程。尤其在我国西部地区,大量陡峭岩体导致落石、崩塌等地质灾害频发,对山区建筑物、公路、铁路、桥梁等构成极大威胁。由于落石运动轨迹难以准确预测,导致相应防护工程设计难度大,成本高。落石与边坡碰撞能耗是决定落石运动轨迹的关键。能耗机理与块石碰撞损伤破裂密切相关。因此,开展球砾法向碰撞能耗及损伤破碎研究,对于准确预测落石运动轨迹具有重要的实际意义。并且岩石球砾是典型非均质脆性颗粒材料,落石碰撞是典型动力接触物理过程。因此,本课题研究对于接触力学的发展具有重要理论意义。法向恢复系数（NCOR）是描述块石法向碰撞能耗的重要指标。国内外学者针对NCOR开展了大量研究工作。但由于碰撞接触问题的复杂性,尺寸、碰撞速度、地面特性等因素对NCOR的影响仍未达成共识。碰撞过程必然伴随球砾损伤破碎,并且损伤破碎与能耗机理密切相关,然而相关成果极少。因此,本文以国家自然科学基金面上项目（No.41772308）“落石重复碰撞损伤累积及破碎特征研究”为依托,从室内试验、接触理论及离散元数值模拟三方面,针对碰撞能耗及损伤破碎开展研究工作。为了揭示球砾与板碰撞的能量耗散演化规律,讨论球砾损伤破碎与能量耗散的相关性,本文自主研发了一套基于声频采样技术的球砾法向碰撞试验装置,提出了基于声频信号的球砾碰撞运动分析方法和高精度球砾制样方法。基于本文装置和方法,开展了大量球砾法向碰撞室内试验。理论分析及试验结果表明本文试验装置能够准确实现球砾与板法向碰撞试验,应力波及重复碰撞对NCOR的影响可以忽略不计。试验结果表明板的弹性模量越高,NCOR越小;饱和条件下的NCOR小于风干条件下的试验结果,其中砂岩球砾两种条件下的差异最大。岩石球砾的NCOR呈现复杂的尺寸效应和速率效应,并且速率和尺寸之间相互影响。在无宏观裂纹阶段,大理岩球砾和花岗岩球砾NCOR随直径增加而变大,并且与提出的平均接触应力变化率?具有很好的相关性。砂岩球砾的尺寸效应则更加复杂,其NCOR随尺寸增加,先增加后减小。大理岩球砾法向碰撞试验揭示了局部接触损伤和张拉宏观裂纹两种能耗机理。张拉宏观裂纹显著降低了NCOR,使得NCOR与速度曲线呈现明显的两阶段特征。大理岩球砾破碎时,出现明显破碎核,并劈裂成2或者3片,这与典型脆性颗粒破坏模式相一致。根据本文室内试验条件,计算得到的球砾碰撞起裂速度v_ci和碰撞损伤速度v_cd均小于本文试验的最小碰撞速度,说明碰撞接触区损伤导致的能量耗散在实际落石中不可避免。为了从理论角度揭示球砾NCOR复杂的尺寸及速度效应,本文提出一种新的尺寸相关粘弹性法向接触模型。该模型是由Hertz弹簧和尺寸相关非线性粘壶构成。理论分析表明本文模型克服了传统线性弹簧粘壶模型初始接触力不为零的缺陷。与HKK模型和TS模型相比,本模型能够有效消除非真实拉力阶段对碰撞中能耗的影响。计算表明位移为零和加速度为零两种碰撞截止条件对本模型计算结果影响可以忽略不计。本文接触模型能够准确描述室内试验测得球砾NCOR复杂的尺寸效应及速率效应。模型参数K₂综合反映了NCOR的尺寸效应和速率效应,K₁则主要影响NCOR大小。参数K₁与颗粒粒径呈指数衰减关系,参数K₂与颗粒粒径则呈双曲正切变化规律。基于本文模型计算得到的接触时间随碰撞速度增加而减小,随粒径减小而降低。由于粘性耗散项,本模型计算的接触时间大于Hertz弹性模型的计算结果。本文针对传统三维离散元方法难以实现岩石高压拉比和非线性强度包线的不足,提出一种新的三维团粒建模方法（结晶法）。该方法基于真实岩石矿物颗粒的结晶过程提出。采用结晶法建立的数值模型更加接近真实矿物颗粒的接触状态,生成的clump单元能够反映真实矿物颗粒复杂随机的不规则特征,从而强化颗粒间的咬合作用,同时保证较高的计算效率。基于提出的结晶法开展的参数研究表明:增加clump单元组成颗粒数（PN）能够显著提高数值试样的压拉比,改善非线性强度包线的模拟结果;平行粘结强度比和摩擦系数能显著提高试样压拉比;刚度比不仅决定了数值试样的弹性特征,同时影响试样的抗拉强度,压拉比以及拉伸与压缩的破坏模式。基于本文结晶法,提出了一种新的离散元细观参数标定方法。基于该参数标定方法,针对Lac du Bonnet花岗岩的力学特性进行了系统参数标定。模拟结果表明本文结晶法能够高效准确模拟该岩石的高压拉比和非线性强度包线。模拟得到的裂纹初始应力、裂纹损伤应力、压拉模量比、宏观应力应变曲线以及损伤破坏过程均与试验结果吻合较好。并且本文模拟揭示了劈裂张拉破坏到剪切破坏模式的转变,模拟得到的临界围压与大量试验结果基本一致。为了从细观角度揭示球砾与板碰撞的能耗及损伤破碎机理,并分析碎片的几何及速度特征,本文基于提出的结晶法开展了大理岩球砾与板法向碰撞的三维离散元模拟研究。提出了一种适用于岩石颗粒材料动力接触问题的三维离散元参数标定方法。建立的数值模型不仅能准确模拟大理岩的弹性特性、单轴抗压强度和抗拉强度,模拟得到的球砾损伤破碎模式、损伤破碎转变以及径向宏观裂纹的扩展均与室内试验结果相一致。模拟表明球砾碰撞损伤破碎主要存在局部损伤、张拉宏观裂纹和二级环向裂纹导致的粉碎三种损伤破碎状态。径向宏观裂纹起源于试样内部中轴线位置,距离碰撞板约3D?8,由内向外逐渐扩展。二级宏观裂纹是橘子状碎片进一步压缩导致的。能量指标能够清楚揭示各种损伤破碎状态的差异以及随碰撞速度增加的相变过程。模拟得到的最大和第二大碎片质量、损伤率和碰撞接触力同样能够揭示不同损伤破碎状态下的相变过程。颗粒间的摩擦功是球砾碰撞耗能的主要机制。但只有当球砾发生大量平行粘结破碎时,颗粒间摩擦才能发挥能量耗散作用。摩擦导致的能量耗散主要集中在碰撞接触区。离散元模拟得到的碎片分析表明,由于局部损伤和宏观破碎,破碎得到的碎片包含质量较小的小碎片和质量显著较大的大碎片。因此,本文提出采用平均clump单元尺寸的两倍,即等效粒径0.11,作为区分大小碎片尺寸的临界值。小碎片的尺寸分布强烈依赖于clump单元本身的尺寸分布,大碎片的尺寸和数目的分布规律强烈依赖于材料特性和碰撞动力学参数。一般极值分布模型能同时准确描述基于碎片数目及碎片质量的大碎片累计分布规律,拟合得到的参数能够准确反映大碎片累计尺寸分布随碰撞速度的演化规律。碎片速度分析表明在本文法向碰撞条件下,即使球砾发生碰撞破碎,碎片平动动能依然显著高于碎片转动动能。虽然碰后碎片的平均速度小于碰撞速度,但存在一些小碎片的速度显著高于碰撞速度。模拟得到的高速小碎片方向角均大于90度,并且发生在球砾模型下部距离碰撞板D?4位置处。这说明高速小碎片是由接触区高拉应变率导致的“胀爆”效应造成的。碎片尺寸与碎片速度存在相关性,当碰撞速度大于9m/s时,碎片尺寸与速度的分布区域达到稳定。碎片速度方向角分布与球砾碰撞破碎模式密切相关。张拉宏观破碎阶段,大部分碎片方向角小于90度,粉碎阶段,大部分碎片方向角大于90度。