随着西部开发战略的深入,山区工程建设发展迅速,公路建设中出现大量沿山高陡边坡,鉴于受到独特地形、地貌、地质、气候水文和地层岩性等内在因素的影响,加之地震和人类工程活动等外在因素,高速公路沿线边坡落石问题日益严重,对附近居民和运营公路的安全造成严重威胁。西南地区地质情况复杂、岩体类别众多、差异性显著,区域性分布的落石体的本身的差异特性是否会对边坡落石运动造成影响以及影响程度的高低,以往学者对于此类特殊岩体分布区域的落石体本身物理力学工程特性的研究甚少,同时针对落石体特性与落石运动相结合的研究工作更鲜少提及。本文以西南地区依托工程内广泛分布的千枚岩为研究对象,鉴于千枚岩矿物构成的多样,首先从千枚岩落石的矿物分类出发,结合风化程度的影响,对研究区域内部的千枚岩落石进行针对性的分类,将落石的物理力学工程特性的差异特形与落石体在运动过程的破碎特性相结合,鉴于受多重因素影响属非线性变化规律,引入分形理论,就单一量化指标分形维数综合衡量落石体的特性的可能性进行研究。在此基础上,结合牛顿运动定律、冲量分析离散元方法和能量守恒定律,推导出针对边坡落石分析的多体碰撞数值计算方法,结合C++编程语言的辅助,实现能量跟踪法在Windows运行环境下的程序编译工作,利用用户自定义能量跟踪守恒法进行边坡落石分析计算。依托广甘高速公路工程项目,采用现场调研、室内试验、理论解析和用户自开发数值模拟程序相结合的手段,对公路工程沿线可能、存在、发生落石的边坡,从落石体矿物构成、物理力学特性、颗粒概率分布、分形特性、破碎特性、运动形式等角度出发,结合边坡形式、边坡高度、边坡角度、落石分布等对研究区域内的边坡落石从三维数值模拟的角度进行机理分析。主要工作如下:1.对目前学界尚无定论的落石定义进行分析归纳,从落石和崩塌、危岩间的联系和区别分析,并将落石认为是规模较小的崩塌行为,同时视危岩为落石萌发提供物质基础,是亚稳定的落石,综合研究归纳落石形成的条件和类型,为落石研究提供理论依据,并对潜在落石的发育形态和破坏形式进行研究。2.在研究区域的公路工程现场调研和勘察的基础上,利用矿物类别和风化程度对千枚岩落石体分类,在此分类的基础上,结合室内试验,差异性分析千枚岩落石体的基本物理力学性质、颗粒级配特性、水理特性、膨胀特性和力学特性。3.将落石在重力作用下的下落过程视为落石体自身或落石体与坡体间的相互碰撞,利用撞击试验模拟分析落石体在碰撞作用下的颗粒破碎特性。对季节性影响、尺寸范围、高风险概率的落石类别和风化程度给出基础判别,并结合落石体运动形式和解析方法为后续数值模拟分析提供理论依据。4.将分形理论引入千枚岩边坡落石风险研究中,采用随机模糊线性回归方法,考虑落石体分布中的随机性、模糊性和不确定性,将分维值作为量化指标综合评价落石体的分布分形特性:确定了有关千枚岩类别、风化程度、边坡高度、撞击作用对分维值变化规律的影响,并利用分维值的数值和变化规律综合表达落石体的物理力学特性和块体的破碎特性,给出了综合评判千枚岩落石体碰撞破碎特性的一个量化指标和计算评判方法,从另一方面给出又一便捷计算落石体物理力学特性的直观量化指标。5.以冲量分析法为基础,将落石下落的碰撞过程视为离散物体的碰撞问题,从能量守恒的角度利用能量跟踪法解决多个非凸物体间的三维碰撞优化,最终获得计算边坡落石的有效理论。对冲量施加、能量跟踪、摩擦因素等关键实现方法进行说明,就碰撞过程涉及到的压缩、恢复和分离三个阶段变化进行具体阐述。6.基于能量跟踪法,通过相关理论实现针对边坡落石碰撞的数值模拟程序的编辑,基于Windows环境下的C++语言的用户自编程序为数值模拟手段。以研究区域公路工程沿线现场调研数据为基础,进行几何和物理建模,从边坡形式、边坡角度、边坡高度、落石运动模式、落石尺寸、落石分布几个角度进行落石体边坡数值模拟分析。从衡量落石危险的坡底最大横向和测量运动距离的变化规律等指标角度出发分析上述多重落石影响因素。7.利用能量跟踪法边坡落石三维数值计算分析结果,结合工程现场的勘察调研结果,对研究区域内存在边坡落石安全威胁的区域的针对性边坡落石防护的措施提出建议。通过对于区域性分布的千枚岩边坡落石分析研究发现,落石体本身工程特性的差异会显著影响落石运动结果,基于本文的研究结果,对待特殊岩体进行落石分析时有必要进行专项落石体研究,并将落石体特性同落石运动特性相结合起来,更为精确有效的评价落石灾害。