落石为一种多见的边坡地质灾害,具有多因性、随机性与易发性的特点。落石灾害的工程防治措施主要包括主动防护与被动防护,棚洞是一类典型的被动落石防护结构,主要由主体结构和缓冲层(缓冲结构)两部分组成,因其直接修筑于防护对象上部,能够对散体落石进行有效隔离防护,近年来在傍山道路及隧道洞口的落石防治项目中得到普遍应用。但是,实际棚洞工程中常存在落石堆积、构件损伤、棚洞被落石冲击垮塌等问题,究其原因主要在于棚洞缓冲层的缓冲性与可恢复性差,构件职责主次不明,以及缺少有效的落石缓冲变形控制。针对此,本文以棚洞缓冲层为研究对象,提出一种应用于落石防护棚洞的新型可恢复式钢结构缓冲层,结合冲击试验与数值模拟,对该新型缓冲层的系统组成、试验方法、计算理论及结构缓冲性能展开分析,主要研究内容与成果如下:(1)从缓冲性能、可恢复性和适用性三个方面分析了棚洞缓冲层的性能需求,据此设计出一种用于落石防护棚洞的可恢复式钢结构缓冲层,缓冲层主要由拦截部件、缓冲部件和支撑部件组成,各部件通过滑移边界连接。(2)设计了可恢复式钢结构缓冲层的子结构试验模型,明确了试验设备与试验方案,开展了两次动能分别为25kJ和50kJ的落锤冲击试验,对试验结果与冲击过程展开描述与分析。(3)分析了缓冲层中环形网、弹簧杆、钢丝绳等构件的力学行为与模拟方法,明确了环形网、卸扣、支撑绳间的滑移接触关系,整合建立了可恢复式钢结构缓冲层的动力学模型,并通过LS-DYNA软件对子结构模型展开数值模拟研究。(4)分析了缓冲层子结构模型的缓冲耗能特性。子结构能够将动能为25kJ和50kJ的落锤拦截,缓冲拦截过程具有松弛变形、张紧变形及变形回弹三阶段特性。落锤冲击过程中各部件表现出了良好的缓冲性与可恢复性,环形网的弹性变形在总变形中占有很大比重,网片残余变形多源于索网的松弛间隙;弹簧杆能够显著减小支撑构件的内力峰值;子结构的缓冲贮能源自弹簧,而耗能则源自结构阻尼。(5)可恢复式钢结构缓冲层可显著减小落石冲击力。冲击动能分别为25kJ和50kJ时,与圆钢管支撑模型相比,子结构可将落锤冲击力减小约30%;与砂土缓冲垫层相比,子结构可将落锤冲击力各减小约73.7%和71.5%;与EPS缓冲垫层相比,子结构可将落锤冲击力各减小约67.0%和64.3%。基于系统P-D性态,通过弹簧刚度、冲击动能参数分析构建的公式能够近似求出缓冲层子结构的最大冲击力与最大冲击位移。