摘要：巖體結構面粗糙度的量化表征一直是巖土工程領域關注的焦點問題。在以往表征方法基礎上，結合結構面三維形貌特征掃描分析，綜合考慮結構面的層次結構特征，提出采用平均起伏角和平均相對起伏幅度表征一級波狀起伏結構，采用面積擴展率表征結構面次級細微粗糙結構，并分析建立了結構面三維粗糙度系數與形貌參數的相關關系。驗證分析表明，論文提出的結構面三維粗糙度表征方法可以較好的兼顧結構面一級波狀起伏結構特征和次級細微粗糙結構的影響，計算得到的結構面抗剪強度與試驗值吻合較好。相關研究結果可為結構面粗糙度量化分析及抗剪性能估算提供較好的借鑒。

　　關鍵詞：結構面;層次結構;形貌參數;粗糙度系數;抗剪強度

　　1研究背景

　　自然界的巖體往往存在大量的節理、裂隙等結構面，結構面的存在往往會影響巖體的剪切力學特性。以往的研究表明，影響節理巖體抗剪性能的因素很多，主要包括巖橋尺寸及強度、風化程度、填充情況、含水情況、結構面粗糙度及吻合度等。其中，對硬質無充填結構面，粗糙度是影響其力學特性的主要因素之一。

　　N.Barton[4提出了采用粗糙度系數(JRC)來表征結構面的粗糙度，并總結了十條典型結構面輪廓線，通過比較標準輪廓線與實際輪廓線來評估JRC值，同時提出了估算結構面抗剪強度的JRCJCS模型。該模型在工程實踐中被廣泛應用，但該方法在確定結構面JRC時還不能完全定量化，為了消除人為主觀性的影響，許多學者在結構面粗糙度量化表征方面開展了大量的研究并取得了豐碩的成果。

　　常用的是單參數表征方法，Tse和D.M.Cruden提出利用統計學方法對結構面形態進行描述，分別建立了結構面輪廓均方根和結構函數SF與JRC的回歸關系，由此參數來估算結構面JRC值;王岐7]提出采用伸長率來估算JRC值，建立了伸長率與JRC的經驗關系式;Carr和Warriner提出用分形維數來描述結構面粗糙度，并建立了分維與JRC的關系;隨后謝和平、曹平10、游志誠11等也進一步研究了分維與結構面粗糙度，并建立了經驗關系式。

　　由于二維分形不能很好的表示結構面粗糙特征，尹紅梅12提出利用三維分形估算結構面粗糙度，并建立了結構面粗糙度與分形維數的關系;陳世江3]提出了改進的投影覆蓋分形描述法估算巖體結構面粗糙度。葛云峰14采用光亮面積百分比來表征巖體結構面三維粗糙度系數，建立了JRC3D與結構面的光亮面積百分比之間的估算公式。然而，實踐分析表明，由于結構面形貌特征的復雜性，單個參數無法準確表征結構面粗糙度特征15。

　　為此，文獻16根據結構面的形貌特征，提出了結構面的層次結構，認為是由一級波狀起伏結構和次級細微粗糙結構所構成。在此基礎上，有的學者提出采用多個形貌參數綜合表征結構面粗糙度，如李化等[17]、陳世江等[18]提出利用相對起伏幅度和伸長率共同反映結構面粗糙度系數。

　　由于結構面的復雜性，二維線參數無法準確表征結構面三維形貌特征，因此，有的學者也嘗試采用三維多參數進行表征，如唐志成[19]選用有效三維平均傾角、最大可能接觸面積比作為表征節理三維形貌特征的參數;宋磊博等[20]提出了描述結構面形貌特征的三維抗剪系數，可考慮結構面起伏特征、高度特征等形貌特征;石林等[21]將二維的相對起伏度和伸長率拓展至三維，采用結構面起伏度與面積擴展率來表征結構面的粗糙度。這些多參數綜合表征方法為準確量化結構面粗糙度提供了很好的思路，但還存在一些不足，例如文獻20表征結構面形貌特征時考慮了結構面的起伏角、起伏高度以及起伏角分布特征，但忽略了次級細微粗糙結構的影響。

　　結構面與結構面有著相同的起伏角和起伏幅度，但是由于結構面存在次級細微粗糙結構，會導致剪切作用過程中結構面的摩擦性增大;文獻21采用結構面起伏度和面積擴展率表征結構面的粗糙特征，但是忽略了起伏角在剪切作用過程中的影響，結構面和結構面有著相同的起伏幅度，但是起伏角的差別也會影響結構面的抗剪性能。

　　總體而言，這些研究成果為結構面粗糙度量化分析奠定了較好的基礎，但是在從三維角度去表征結構面粗糙度時，還沒有很好兼顧結構面的一級波狀起伏結構特征和次級細微粗糙結構的影響。基于此，在以往研究基礎上，本文擬綜合考慮結構面的層次結構及其特征，采用多參數分別表征結構面的一起波狀起伏結構和次級細微粗糙結構，并分析建立相關形貌參數和結構面三維粗糙度的相關關系。

　　結構面三維粗糙度綜合表征方法在結構面剪切過程中，一級波狀起伏結構和次級細微粗糙結構分別表現出明顯不同的影響效應。根據文獻22中的剪切破壞特征分析，在低法向應力下，結構面沿凸起體斜面向上滑動，主要表現為爬坡效應，次級細微粗糙結構的存在會增大凸起體斜面的摩擦效應，此時一級波狀起伏結構和次級細微粗糙結構共同影響結構面的抗剪性能;在高法向應力下，結構面咬合效應顯著，凸起體被剪斷，主要表現為切齒效應，此時一級波狀起伏結構對結構面抗剪強度起著重要影響。

　　在表征結構面一級波狀起伏結構時，一些學者提出了起伏幅度表征法[23]、平均起伏角表征法24以及起伏幅度與起伏角綜合表征法25，其中，平均起伏幅度能很好的反映結構面的整體的高度特征，平均起伏角能很好的反映結構面整體的坡度特征，但是單獨采用起伏角或起伏幅度表征大起伏度只能反映結構面的某一特征，因此，本文擬采用起伏幅度和起伏角來綜合表征結構面一級波狀起伏結構。在結構面微觀形貌特征表征時，有的學者從二維角度提出采用伸長率來表征次級細微粗糙結構，伸長率定義為剖面輪廓線全跡長與線跡長的比值，能很好的考慮到結構面的小起伏變化特征。基于此，本文擬將二維的伸長率拓展到三維的面積擴展率，以描述結構面的次級細微粗糙結構。

　　15個試樣的起伏角、起伏幅度和面積擴展率存在明顯的差別，比較而言，一方面，在起伏角相近的情況下，隨著起伏幅度的增大，JRC值明顯增大，同理，在起伏幅度相近的情況下，隨著起伏角的變化，JRC值也呈現類似的變化規律，說明單一的參數無法準確的表征結構面的一級波狀起伏結構，而綜合采用起伏幅度和起伏角可以達到較好的表征效果;另一方面，面積擴展率對試樣JRC值也存在類似的影響規律，說明面積擴展率可以較好的描述結構面的次級細微粗糙結構。綜上分析可見，本文提出的結構面三維粗糙度表征方法可以較好的兼顧結構面一級波狀起伏結構特征和次級細微粗糙結構的影響。

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　　4結論

　　(1)巖體結構面形態具有明顯的層次結構，可以分為一級波狀起伏結構和次級細微粗糙結構，二者對結構面的抗剪性能均存在顯著的影響，在結構面粗糙度量化分析時應兼顧考慮。 (2)采用平均起伏角和平均相對起伏幅度表征一級波狀起伏結構，采用面積擴展率表征結構面次級細微粗糙結構，分析建立了結構面JRC值的三維表征經驗公式，驗證分析表明，計算結果與試驗值吻合較好。(3)本文選取的三個參數可以較好的表征結構面的一級波狀起伏結構和次級細微粗糙結構，而且這三個參數通過結構面掃描可直接獲取，測量快速方便，可為結構面粗糙度的量化表征和節理巖體抗剪性能分析提供較好的參考。

　　參考文獻(References)：

　　[1]夏才初,孫宗頎.工程巖體節理力學[M].上海:同濟大學出版社,2002:1−22.

　　[2]許江,雷嬌,劉義鑫等.充填物性質影響結構面剪切特性試驗研究[J].巖土力學,2019,40(11):41294137

　　[3]趙堅.巖石節理剪切強度的JRCJMC新模型[J].巖石力學與工程學報,1998(4):19.

　　[4]BARTONN.Reviewofanewshearstrengthcriterionforrockjoints[J].EngineeringGeology,1973,7(4):287332.

　　[5]BARTONN,CHOUBEYV.Theshearstrengthofrockjointsintheoryandpractice[J].RockMechanics,1977,10(12):54.

　　[6]TSER,CRUDENDM.Estimatingjointroughnesscoefficients[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences&GeomechanicsAbstracts,1979,16:303307.

　　[7]王岐.用伸長率確定巖石節理粗糙度系數的研究[C]//地下工程經驗交流會論文選集,1982:355360.

　　作者：齊豫，鄧華鋒，李冠野，熊雨，李濤