考虑层次结构的岩体结构面三维粗糙度表征方法研究

　　摘要：岩体结构面粗糙度的量化表征一直是岩土工程领域关注的焦点问题。在以往表征方法基础上，结合结构面三维形貌特征扫描分析，综合考虑结构面的层次结构特征，提出采用平均起伏角和平均相对起伏幅度表征一级波状起伏结构，采用面积扩展率表征结构面次级细微粗糙结构，并分析建立了结构面三维粗糙度系数与形貌参数的相关关系。验证分析表明，论文提出的结构面三维粗糙度表征方法可以较好的兼顾结构面一级波状起伏结构特征和次级细微粗糙结构的影响，计算得到的结构面抗剪强度与试验值吻合较好。相关研究结果可为结构面粗糙度量化分析及抗剪性能估算提供较好的借鉴。

　　关键词：结构面;层次结构;形貌参数;粗糙度系数;抗剪强度

　　1研究背景

　　自然界的岩体往往存在大量的节理、裂隙等结构面，结构面的存在往往会影响岩体的剪切力学特性。以往的研究表明，影响节理岩体抗剪性能的因素很多，主要包括岩桥尺寸及强度、风化程度、填充情况、含水情况、结构面粗糙度及吻合度等。其中，对硬质无充填结构面，粗糙度是影响其力学特性的主要因素之一。

　　N.Barton[4提出了采用粗糙度系数(JRC)来表征结构面的粗糙度，并总结了十条典型结构面轮廓线，通过比较标准轮廓线与实际轮廓线来评估JRC值，同时提出了估算结构面抗剪强度的JRCJCS模型。该模型在工程实践中被广泛应用，但该方法在确定结构面JRC时还不能完全定量化，为了消除人为主观性的影响，许多学者在结构面粗糙度量化表征方面开展了大量的研究并取得了丰硕的成果。

　　常用的是单参数表征方法，Tse和D.M.Cruden提出利用统计学方法对结构面形态进行描述，分别建立了结构面轮廓均方根和结构函数SF与JRC的回归关系，由此参数来估算结构面JRC值;王岐7]提出采用伸长率来估算JRC值，建立了伸长率与JRC的经验关系式;Carr和Warriner提出用分形维数来描述结构面粗糙度，并建立了分维与JRC的关系;随后谢和平、曹平10、游志诚11等也进一步研究了分维与结构面粗糙度，并建立了经验关系式。

　　由于二维分形不能很好的表示结构面粗糙特征，尹红梅12提出利用三维分形估算结构面粗糙度，并建立了结构面粗糙度与分形维数的关系;陈世江3]提出了改进的投影覆盖分形描述法估算岩体结构面粗糙度。葛云峰14采用光亮面积百分比来表征岩体结构面三维粗糙度系数，建立了JRC3D与结构面的光亮面积百分比之间的估算公式。然而，实践分析表明，由于结构面形貌特征的复杂性，单个参数无法准确表征结构面粗糙度特征15。

　　为此，文献16根据结构面的形貌特征，提出了结构面的层次结构，认为是由一级波状起伏结构和次级细微粗糙结构所构成。在此基础上，有的学者提出采用多个形貌参数综合表征结构面粗糙度，如李化等[17]、陈世江等[18]提出利用相对起伏幅度和伸长率共同反映结构面粗糙度系数。

　　由于结构面的复杂性，二维线参数无法准确表征结构面三维形貌特征，因此，有的学者也尝试采用三维多参数进行表征，如唐志成[19]选用有效三维平均倾角、最大可能接触面积比作为表征节理三维形貌特征的参数;宋磊博等[20]提出了描述结构面形貌特征的三维抗剪系数，可考虑结构面起伏特征、高度特征等形貌特征;石林等[21]将二维的相对起伏度和伸长率拓展至三维，采用结构面起伏度与面积扩展率来表征结构面的粗糙度。这些多参数综合表征方法为准确量化结构面粗糙度提供了很好的思路，但还存在一些不足，例如文献20表征结构面形貌特征时考虑了结构面的起伏角、起伏高度以及起伏角分布特征，但忽略了次级细微粗糙结构的影响。

　　结构面与结构面有着相同的起伏角和起伏幅度，但是由于结构面存在次级细微粗糙结构，会导致剪切作用过程中结构面的摩擦性增大;文献21采用结构面起伏度和面积扩展率表征结构面的粗糙特征，但是忽略了起伏角在剪切作用过程中的影响，结构面和结构面有着相同的起伏幅度，但是起伏角的差别也会影响结构面的抗剪性能。

　　总体而言，这些研究成果为结构面粗糙度量化分析奠定了较好的基础，但是在从三维角度去表征结构面粗糙度时，还没有很好兼顾结构面的一级波状起伏结构特征和次级细微粗糙结构的影响。基于此，在以往研究基础上，本文拟综合考虑结构面的层次结构及其特征，采用多参数分别表征结构面的一起波状起伏结构和次级细微粗糙结构，并分析建立相关形貌参数和结构面三维粗糙度的相关关系。

　　结构面三维粗糙度综合表征方法在结构面剪切过程中，一级波状起伏结构和次级细微粗糙结构分别表现出明显不同的影响效应。根据文献22中的剪切破坏特征分析，在低法向应力下，结构面沿凸起体斜面向上滑动，主要表现为爬坡效应，次级细微粗糙结构的存在会增大凸起体斜面的摩擦效应，此时一级波状起伏结构和次级细微粗糙结构共同影响结构面的抗剪性能;在高法向应力下，结构面咬合效应显著，凸起体被剪断，主要表现为切齿效应，此时一级波状起伏结构对结构面抗剪强度起着重要影响。

　　在表征结构面一级波状起伏结构时，一些学者提出了起伏幅度表征法[23]、平均起伏角表征法24以及起伏幅度与起伏角综合表征法25，其中，平均起伏幅度能很好的反映结构面的整体的高度特征，平均起伏角能很好的反映结构面整体的坡度特征，但是单独采用起伏角或起伏幅度表征大起伏度只能反映结构面的某一特征，因此，本文拟采用起伏幅度和起伏角来综合表征结构面一级波状起伏结构。在结构面微观形貌特征表征时，有的学者从二维角度提出采用伸长率来表征次级细微粗糙结构，伸长率定义为剖面轮廓线全迹长与线迹长的比值，能很好的考虑到结构面的小起伏变化特征。基于此，本文拟将二维的伸长率拓展到三维的面积扩展率，以描述结构面的次级细微粗糙结构。

　　15个试样的起伏角、起伏幅度和面积扩展率存在明显的差别，比较而言，一方面，在起伏角相近的情况下，随着起伏幅度的增大，JRC值明显增大，同理，在起伏幅度相近的情况下，随着起伏角的变化，JRC值也呈现类似的变化规律，说明单一的参数无法准确的表征结构面的一级波状起伏结构，而综合采用起伏幅度和起伏角可以达到较好的表征效果;另一方面，面积扩展率对试样JRC值也存在类似的影响规律，说明面积扩展率可以较好的描述结构面的次级细微粗糙结构。综上分析可见，本文提出的结构面三维粗糙度表征方法可以较好的兼顾结构面一级波状起伏结构特征和次级细微粗糙结构的影响。

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　　4结论

　　(1)岩体结构面形态具有明显的层次结构，可以分为一级波状起伏结构和次级细微粗糙结构，二者对结构面的抗剪性能均存在显著的影响，在结构面粗糙度量化分析时应兼顾考虑。 (2)采用平均起伏角和平均相对起伏幅度表征一级波状起伏结构，采用面积扩展率表征结构面次级细微粗糙结构，分析建立了结构面JRC值的三维表征经验公式，验证分析表明，计算结果与试验值吻合较好。(3)本文选取的三个参数可以较好的表征结构面的一级波状起伏结构和次级细微粗糙结构，而且这三个参数通过结构面扫描可直接获取，测量快速方便，可为结构面粗糙度的量化表征和节理岩体抗剪性能分析提供较好的参考。

　　参考文献(References)：

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　　[2]许江,雷娇,刘义鑫等.充填物性质影响结构面剪切特性试验研究[J].岩土力学,2019,40(11):41294137

　　[3]赵坚.岩石节理剪切强度的JRCJMC新模型[J].岩石力学与工程学报,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.用伸长率确定岩石节理粗糙度系数的研究[C]//地下工程经验交流会论文选集,1982:355360.

　　作者：齐豫，邓华锋，李冠野，熊雨，李涛