摘要：巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度的量化表征一直是巖土工程領(lǐng)域關(guān)注的焦點問題。在以往表征方法基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)面三維形貌特征掃描分析，綜合考慮結(jié)構(gòu)面的層次結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，采用面積擴(kuò)展率表征結(jié)構(gòu)面次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)，并分析建立了結(jié)構(gòu)面三維粗糙度系數(shù)與形貌參數(shù)的相關(guān)關(guān)系。驗證分析表明，論文提出的結(jié)構(gòu)面三維粗糙度表征方法可以較好的兼顧結(jié)構(gòu)面一級波狀起伏結(jié)構(gòu)特征和次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)的影響，計算得到的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度與試驗值吻合較好。相關(guān)研究結(jié)果可為結(jié)構(gòu)面粗糙度量化分析及抗剪性能估算提供較好的借鑒。

　　關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)面;層次結(jié)構(gòu);形貌參數(shù);粗糙度系數(shù);抗剪強(qiáng)度

　　1研究背景

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

　　N.Barton[4提出了采用粗糙度系數(shù)(JRC)來表征結(jié)構(gòu)面的粗糙度，并總結(jié)了十條典型結(jié)構(gòu)面輪廓線，通過比較標(biāo)準(zhǔn)輪廓線與實際輪廓線來評估JRC值，同時提出了估算結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的JRCJCS模型。該模型在工程實踐中被廣泛應(yīng)用，但該方法在確定結(jié)構(gòu)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(xué)者在結(jié)構(gòu)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(shù)表征方法，Tse和D.M.Cruden提出利用統(tǒng)計學(xué)方法對結(jié)構(gòu)面形態(tài)進(jìn)行描述，分別建立了結(jié)構(gòu)面輪廓均方根和結(jié)構(gòu)函數(shù)SF與JRC的回歸關(guān)系，由此參數(shù)來估算結(jié)構(gòu)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(jīng)驗關(guān)系式;Carr和Warriner提出用分形維數(shù)來描述結(jié)構(gòu)面粗糙度，并建立了分維與JRC的關(guān)系;隨后謝和平、曹平10、游志誠11等也進(jìn)一步研究了分維與結(jié)構(gòu)面粗糙度，并建立了經(jīng)驗關(guān)系式。

　　由于二維分形不能很好的表示結(jié)構(gòu)面粗糙特征，尹紅梅12提出利用三維分形估算結(jié)構(gòu)面粗糙度，并建立了結(jié)構(gòu)面粗糙度與分形維數(shù)的關(guān)系;陳世江3]提出了改進(jìn)的投影覆蓋分形描述法估算巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度。葛云峰14采用光亮面積百分比來表征巖體結(jié)構(gòu)面三維粗糙度系數(shù)，建立了JRC3D與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面形貌特征的復(fù)雜性，單個參數(shù)無法準(zhǔn)確表征結(jié)構(gòu)面粗糙度特征15。

　　為此，文獻(xiàn)16根據(jù)結(jié)構(gòu)面的形貌特征，提出了結(jié)構(gòu)面的層次結(jié)構(gòu)，認(rèn)為是由一級波狀起伏結(jié)構(gòu)和次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)所構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上，有的學(xué)者提出采用多個形貌參數(shù)綜合表征結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)。

　　由于結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性，二維線參數(shù)無法準(zhǔn)確表征結(jié)構(gòu)面三維形貌特征，因此，有的學(xué)者也嘗試采用三維多參數(shù)進(jìn)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(jié)理三維形貌特征的參數(shù);宋磊博等[20]提出了描述結(jié)構(gòu)面形貌特征的三維抗剪系數(shù)，可考慮結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面起伏度與面積擴(kuò)展率來表征結(jié)構(gòu)面的粗糙度。這些多參數(shù)綜合表征方法為準(zhǔn)確量化結(jié)構(gòu)面粗糙度提供了很好的思路，但還存在一些不足，例如文獻(xiàn)20表征結(jié)構(gòu)面形貌特征時考慮了結(jié)構(gòu)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(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)的影響。

　　結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)面有著相同的起伏角和起伏幅度，但是由于結(jié)構(gòu)面存在次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致剪切作用過程中結(jié)構(gòu)面的摩擦性增大;文獻(xiàn)21采用結(jié)構(gòu)面起伏度和面積擴(kuò)展率表征結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)面有著相同的起伏幅度，但是起伏角的差別也會影響結(jié)構(gòu)面的抗剪性能。

　　總體而言，這些研究成果為結(jié)構(gòu)面粗糙度量化分析奠定了較好的基礎(chǔ)，但是在從三維角度去表征結(jié)構(gòu)面粗糙度時，還沒有很好兼顧結(jié)構(gòu)面的一級波狀起伏結(jié)構(gòu)特征和次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)的影響�；�于��，在以往研究基礎(chǔ)上，本文擬綜合考慮結(jié)構(gòu)面的層次結(jié)構(gòu)及其特征，采用多參數(shù)分別表征結(jié)構(gòu)面的一起波狀起伏結(jié)構(gòu)和次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)，并分析建立相關(guān)形貌參數(shù)和結(jié)構(gòu)面三維粗糙度的相關(guān)關(guān)系。

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

　　在表征結(jié)構(gòu)面一級波狀起伏結(jié)構(gòu)時，一些學(xué)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(jié)構(gòu)面的整體的高度特征，平均起伏角能很好的反映結(jié)構(gòu)面整體的坡度特征，但是單獨(dú)采用起伏角或起伏幅度表征大起伏度只能反映結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面一級波狀起伏結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)面微觀形貌特征表征時，有的學(xué)者從二維角度提出采用伸長率來表征次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)面的小起伏變化特征�；�于此，本文擬將二維的伸長率拓展到三維的面積擴(kuò)展率，以描述結(jié)構(gòu)面的次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)。

　　15個試樣的起伏角、起伏幅度和面積擴(kuò)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(xiàn)類似的變化規(guī)律，說明單一的參數(shù)無法準(zhǔn)確的表征結(jié)構(gòu)面的一級波狀起伏結(jié)構(gòu)，而綜合采用起伏幅度和起伏角可以達(dá)到較好的表征效果;另一方面，面積擴(kuò)展率對試樣JRC值也存在類似的影響規(guī)律，說明面積擴(kuò)展率可以較好的描述結(jié)構(gòu)面的次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)。綜上分析可見，本文提出的結(jié)構(gòu)面三維粗糙度表征方法可以較好的兼顧結(jié)構(gòu)面一級波狀起伏結(jié)構(gòu)特征和次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)的影響。

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　　4結(jié)論

　　(1)巖體結(jié)構(gòu)面形態(tài)具有明顯的層次結(jié)構(gòu)，可以分為一級波狀起伏結(jié)構(gòu)和次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)，二者對結(jié)構(gòu)面的抗剪性能均存在顯著的影響，在結(jié)構(gòu)面粗糙度量化分析時應(yīng)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(jié)構(gòu)，采用面積擴(kuò)展率表征結(jié)構(gòu)面次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)，分析建立了結(jié)構(gòu)面JRC值的三維表征經(jīng)驗公式，驗證分析表明，計算結(jié)果與試驗值吻合較好。(3)本文選取的三個參數(shù)可以較好的表征結(jié)構(gòu)面的一級波狀起伏結(jié)構(gòu)和次級細(xì)微粗糙結(jié)構(gòu)，而且這三個參數(shù)通過結(jié)構(gòu)面掃描可直接獲取，測量快速方便，可為結(jié)構(gòu)面粗糙度的量化表征和節(jié)理巖體抗剪性能分析提供較好的參考。

　　參考文獻(xiàn)(References)：

　　[1]夏才初,孫宗頎.工程巖體節(jié)理力學(xué)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2002:1−22.

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

　　[3]趙堅.巖石節(jié)理剪切強(qiáng)度的JRCJMC新模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)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(jié)理粗糙度系數(shù)的研究[C]//地下工程經(jīng)驗交流會論文選集,1982:355360.

　　作者：齊豫，鄧華鋒，李冠野，熊雨，李濤