1. 研究目的与意义（文献综述）

天然岩体是由包含软弱结构面的各类岩石组成的多裂隙体，是在漫长的地质运动历史中形成的，具有一定的结构和构造。这些结构面的存在严重影响了工程岩体的强度，许多工程岩体的失稳都与软弱结构面的破坏有关。然而结构面形态各异，结构复杂，且有很大的随机性，因此，结构面的剪切力学行为及其各项异性特性的分析一直是国内外岩土专家的研究热点问题。

barton最早用节理粗糙度系数jrc来描述不同结构面的表面形态，并在1977年提出了10条结构面标准jrc轮廓曲线，得到国内外岩土学界的认可和推广，但根据pedro和hsiung的研究发现这种方法过于片面，主观因素很强。因此，学者们开始试图克服主观因素影响，寻找定量描述jrc指标的方法。统计参数法定量描述jrc指标的先行者是cruden等，他们提出用结构面表面轮廓均方根和结构函数sf来估算jrc值，并给出了二者与jrc值的拟合关系式。随后soudanii和maerz等提出了结构面粗糙度指数，用以表征结构面的形态特征，并给出了和jrc值的拟合关系式。lee s d和lee c i充分考虑取样长度对各统计参数的影响，通过分析3d打印制作的结构面，给出了粗糙度指数，平均微角的均方根,的标准方差与jrc值的回归关系。近年来，tatone和grasselli以及夏初才等学者提出了统计函数，并建立了其峰值剪切强度公式。这些统计学方法得出的结论往往受仪器精准度和采样间隔的影响，也就是统计参数的间隔效应的影响。研究表明，在不同采样间隔下，即使用同一类型的函数进行拟合，其拟合公式也有差异。

岩石结构面的各向异性一直是国内外学者研究的一个重点方向，近年来国内外不少学者都对该性质进行了研究。杜时贵和唐辉明利用了统计学的原理，对不同方向2180条结构面的粗糙度系数的测量值进行了统计分析，阐述了断层与节理的jrc值各向异性规律；王金安和谢和平运用投影覆盖法测量了结构面四个方向的剖面形貌特征，并运用尺码法计算了剖面线的分形维数，并以此来研究岩石断裂面粗糙度的各向异性；运用分行维数来描述结构面的各向异性特征的还有yang z y；roko r o 和daemen j j k 等人运用最新的变差函数对结构面粗糙度的各向异性进行研究；任青文等运用小波分析理论，定性研究了结构面剖面线粗糙度参数的各向异性规律；zhou h w等将累计功率谱密度指数引入结构面表面形貌研究中，并阐述了岩石结构面表面形貌大小尺度的起伏，并进一步定量的描述了结构面表面各向异性规律。以上学者的研究主要基于结构面的2d剖面，这是具有局限性的，因为对某一个或少数几个剖面的2d剖面线的描述，不能反应整个结构面的形貌特征。

2. 研究的基本内容与方案

1. 基本内容：岩体与一般介质的重大差别就在于它是由结构面纵横切割而成的具有一定结构的多裂隙体，并且结构面具有各向异性属性，不仅影响岩体强度的各向异性，也对工程岩体失稳（如边坡失稳、隧道内块体稳定）起控制作用。对岩石自然结构面进行仪器测试和点云数据分析，开展含自然结构面试样的直剪试验，从几何形貌、强度特征、剪切损伤等角度分析研究自然结构面的剪切破坏特性及剪切破坏机制。

   研究目标：通过扫描分析3组岩石结构面数据，借助结构面各向异性系数dac对岩石结构面各向异性进行定量分析；制作结构面并进行剪切试验以研究。

   拟采用技术方案及措施：借助三维光学面扫描系统扫描测试岩石结构面各向异性特征，获取不同采样间隔的结构面点云数据，分析统计参数随着采样间隔变化的规律，通过geomagic 技术和matlab 技术对岩石结构面形貌特征进行定量分析；剪切方面，从结构面剪切过程出发，抓住剪切方向上结构面形貌的起伏特征（用沿剪切方向上的倾角来描述结构面起伏特征信息）、起伏的统计分布特征（选用正态分布来刻画）、高度特征（取起伏与高度参数的乘积来反映两者对剪切过程的影响）。

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   3. 研究计划与安排

   第1-3周：检索和学习相关文献，明确研究内容，制定方案，完成开题报告和相应的外文翻译。

   第4-5周：熟悉相关仪器和试验设备操作方法。

   第6-8周：进行岩石结构面表面形貌特征的3d扫描分析和数据处理，基于3d结构面虚拟模型和3d打印技术，制作含自然结构面的3d模具。

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   4. 参考文献（12篇以上）

   1. 参考文献：[1] Quan Jiang, Xiating Feng, Yanhua Gong, et al. Reverse modelling of natural rock joints using 3D scanning and 3D printing. Computers and Geotechnics, 2016, 73: 210–220 [2]Quan Jiang, Jie Cui, Xia-ting Feng, et al. Demonstration of spatial anisotropic deformation properties for jointed rock mass by an analytical deformation tensor. Computers and Geotechnics 88 (2017) 111–128. [3] Jiang Q, Feng XT, ·Song LB, et al. Modeling rock specimens through 3D printing: Tentative experiments and prospects. Acta Mechanica Sinica, 2016, 32(1), 101-111. [4]David D. Pollard, Atilla Aydin. Progress in understanding jointing over the past century[J]. Geological Society of America Bulletin, August, 1988, v. 100, 8: 1181-1204. [5]谷德振,岩体工程地质力学基础[M],北京:科学出版社,1979. [6]夏才初，孙宗欣,工程岩体节理力学[M],上海:同济大学出版社,2002. (XIA Caichu，SUN Zongqi．Mechanics of rock mass joints[M]．Shanghai：Tongji University Press，2002 ) [7]杜时贵，唐辉明. 岩体断裂粗糙度系数的各向异性研究[J], 工程地质学报，1993,1(2):32–41. [8]Carr J.R.amp; Warriner J.B., Rock mass classification using fractal dimension.28tn US Symp. on Rock Mech, Tue son,1987. [9]XIE H P，WANG J A. Direct fractal measurement of fracture surfaces[J], International Journal of Solids and Structures ,1999,36(20):3073-3084. [10]YANG Z Y, DI C C, LO S C. Two-dimensional hurst index of joint surfaces[J], Rock Mechanics and Rock Engineering,2001,34(4):323–345. [11]王金安, 谢和平. 岩石断裂面的各向异性分形和多重分形研究 [J], 岩土工程学报,1998, 20(6): 16-21.(Wang Jin an XieHeping. On anisotropic fractal and multi fractal properties of rock fracture surfaces[J], Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1998, 20(6): 16-21.) [12]BAKER B R, GESSNER K, HOLDEN E J, et al. Automatic detection of anisotropic features on rock surfaces [J], Geosphere, 2008, 4(2): 418-428. [13]ROKO R O, DAEMEN J J K, MYERS D E. Variogram characterization of joint surface morphology and asperity deformation during shearing [J], International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1997, 34(1): 71-84. [14]ZHOU H W, XIE H. Anisotropic characterization of rock fracture surfaces subjected to profile analysis [J], Physics Letters A, 2004, 325(5-6): 355-362. [15]TATONE B S A, GRASSELLI G. A new 2D discontinuity roughness parameter and its correlation with JRC [J], International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2010, 47(8): 1391-1400. [16]陈世江，朱万成，刘树新，等. 岩体结构面粗糙度各向异性特征及尺寸效应分析[J], 岩石力学与工程学报,2015,35(1):58–65. [17]Kulatilake P H S W, Balasingam P, Park Jinyong, Morgn R. Nature rock joint roughness quantification through fractal techniques [J], Geotechnical and Geological Engineering, 2006,24: 1181-1202. [18]GRASSELLI G, WIRTHC J, EGGERB P. Quantitative three-dimensional description of a rough surface and parameter evolution with shearing [J]. International Journal of Rock Mechanics amp; Mining Sciences, 2002, 39(6): 789-800. [19]NASSERI M H B, GRASSELLI G, MOHANTY B. Fracture toughness and fracture roughness in anisotropic granitic rocks [J], Rock Mechanics and Rock Engineering, 2010,43(4): 403-415. [20]Parton, F.D.. Multiple mode of shear failure in rock [C]//Proceedings of the 1st ISRM Congress. Lisbon, Portugal: [s.n.], 1966: 509–513. [21]Riss J, Gentier S, Archambault G, Flamand R. Sheared rock joints: dependence of damage zones on morphological anisotropy[J], Int J Rock Mech Min Sci, 1997, 34:537. [22]何满潮, 胡江春, 王红芳. 岩石表面形态的各向异性及其摩擦特性研究 [J], 采矿与安全工程学报, 2006, 23(2):151.154. [23]游志诚，王亮清，杨艳霞，等.基于三维激光扫描技术的结构面抗剪强度参数各向异性研究[J], 岩石力学与工程学报，2014，增(1)：3003–3008 [24]Serrano A, Olalla C. Ultimate bearing capacity of an anisotropic discontinuous rock mass Part I: Basic modes of failure [J], International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1998, 35(3): 301-324. [25]Bo Li, Yujing Jiang, TateruMizokami, et al. Anisotropic shear behavior of closely jointed rock masses[J], International Journal of Rock Mechanics amp; Mining Sciences, 2014 (71) :258–271. [26]谢忠球, 温佩琳, 丁科. 高边坡岩体结构面各向异性检测与稳定性分析[J], 中南大学学报(自然科学版), 2006(37):160-164. [27]师文豪，杨天鸿，王培涛, 等. 露天矿边坡岩体稳定性各向异性分析方法及工程应用[J], 岩土工程学报, 2014(36):1924-1933.

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