岩体结构面粗糙度3D精细识别、剪切破坏机理及工程应用研究

岩体结构面粗糙度（JRC）具有各向异性、非均一性和尺寸效应，其对结构面抗剪强度有重要的影响。课题拟采用非接触光栅投影照相三维测量系统(3DSS)和图像分析方法，从结构面三维粗糙度的精细识别入手，建立结构面粗糙度的局部和整体评判准则；针对结构面粗糙度对力学参数的影响，从模型试验和数值试验的角度，对结构面起伏角、起伏差、起伏体形状、起伏体强度及充填物质的情况进行模型构建、室内试验和数值试验研究，从不同剪切方向和不同接触面积的角度研究结构面粗糙度对抗剪强度力学效应的影响，建立结构面多向抗剪强度与三维粗糙度之间的联系；最后，以坝基岩体结构面的粗糙度为研究对象，将考虑三维粗糙度的抗剪强度应用到具体的工程中。本课题的研究不仅是研究结构面抗剪强度的基础，而且是确保工程稳定和节约工程造价的重要依据，同时将促进人们对于结构面粗糙度对抗剪强度参数影响的认识，推动考虑结构面粗糙度的抗剪强度理论的发展和完善。

课题采用了非接触光栅投影照相三维测量系统，从结构面三维粗糙度的精细识别入手，建立了结构面粗糙度的局部和整体评判准则；针对结构面粗糙度对力学参数的影响，从模型试验和数值试验的角度，对结构面起伏角、起伏差、起伏体形状及充填物质的情况进行模型构建、室内试验和数值试验研究，从不同剪切方向和不同接触面积的角度研究了结构面粗糙度对抗剪强度力学效应的影响，建立了结构面多向抗剪强度与三维粗糙度之间的联系；主要工作如下：1）研究了不同起伏角和不同起伏差结构面试样在不同剪切方向和不同法向应力下的抗剪强度力学效应；提出并实现了基于非接触光栅投影照相三维测量系统(3DSS)和图像分析方法的结构面粗糙度识别方法，研究了真三维结构面母样和子样在不同剪切方向和不同法向应力下的抗剪强度力学效应；同时，还研究了不同法向应力和不同剪切方向下标准结构面模型，假三维结构面模型和真三维结构面模型的剪切强度特征，并对其破坏机理进行了分析。2)对不同尺寸不同起伏角结构面试样进行不同法向应力下的直剪试验，得到抗剪强度变化曲线及不同情况下的峰值抗剪强度，对数据进行深入分析，得出结构面抗剪强度与法向应力、起伏角、结构面尺寸之间的关系，同时得出结构面综合抗剪强度参数随结构面起伏角和尺寸的变化情况，并提出表征单元面REA的概念，对试样表征单元面REA进行确定。3）通过室内试验和数值模拟两种方法对含有充填物结构面的表面形态及力学性质进行研究，在研究三维粗糙度的基础上研究了包括法向应力、起伏角度、充填物种类和厚度在内的多项因素对结构面强度及变形的影响。采用钢制模具和混凝土材料预制不同起伏度的结构面模型，分别在五级法向应力下进行剪切试验并记录绘制剪切位移曲线及切向应力-法向应力曲线。通过该面积表征三维粗糙度，利用混凝土复制不同粗糙度的子样若干并开展进行剪切试验，得到按照面积变化的试样的剪切位移曲线及切向应力-法向应力曲线。通过对不同法向应力下含充填物及不含充填物结构面剪切试验的数值模拟得到了与室内试验相似的变化规律，从而验证了室内试验得到的法向应力、起伏角度、充填物等相关因素对结构面强度的影响比较合理，同时反映了预制粗糙结构面的破坏规律。