岩石结构面粗糙度各向异性特征的尺寸效应
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Du, S. G., Du, K. Q., Yong, R., Ye, J., & Luo, Z. Y. (2021). Scale effect on the anisotropy characteristics of rock joint roughness. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 54(4), Article qjegh2020-066. https://doi.org/10.1144/qjegh2020-066● 岩石结构面粗糙度的尺寸效应：研究集中于岩石结构面粗糙度的各向异性和尺寸效应，这对于评估岩石结构面的力学行为至关重要。文章对不同尺寸剖面的结构面粗糙系数进行了统计分析，以探究结构面粗糙度的尺度依赖性。
● 局部与全局各向异性特征：通过极比变换方法研究了粗糙度各向异性的尺寸效应，将粗糙度各向异性划分为局部各向异性和全局各向异性。研究发现，当样本尺寸超过70厘米的稳定阈值长度时，全局各向异性趋于恒定。
● 全局各向异性的尺度依赖性：结果表明，全局各向异性具有尺度依赖性，这对于理解和预测大尺度岩石结构面的力学行为具有重要意义。
摘要：对岩石结构面粗糙度的各向异性和尺寸效应进行准确评估，对于评价岩石结构面的力学行为至关重要。然而，在以往的研究中，如何量化岩石结构面粗糙度的各向异性问题仍未得到充分解决，且关于粗糙度各向异性的尺寸效应的研究尚无定论。本研究执行了针对不同尺寸剖面的结构面粗糙系数的统计分析，以探索结构面粗糙度的尺度依赖性。基于极比变换方法，对粗糙度各向异性的尺寸效应进行了研究。结果表明，全局各向异性具有尺度依赖性，但对于局部各向异性而言，尺寸效应不太明显。案例研究表明，极比分析方法在岩石结构面粗糙度各向异性表征中具有重要价值。
背景：在实际工程中，岩石结构面的变形行为主要受结构面的特性（如方向、间隙、粗糙度、强度）控制。天然岩石结构面通常粗糙且不规则，且表面粗糙度表现出各向异性特征。粗糙度的各向异性对岩石结构面的各向异性剪切强度有显著影响。因此，准确表征粗糙度的各向异性对理解和预测结构面的力学行为非常重要。科学问题：尽管现有研究已对岩石结构面的粗糙度进行了大量探索，但如何量化粗糙度的各向异性以及其尺寸效应仍不明确。此外，表面粗糙度不仅因结构面而异，还随尺度变化，这对于粗糙度各向异性的准确表征提出了挑战。尽管一些研究提出了描述粗糙度各向异性的方法（例如极坐标图），但由于数学描述的困难，这些特性尚未得到量化。此外，结构面粗糙度的尺度依赖性及其在不同方向上的变化也未能得到系统的揭示。因此，本研究旨在通过大规模天然岩石结构面的研究来探索粗糙度各向异性的尺寸效应。
方法：基于大规模天然岩石结构面，采集了1916个不同位置、不同大小的2D轮廓线数据。通过统计分析不同尺寸剖面的结构面粗糙系数，研究了粗糙度的尺寸效应，并提出了极比分析方法来量化岩石结构面粗糙度的各向异性特征。
结果：研究发现，当样本尺寸超过70厘米的稳态阈值长度时，全局各向异性趋于恒定。结果表明全局各向异性具有尺度依赖性，但对于局部各向异性而言，尺寸效应不太明显。
结论：本研究提出的方法能有效量化岩石结构面的各向异性，并揭示了其尺寸效应。这对于理解和预测大尺度岩石结构面的力学行为具有重要意义，对工程实践中岩石结构面行为的理解和预测具有重要的实际应用价值。
图. (a)研究地点位置图；(b) Heshangnong采石场的卫星图；(c) 采样点的前视图。
图. 板岩断裂面上不同尺寸粗糙度样品的定向 JRC 值的极坐标图。█ 为什么研究岩石结构面的粗糙度和各向异性十分重要？ 岩石结构面的粗糙度和各向异性对于评估结构面的力学行为至关重要。由于天然岩石结构面通常是粗糙且不规则的，这些特性对结构面的剪切强度产生显著影响。正确表征粗糙度的各向异性有助于更准确地理解和预测岩石结构面在工程中的力学行为。
█ 目前在量化岩石结构面粗糙度各向异性方面存在哪些挑战？ 目前的挑战在于如何量化岩石结构面粗糙度的各向异性。传统的各向异性表征方法过于简化，无法系统地揭示不同方向的粗糙度变化。此外，还存在如何量化粗糙度在不同尺度上的变化（尺寸效应）的问题，这对于开展各向异性、尺寸效应耦合作用下结构面粗糙度性质的研究至关重要。 本研究通过在大规模天然岩石结构面测量1916个不同位置的2D轮廓线，进行了统计分析来研究结构面粗糙度的尺寸效应。研究提出了极比分析方法来量化岩石结构面粗糙度的各向异性。此外，通过计算局部各向异性和全局各向异性来评估粗糙度各向异性的尺寸效应，并讨论了粗糙度各向异性的尺度依赖性。
