岩体结构面在很大程度上控制着工程岩体的变形、强度及稳定性,而结构面粗糙度是其力学性质的重要影响因素。因此,岩体结构面粗糙度的研究一直备受该领域学者的高度关注。因岩体结构面形貌的复杂性,目前的表征方法仍不能准确的对其进行描述,尤其是三维结构面粗糙度各向异性和尺寸效应等方面,尚缺乏有效的表征方法。鉴于此,本文基于数字图像处理技术进行节理面形貌特征的获取,开展岩体结构面粗糙度的多重分形描述,提出基于变异函数分析的岩体结构面粗糙度各向异性的三维表征方法,并探讨结构面各向异性与尺寸效应的相互影响关系,最后建立考虑结构面粗糙度各向异性特征的剪切强度模型。该项研究对刻画岩体结构面力学特性具有重要理论意义与实际工程应用价值。研究工作总结如下：(1)基于数字图像处理技术的岩石节理粗糙度分形描述：基于数字图像处理技术获取节理面的形貌特征,应用分形几何理论对数字化的十条标准轮廓线进行分形维数计算,考虑节理形态的层次性,提出用分形维数D和起伏度A两个指标表征节理轮廓线粗糙度JRC的新方法；同时,在应用数字图像处理技术获取类岩体结构面的三维粗糙度信息的基础上,采用多重分形理论计算结构面的多重分形参数,结合Barton节理峰值抗剪强度模型,给出用多重分形参数△a(q)和△D(q))表征JRC3D的估算公式,为岩体结构面三维粗糙度评估提供新的方法。(2)基于变异函数分析的三维结构面粗糙度各向异性表征：首先通过分析变异函数参数物理含义,应用量纲分析法,提出用含有变程和基台的综合指标SRv表征结构面粗糙度各向异性特征的新方法,并通过在VC++平台上开发计算程序,来分析人造试件结构面粗糙度的各向异性特征。(3)基于变异函数分析的三维岩体单裂隙开度各向异性特征研究：鉴于变异函数参数(变程和基台)的物理含义,提出用变异函数参数表征单裂隙等效开度的方法,并推导粗糙特征符合二级球状模型的结构面等效开度的计算公式；然后应用该方法在VC++平台上开发裂隙开度计算程序,通过实例分析结构面间开度的各向异性特征。(4)基于各向异性特征的三维岩体结构面粗糙度尺寸效应分析：首先将被研究结构面按照不同区域划分为大小不同的几组结构面；然后采用结构面粗糙度指标SRv,分别计算不同结构面不同方向的SRv值；以此为基础,分析每组结构面粗糙度随尺寸大小变化的发展趋势,揭示结构面粗糙度指标SRv的尺度效应,为将该指标应用于工程尺度的岩体结构面各向异性特征的表征奠定基础。(5)考虑三维岩体结构面各向异性特征的剪切强度模型研究：提出用各向异性指标SRv和起伏度指标A评估结构面粗糙度的新方法；然后通过研究十条标准轮廓线,拟合出JRC与SRv和4的关系；最后以Barton剪切强度模型为基础,提出基于各向异性特征的三维岩体结构面剪切强度模型,并通过直剪试验来验证新模型的正确性。