天然岩体常包括节理、裂隙、断层、软弱夹层等各种不连续面，这些不连续结构面的力学特征很大程度上影响了岩体的力学特性。不连续面的剪切行为控制了裂隙岩体的变形与破坏情况。所以节理力学特性的研究是岩体力学中的重点。实验室中，通常是沿结构面潜在滑移方向进行剪切试验，或者利用经验法估算结构面力学性质指标。而实际工程中，岩体存在潜在滑移方向是变化的，而这个方向的改变是由结构面所处的工程部位决定的，工程部位不同，潜在滑动面方向不同。因此，全方位研究结构面强度特征显得非常重要。影响结构面抗剪强度特征的重要因素之一是结构面的表面起伏形态，用粗糙度系数JRC来表示。结构面粗糙度和抗剪强度的各向异性又是紧密联系的，在一定的应力环境下，结构面粗糙度各向异性决定了其抗剪强度各向异性。结构面粗糙度和抗剪强度各向异性研究对于工程岩体的力学、变形特性和稳定性分析具有重要意义。　　 描述岩体结构面表面形态的参数为粗糙度系数JRC。目前定量评价粗糙度系数JRC的方法主要有与巴顿的经典轮廓线对比法，数学统计参数法以及分形几何法。分形几何中的自仿射图形被认为具有反应岩石结构面表面轮廓线的特点，可以描述岩石结构面表面粗糙特征。分形维数是对分形体“几何不规则程度”或许多自然现象“紊乱度”的描述。一般来说，形状或分布越不规整，分形维数就越大，相应的岩体结构面表面也就越粗糙。　　 岩体结构面表面形貌数据的测量方法有直接接触式测量法和非接触式测量法。接触式测量法包括轮廓曲线仪和粗糙度尺，非接触式测量法光干涉仪法、三维激光表面测量仪法。三维激光扫描仪技术是一种先进的高精度立体扫描技术。它以一定网格密度向目标物体发射激光，通过测量激光发射到接收所用的时间，计算得出所测物体上各点的三维坐标数据。通过三维形貌扫描可以采集到精确的结构面表面高程数据坐标点。　　 岩体结构面抗剪强度参数的确定有很多方法，比如室内外试验法、工程类比法、经验公式法、理论抗剪强度公式法、人工神经网络法、遗传算法、反演法以及数值模拟试验法。每种方法都有它的优缺点。计算机技术在不断更新，同时更多的数值软件开发出来，数值计算方法也得到了发展，在岩土工程的数值模拟中广泛的应用了诸如Ansys，Udec，3Dec，Flac3D等数值模拟软件。数值模拟岩石结构面直剪试验法是一种估计岩体结构面抗剪强度的低成本技术，并成为当前沿途领域研究的热点。且在直剪试验室内实验中，通常只能沿结构面某一个方向发生剪切滑动，即所谓的潜在滑动面。然而采用数值模拟试验可以沿结构面各个方向，模拟结构面发生滑动时的剪切行为。　　 本文以贵州省鱼简河水库拱坝地基岩体为研究对象，通过现场取样，获取三种类型的岩石结构面，分别为泥质自云岩结构面、白云岩结构面、白云岩与泥质白云岩结构面，利用分形几何对岩石结构面粗糙度进行评价，结合室内结构面直剪试验，为数值模拟试验提供模型和参数，并对粗糙度具有方向性的岩石结构面进行直剪数值模拟研究。本文选用岩土数值分析软件3DEC模拟研究在岩石结构面粗糙度各向异性的情况下，岩石结构面的抗剪强度的变化特征。本文研究内容和主要结论如下:　　 (1)对研究区岩块样品进行了基本的物理力学性质参数测试，获取的物理参数包括岩块的密度、体积、吸水率、孔隙率以及波速;力学参数包括岩块的单轴抗压强度、弹性模量、变形模量、泊松比等;　　 (2)通过ILRIS-36D型三维激光扫描仪采集不同类型结构面的表面形态三维坐标点云，在Geomagic Studio软件中对点云数据去噪处理，并在正向建模软件surfer中重建了三种类型的结构面表面三维模型。对扫描之后三种类型的结构面在室内开展直剪试验，获取了不同结构面的抗剪强度参数包括粘结力以及内摩擦角等。　　 (3)利用分形几何法对结构面轮廓曲线进行描述，在Matlab中实现程序设计，计算结构面轮廓曲线的分形维数D值。分形维数D越大，结构面越粗糙。在数字化Barton的十条经典剖面线后，建立了分形维数与JRC之间的关系式:JRC=287.76*(D-1)2+126.9*(D-1)。利用该关系式，计算出相应的节理表面粗糙度系数(JRC)。分析了三种结构面粗糙度系数各向异性规律，从统计平均值分析，白云岩结构面粗糙度最小，但有明显的方向性，泥质白云岩和白云岩粗糙度无明显的方向性。粗糙度的方向性与岩石结构面的性质有关。　　 (4)根据室内岩块实验和结构面直剪实验提供的物理力学参数，结合结构面轮廓线的粗糙度定量评价结果，在离散元数值模拟软件3DEC中建立了三种类型结构面的数值直剪试验模型。首先模拟室内直剪实验沿同一剪切方向的剪切滑移特征，得出三种结构面的峰值抗剪强度模拟值与实验值相比误差在可接受的范围内，验证模型了的可靠性;然后根据不同剪切方向粗糙度不同的特点，通过改变数值模型中的粗糙度参数开展相同法向应力下结构面直剪试验数值模拟研究，总结了不同粗糙度对抗剪强度的影响。最后模拟了不同类型结构面在粗糙度的抗剪强度参数变化情况。　　 从模拟结果可知，在不考虑其他因素的影响下，当法向应力水平一定时，粗糙度越大，峰值抗剪强度越大，但其影响范围有限。对于同种类型的结构面，粗糙度越大，剪切应力位移曲线峰值越明显，表现为粗糙度对抗剪强度的影响越大。随着法向应力水平的提高，粗糙度对结构面抗剪强度的影响逐渐减弱。抗剪强度参数随粗糙度的增大也会相应增大，主要受影响的为内摩擦角。白云岩结构面抗剪强度参数建议值:粘聚力范围值为0.303～0.436MPa，内摩擦角范围值为21.36～23.65°;泥质白云岩结构面抗剪强度参数建议值:粘聚力为范围为0.663～0.763MPa，摩擦角范围为19.04～22.14°;泥质白云岩与白云岩结构面抗剪强度参数建议值:粘聚力变化范围为0.365～0.54MPa，摩擦角变化范围26.93～27.6°。