天然岩石节理双阶粗糙度分形特征研究

为细化三维岩石节理粗糙度的表征、实现一阶大起伏及二阶小凸起的定量分离及量化,首先基于经典的三角棱镜法(triangular-prism method,TPM)将临界网格尺寸及临界波矢量确定为定量分离双阶粗糙度的界限参数。然后采用功率谱密度法(power spectrum density,PSD)分别计算双阶粗糙度表征参数,即一阶大起伏及二阶小凸起的分形维度及均方根粗糙度。以大尺寸天然花岗岩节理面为例计算并研究双阶分形参数的尺寸效应。结果表明:(1)TPM方法普遍适用于分离各尺寸节理面的双阶粗糙度,而临界网格尺寸及临界波矢量值则应视节理面尺寸范围而定;(2) 100 mm×100 mm到1 000 mm×1 000 mm范围内的各尺寸节理面的一阶大起伏和二阶小凸起均具有各自的分形维度及均方根粗糙度;(3)双阶分形维度均具有随机尺寸效应。随着节理面尺寸的增大,一阶大起伏的均方根粗糙度不断增大,二阶小凸起的均方根粗糙度则平稳变化,且一阶大起伏的均方根粗糙度显著大于二阶小凸起的均方根粗糙度。双阶粗糙度的细化表征有助于深入分析结构面剪切过程,为诸如滑移型岩爆等地质灾害的预警提供理论基础。