岩体自身含有诸如节理、断层、裂隙及薄弱层等结构面，其剪切力学行为与完整岩块差异显著且对岩体结构稳定性起重要作用[1-3]。由于风化、侵蚀等物理作用和岩壁间剪切错动影响而形成充填结构面，导致其剪切力学行为极为复杂[4-5]。因此，探究充填结构面的剪切力学特性对评价岩质边坡稳定性具有重要理论和现实意义。
充填厚度是决定充填结构面破坏模式和剪切力学行为的关键因素[6-7]。充填度（充填厚度与平均起伏差的比值）常用于表征结构面的充填状态[8]，国内外学者对不同充填度的结构面剪切试验进行了大量研究，发现当充填度小于1时，其抗剪强度主要受结构面形貌、充填物力学性质等共同作用[9-10]，破坏模式主要以剪损破坏为主[11]；当充填度大于1时，结构面抗剪强度主要受充填物力学性质的影响[12]，其剪切破坏以充填物与结构面接触部分破坏和充填物破坏两种形式为主[13-14]。随着充填度的增加，有学者发现当充填度达到某一临界值时，最大剪应力与法向应力的比值趋于定值[15-16]，并且临界充填度范围为1.0~2.0[17-20]。目前关于充填结构面临界充填度的研究以充填物破坏为主，而以充填物与结构面接触部分破坏的研究成果较少，为此，有必要进一步开展该破坏模式下的临界充填度研究。
岩体结构面抗剪强度具有尺寸效应特性[21-23]。目前，众多学者基于室内试验和数值模拟等方法开展了无充填结构面尺寸效应研究，如Bandis[24]、Huang等[25]对不同尺寸的模拟岩石天然结构面开展了室内直剪试验，获得峰值抗剪强度存在负尺寸效应的规律；Johansson等[26]也基于室内直剪试验研究了不同配合比下系列尺寸结构面的峰值抗剪强度，发现其无明显尺寸效应现象；Bahaaddini等[27]针对粗糙岩石结构面开展了数值直剪尺寸效应试验，得到峰值抗剪强度随着结构面尺寸增加而逐渐减小的变化趋势。总之，目前抗剪强度尺寸效应的研究对象主要为无充填结构面，而充填结构面抗剪强度的相关研究一般为小尺寸且具有单一性[15-20, 28-29]。上述研究为充填结构面尺寸效应研究提供借鉴意义。临界充填度是决定充填结构面抗剪强度的重要因素，其与尺寸也存在必然联系。因此，临界充填度的尺寸效应特性仍需深入探讨。
鉴于此，本文以具有三维形貌特征的模拟岩石结构面为研究对象，以高岭土为充填材料，开展了不同尺寸充填结构面的室内直剪试验，获得充填结构面的剪切力学特性与破坏特征，并分析临界充填度和抗剪强度尺寸效应特性，为后续充填结构面抗剪强度的尺寸效应模型研究奠定良好的试验基础。
本文利用自主研制的结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，开展了具有三维形貌特征的充填结构面剪切力学特性与破坏特征试验研究，分析了临界充填度和抗剪强度尺寸效应规律及机理，得到以下结论：
（1）系列尺寸无充填和充填结构面的剪应力-剪切位移曲线主要区别在于有无明显的峰值剪应力和剪应力下降；随着充填度的增加，结构面剪切破坏模式主要由“岩-岩”剪断破坏逐渐转变为“岩-土界面”滑动破坏，而其破坏模式不受尺寸影响。
（2）结构面抗剪强度均随充填度增加而减小，直至达到临界充填度时趋于稳定；并且临界充填度沿剪切方向随着结构面尺寸的增加而逐渐增加，变化范围为1.6~2.0，主要原因是平均起伏高度随着结构面尺寸的增加而逐渐增加，导致充填结构面的局部凸起体剪损区域逐渐向渐进扩大区域转移。
（3）无充填结构面的峰值抗剪强度呈现正尺寸效应现象，整体增长率为26.83%；充填结构面峰值抗剪强度呈现无明显尺寸效应的变化趋势，不同充填度下整体波动率的绝对值均小于10%。主要是由于充填物的存在而削弱结构面爬坡效应；同时，衰减系数随着结构面尺寸的增加而逐渐增加，使得充填厚度对结构面爬坡效应的抑制作用更明显。
