在岩体上进行工程建筑，直接影响建筑物的变形与稳定性的，是岩石的力学性质，其中又主要是变形特性和强度特性。前者是在外力作用下岩石中的应力与应变的关系特性，后者则为岩石抵抗应力破坏作用的性能。

1）岩石的应力与应变特性

（1）单向无侧限岩石抗压试验的应力与应变关系

岩石在外力作用下会产生变形，其变形性质可分为弹性变形和塑性变形，破坏方式有塑性和脆性破坏之分。岩石抗压变形的试验图3.13方法一般有单向逐级维持荷载法、单向单循环荷载法、单向多循环荷载法其σ-ε曲线分别如图3.14～图3.16所示。

图3.13　无侧限岩石抗压试验

图3.14　单向逐级维持荷载法σ-ε曲线

单向逐级维持荷载法应力-应变关系根据σ-ε曲率的变化，可将岩石变形过程划分为4个阶段，见图3.14。

①孔隙裂隙压密阶段（见图3.14中的OA段）：岩石中原有的微裂隙在荷重作用下逐渐被压密，曲线呈上凹形，曲线斜率随应力增大而逐渐增加，表示微裂隙的变化开始较快，随后逐渐减慢。A点对应的应力称为压密极限强度。对于微裂隙发育的岩石，本阶段比较明显，但致密坚硬的岩石很难划出这个阶段。

图3.15　单向单循环荷载法σ-ε曲线

图3.16　单向多循环荷载法σ-ε曲线

②弹性变形至微破裂稳定发展阶段（见图3.14中的AB段）：岩石中的微裂隙进一步闭合，孔隙被压缩，原有裂隙基本上没有新的发展，也没有产生新的裂隙，应力与应变基本上成正比关系，曲线近于直线，岩石变形以弹性为主。B点对应的应力称为弹性极限强度。

③塑性变形阶段至破坏峰值阶段（见图3.14中的BC段）：当应力超过弹性极限强度后，岩石中产生新的裂隙，同时已有裂隙也有新的发展，应变的增加速率超过应力的增加速率，应力-应变曲线的斜率逐渐降低，并呈曲线关系，体积变形由压缩转变为膨胀。应力增加，裂隙进一步扩展，岩石局部破损，且破损范围逐渐扩大形成贯通的破裂面，导致岩石破坏。C点对应的应力达到最大值，称为峰值强度或单轴极限抗压强度。

④破坏后峰值跌落阶段至残余强度阶段（见图3.14中C点以后）：岩石破坏后，经过较大的变形，应力下降到一定程度开始保持常数，D点对应的应力称为残余强度。

（2）岩石在三向压力（围压）作用下的应力应变关系

岩石单元体的三向受力状态（见图3.17）可以有两种方式：一种是σ1>σ2>σ3，称为三向不等压试验，也称真三轴状态；另一种则是σ1>σ2=σ3，称假三轴状态。目前常用的岩石三向压力试验是后一种方式，因此，通常所说的三轴试验是指假三轴试验。

图3.17　岩石单元体的三向应力状态

图3.18　大理岩在三向压缩条件下的关系曲线

大量的岩石力学试验表明，岩石在三向受力状态下的应力-应变关系与单向无侧限受力状态下的应力-应变关系有很大的区别。最典型的特征可以用大理岩在三向围压压缩条件下的应力-应变曲线（见图3.18）来表示。由图3.18可以看出：

①在单向无侧限应力状态下（σ3=0），大理岩试件在变形不大的情况下就产生破坏，且表现为脆性破坏。

②随着围压σ3的增大，岩石在破坏以前的总变形量也随之增大，而且主要是塑性变形的变形量增大。当σ3增大到一定范围以后，岩石变形就成为典型的塑性变形。这说明了岩石的变形和破坏的性质会随着围压的增大而抗压强度增加。

③不论σ3=0或是σ3>0，在岩石的应力-应变曲线的初始阶段都表现为近似直线关系，说明了当σ1-σ2的数值在一定范围内，岩石的变形特征还是符合弹性变形特征，而当σ1-σ2超出了某一范围后，岩石的变形才出现塑性变形的特征。由此可见，岩石的应力-应变关系与围压σ3的大小有关。

（3）岩石的蠕变

岩石的蠕变是指岩石在恒定应力不变的情况下，岩石的变形随时间而增长的现象（见图3.19）。岩石的蠕变实质上是岩石恒定加荷后，岩石内部裂隙孔隙逐渐压密的过程。岩石的蠕变特性可以通过蠕变试验，即在岩石试件上加一恒定荷载，观测其变形随时间的发展状况来研究。

（4）岩石的松弛

岩石的松弛是指当岩石保持应变恒定时，应力随着时间的延长而降低的现象，见图3.20。如岩石中的挖孔桩施工会使得挖孔桩周边岩石松弛。松弛试验的条件就是使试件的变形保持一恒定值，借此来观察荷载随时间的变化特性。

图3.19　不同应力条件下岩石（体）的蠕变曲线

（5）岩石的变形指标

岩石的变形性能一般用弹性模量、变形模量和泊松比3个指标来表示。

①弹性模量Ee是应力与弹性应变的比值，即：

式中　Ee——弹性模量，MPa；

　　　σ——岩石试件中的应力，压应力为正值，MPa；

　　　εe——岩石的弹性应变。

岩石的弹性模量越大，变形越小，说明岩石抵抗变形的能力越高。

②变形模量Ep是应力与总应变的比值，即：

式中　Ep——变形模量，MPa；

　　　εp——岩石的塑性应变。

岩石的弹性模量和变形模量可以从试验曲线上某点的切线斜率获得，也可从曲线上某点（通常在强度极限的一半处取点）与原点间所作直线的斜率获得。前者称为切线模量，后者称为割线模量。(www.daowen.com)

③泊松比μ是横向应变εd与纵向应变ε1的比值，即：

2）岩石的强度

岩石抵抗外力破坏的能力，称为岩石的强度。岩石的强度与受力形式有关。受压变形破坏的为抗压强度；受拉变形破坏的为抗拉强度；受剪应力作用剪切破坏的为抗剪强度。

（1）单向无侧限岩石的抗压强度

岩石抗压强度也就是岩石在单轴受压力作用下抵抗压碎破坏的能力，相当于岩石受压破坏时的最大压应力，即：

式中　Rc——抗压强度，kPa；

　　　p——岩石受压破坏时的极限轴向力，kN；

　　　A——试样受压面积，m2。

（2）抗剪强度

抗剪强度是岩石抵抗剪切破坏的能力。相当于岩石受剪切破坏时，沿剪切破坏面的最大剪应力。由于岩石的组成成分和结构、构造比较复杂，在应力作用下剪切破坏的形式有多种。主要的有3种，如图3.21所示：

图3.21　岩石的三种受剪方式示意图

室内的岩石抗剪强度测定，最常用的是测定岩石的抗剪断强度。岩石的抗剪断强度，是岩石在外部剪切力作用下，抵抗剪切破坏的能力。通过岩石剪切试验，确定岩石剪切破坏时剪切面上的正应力σ与剪应力τ之间的关系，确定岩石的内摩擦角φ和黏聚力c，从而获得岩石的抗剪断强度。一般用楔形剪切仪，其主要装置如图3.22所示。

图3.22　岩石抗剪断强度试验

图3.23　劈裂法试验示意图

不同α角的夹具下试样剪断时所受正应力和剪应力按式（3.16）计算：

式中　σ——剪断面上的法向压应力；

　　　τ——剪断面上极限剪应力；

　　　P——压力机加在夹具中试样上的最大铅直荷重；

　　　A——剪断面面积；

　　　f——滚珠的摩擦系数，由摩擦校正试验决定；

　　　α——用夹具固定的剪断面与水平面的夹角。

（3）岩石的抗拉强度

抗拉强度是岩石力学性质的重要指标之一。由于岩石的抗拉强度远小于其抗压强度，故在受载时，岩石往往首先发生拉伸破坏，这一点在地下工程中有着重要意义。

岩石试件在单轴拉伸荷载作用下所能承受的最大拉应力就是岩石的抗拉强度，以Rt表示。即：

式中　Rt——岩石的抗拉强度，MPa；

　　　Pt——试件被拉断时的拉力，N；

　　　A——试件的横截面积，mm2。

岩石的抗拉强度很小，不少岩石小于20MPa。

由于直接拉伸试验受夹持条件等限制，岩石的抗拉强度一般均由间接试验得出。在此采用国际岩石学会实验室委员会推荐并为普遍采用的间接拉伸法（劈裂法）测定岩样的抗拉强度。实验装置如图3.23所示。

圆柱或立方形试件劈裂时的抗拉强度Rt由式（3.18）确定：

式中　Pu——试件破坏时的荷载；

　　　D——圆柱体试件的直径；

　　　t——圆柱体试件厚度。

3）岩石的物理力学参数及强度之间的相互关系

试验资料表明，同一种岩石，由于受力状态不同，强度值相差悬殊。各种强度间有如下的统计关系：同一种岩石一般情况下单轴抗压强度最大，抗剪强度次之，抗拉强度最小。

岩石的单轴抗拉强度为单轴抗压强度的1/38～1/5；

岩石的抗剪强度为单轴抗压强度的1/15～1/2。

此外，岩石在长期荷载作用下的抗破坏能力，要比短时间加载下的抗破坏能力小。对于坚固岩石，长期强度为短时强度的70%～80%；对于软质与中等坚固岩石，长期强度为短时强度的40%～60%。

岩石的物理性质、水理性质及力学性质参数（指标）是工程设计重要的基本参数。一般通过试验测定求得，表3.19中列出了一些常见完整岩石的试验结果，以供参考。

表3.19　几种岩石的力学参数