岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的地应力状态和地下水等地质环境中的地质体。岩体的物理力学性质和力学属性，在很大程度上受形成和改造岩体的各种地质作用过程所控制，往往表现出非均匀、非连续、各向异性和多相性特征。

结构面是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合面、节理面、断层、片理面等。国内外一些文献中又称为不连续面或节理等。在结构面中，那些规模较大、强度低、易变形的结构面又称为软弱结构面。

岩块是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。

需要指出的是，在工程地质领域，为了强调岩石的结构特征，常用“岩体”来称谓岩石。而传统上的“岩石”称谓则往往有两种含义，一是指岩体中的块体即“岩块”，一是泛指“岩体”和“岩块”，类同于地质学中的“岩石”，更多的是强调岩石的岩性。现行《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487—2008）和《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287—2016）中均采用前一种含义，即将“岩块”称为“岩石”。为与规范一致，下文未专门说明，所提到的岩石均指岩块的含义。

岩块的力学性质主要取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。一般来说，含硬度大的粒柱状矿物（如石英、长石、角闪石、辉石等）愈多时，岩块强度愈高；含硬度小的片状矿物（如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等）愈多时，则岩块强度愈低。但应当注意，矿物的力学性质并不等同于由该种矿物所组成的岩石的力学性质，即使是由单一矿物组成的岩石，也是如此。如石英和由石英组成的石英岩及方解石和由方解石组成的大理岩，两者的性质就大不相同。这表明，一方面由矿物组成的集合体的结构与构造在力学上起着非常重要的作用，因此研究岩石的组成和结构的力学效应十分必要。另一方面，这并不等于说岩石的力学性质与其组成的矿物的性质没有关系。事实上，岩石中的矿物成分也会对岩石的力学性质产生十分重要的影响，有时甚至是决定性的影响。

5.4.1.1　岩石的物理性质

5.4.1.1.1　岩石的密度

岩石的密度是指单位体积内岩块的质量，单位为g/cm3，分为颗粒密度和块体密度。

（1）颗粒密度。颗粒密度（ρs）是指岩石中固相部分的质量与其体积的比值。其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法测定。

式中：ms——岩石试件的干质量（g）；

Vs——岩石固相的体积（cm3）。

（2）块体密度。块体密度是指单位体积内岩块的质量。按岩样的含水状态又分为干密度（ρd）、饱和密度（ρsat）和天然密度（ρ）。其表达式分别为：

式中：ms、msat和m——分别为岩石试件的干质量、饱和质量和天然质量（g）；

V——岩块试件体积（cm3）。

岩石的块体密度除与矿物组成有关外，还与岩石的空隙性及含水状态密切相关。裂隙不发育的致密岩石，块体密度与颗粒密度很接近；随着孔隙、裂隙的增加，块体密度相应减小。对于规则试件，可采用量积法测定块体密度；对于不规则试件，可采用蜡封法或水中称量法测定块体密度。

5.4.1.1.2　岩石的空隙性

岩石属于有较多缺陷的多晶材料，具有相对较多的孔隙。同时，由于岩石经受过多种地质作用，发育有各种成因的裂隙，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。所以，岩石的空隙性比土复杂得多，即除了孔隙外，还有裂隙存在。另外，岩石中的有些空隙往往互不连通，而且与大气也不相通。因此，岩石中的空隙有开空隙和闭空隙之分，开空隙按其开启程度又有大、小开空隙之分。与此相对应，可把岩石的空隙率分为总空隙率（n）、总开空隙率（n0）、大开空隙率（nb）、小开空隙率（na）和闭空隙率（nc）几种，各自的含义如下：

式中：Vv、Vv0、Vvb、Vva、Vvc——分别为岩石中空隙的总体积、总开空隙体积、大开空隙体积、小开空隙体积及闭空隙体积。

一般提到的岩石空隙率系指总空隙率，其大小受岩石的成因、时代、后期改造及其埋深的影响，变化范围很大。新鲜结晶岩类的空隙率一般小于3%，沉积岩的空隙率较高，为1%～10%，某些胶结不良的砂砾岩的空隙率可达10%～20%，甚至更大。

岩石的空隙性指标不能实测，只能通过密度与吸水性等指标换算求得。

5.4.1.1.3　岩石的吸水性

岩石的吸水性是指岩石在一定条件下吸收水分的能力，常用吸水率、饱和吸水率与饱水系数等指标表示。

（1）吸水率。岩石的吸水率（ωa）是指岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量（mw1）与岩样干质量（ms）之比，用百分数表示，即：

测定时先将岩样烘干并称干质量，然后浸水饱和。由于试验是在常温常压下进行的，岩石浸水时，水只能进入大开空隙，而小开空隙和闭空隙水不能进入。因此，可用吸水率来计算岩石的大开空隙率（nb），即：

式中：ρw——水的密度，取ρw=1g/cm3。

岩石的吸水率大小主要取决于岩石中孔隙和裂隙的数量、大小及其开启程度，同时还受到岩石成因、时代及岩性的影响。大部分岩浆岩和变质岩的吸水率多在0.1%～2.0%之间，沉积岩的吸水性较强，其吸水率多变化在0.2%～7.0%之间。

（2）饱和吸水率。岩石的饱和吸水率（ωp）是指岩石试件在高压（一般压力为15MPa）或真空条件下吸入水的质量（mw2）与岩样干质量（ms）之比，用百分数表示，即

在高压（或真空）条件下，一般认为水能进入所有开空隙中，因此岩石的总开空隙率可表示为：

岩石的饱和吸水率是表示岩石物理性质的一个重要指标，它反映岩石总开空隙的发育程度，可间接地用来判定岩石的抗风化能力和抗冻性。

5.4.1.1.4　岩石的软化性

岩石的软化性是指岩石浸水饱和后强度降低的性质，其用软化系数（KR）表示。KR定义为岩石试件的饱和抗压强度（σcw）与干抗压强度（σc）的比值，即：

显然，KR愈小则岩石软化性愈强。研究表明，岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性。当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。如黏土岩、泥质胶结的砂岩、砾岩和泥灰岩等岩石，软化性较强，软化系数一般为0.4～0.6，甚至更低。一般认为，软化系数KR＞0.75时，岩石的软化性弱；软化系数KR＜0.75时，岩石的软化性较强。

软化系数是评价岩石力学性质的重要指标，特别是在水工建设中，对评价坝基岩体稳定性具有重要意义。

5.4.1.2　岩块的强度

岩块抵抗外力破坏的能力称为岩块的强度。根据受力状态的不同，岩块的强度可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等类别。

5.4.1.2.1　单轴抗压强度

在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，称为单轴抗压强度，简称抗压强度，常用σc或Rb表示。抗压强度是反映岩块基本力学性质的重要参数，它在工程岩体分级、建立岩石破坏判据和岩体破坏判据中是必不可少的。

岩块的抗压强度通常是采用标准试件在压力机上加轴向荷载，直至试件破坏。如设试件破坏时的荷载为pc（N），横断面面积为A（mm2），则岩块的单轴抗压强度为：

试验研究表明，岩块的抗压强度受一系列因素影响和控制。这些因素主要包括两个方面：一是岩石本身性质方面的因素，如矿物组成、结构构造（颗粒大小、连结及微结构发育特征等）、密度及风化程度等；二是试验条件方面的因素，包括试件的几何形状及加工精度、加荷速率、实验时的湿度和温度。

5.4.1.2.2　单轴抗拉强度

岩块试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力，称为单轴抗拉强度，简称抗拉强度。测试岩块抗拉强度的方法包括直接拉伸法和间接法两种。在间接法中，以劈裂法最常用。

劈裂试验是用圆柱体或立方体试件横置于压力机承压板上，试件上、下承压面上各放一根垫条，然后以一定的加荷速率加压，直至试件破坏[图5-13（a）、（b）]。加垫条的目的是为了把所加的荷载转变为线荷载，以使试件内产生垂直于轴线方向的拉应力。若岩样为圆柱样，直径为D、高度为L，破坏时的荷载为pt，则岩块的抗拉强度σt为：

图5-13　劈裂试验方法及试件中的应力分布示意图

若采用边长为a的立方体试件，则σt为：

岩块抗拉强度要远小于抗压强度，其原因就在于岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多。

5.4.1.2.3　剪切强度

在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度。岩块的剪切强度与土一样，也是由黏聚力c和内摩擦阻力σtanφ两部分组成的，只是它们都远比土的大，这与岩石具有牢固的粒间连结有关。岩块的剪切强度可以通过直剪试验、三轴试验等测试。直剪试验是在直剪仪（图5-14）上进行。试验时，先在试件上施加法向压力N，然后在水平方向逐级施加水平剪力T，直至试件破坏。用同一组岩样（4～6块），在不同法向应力σ下进行直剪试验，可得到不同法向应力下的抗剪断强度τf，可以在τ-σ坐标系中绘制出岩块强度曲线。试验研究表明，该曲线不是严格的直线，但在法向应力不太大的情况下，可近似地视为直线（图5-15）。按照库仑强度理论，该直线的倾角及在纵轴的截距即为岩块的剪切强度参数φ、c值。

5.4.1.2.4　三轴压缩强度

岩块试件在三向压应力作用下能抵抗的最大轴向应力，称为三轴压缩强度。在围压σ3下，对试件进行三轴试验时，岩块的三轴压缩强度σ1m为：

图5-14　直剪试验装置

图5-15　岩块c、φ值的确定示意图

式中：pm——试件破坏时的轴向荷载（N）；

A——试件的初始横断面面积（mm2）。

根据一组试件（4个以上试件）试验得到的三轴压缩强度σ1m和相应的σ3以及单轴抗拉强度σt，可以在σ-τ坐标系中绘制出一组破坏应力圆，其公切线即为岩块的强度包络线（图5-16）。包络线与σ轴的交点，称为包络线的顶点。除顶点外，包络线上所有点的切线倾角及其在τ轴上的截距分别代表岩块在相应围压下的内摩擦角（φ）和黏聚力（c）。

5.4.1.3　岩块的变形性质(www.daowen.com)

岩块在外荷载作用下会产生变形，随着荷载的不断增加，变形也不断增加，当荷载达到或超过某一定限度时，将导致岩块破坏。与普通材料一样，岩块变形也有弹性变形、塑性变形和流变变形之分，但由于岩块的矿物组成和结构构造的复杂性，致使岩块变形性质比普通材料要复杂得多。

5.4.1.3.1　岩块的变形阶段

在单轴连续加载条件下，对岩块试件进行变形试验，可得到各级荷载下的轴向应变（εL）和横向应变（εd），其体积应变（εV）为：

将试验所测得的数据绘制成反映岩块变形特征的应力-应变曲线，如图5-17所示，据此可将岩块变形过程划分成不同的阶段。

图5-16　岩块莫尔强度包络线

（1）孔隙裂隙压密阶段（Ⅰ）（图5-17中0A段）。在该阶段，随着荷载的增加，试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形。应力-应变（σ-ε）曲线呈上凹型，曲线斜率随应力增加而逐渐增大，表明微裂隙的闭合开始较快，随后逐渐减慢。本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显，对坚硬、少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。

（2）弹性变形至微破裂稳定发展阶段（Ⅱ）（图5-17中AC段）。该阶段的σ-εL曲线呈近似直线关系，而σ-εV曲线开始（AB段）为直线关系，随σ增加逐渐变为曲线关系。据其变形机理又可细分为弹性变形阶段（AB段）和微破裂稳定发展阶段（BC段）。弹性变形阶段不仅变形随应力成比例增加，而且在很大程度上表现为可恢复的弹性变形，B点的应力可称为弹性极限。微破裂稳定发展阶段的变形主要表现为塑性变形，试件内开始出现新的微破裂，并随应力增加而逐渐发展，当荷载保持不变时，微破裂也停止发展。由于微破裂的出现，试件体积压缩速率减缓，σ-εV曲线偏离直线向纵轴方向弯曲。这一阶段的上界应力（C点应力）称为屈服极限。

（3）非稳定破裂发展阶段（Ⅲ）（或称累进性破裂阶段）（图5-17中CD段）。进入本阶段后，微破裂的发展发生了质的变化。由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使外荷载保持不变，破裂仍会不断发展，并在某些薄弱部位首先破坏，应力重新分布，其结果又引起次薄弱部位的破坏。依次进行下去直至试件完全破坏。试件由体积压缩转为扩容。轴向应变和体积应变速率迅速增大，试件承载能力达到最大。本阶段的上界应力称为峰值强度，即单轴抗压强度。

图5-17　岩块的应力-应变（σ-ε）全过程曲线

（4）破坏后阶段（Ⅳ）（图5-17中D点以后段）。岩块承载力达到峰值后，其内部结构完全破坏，但试件仍基本保持整体状。到本阶段，裂隙快速发展、交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破裂的岩石仍有一定的承载能力。

岩块典型的变形全过程曲线，反映的是岩块变形的一般性规律。但自然界中的岩石，因其矿物组成及结构构造各不相同，就岩石本身而言，每一种矿物都有各自的应力-应变关系，不同的矿物其弹性极限、屈服极限、抗压强度也各不相同，同一种矿物不同受力方向上也不同。空隙愈发育，岩块变形愈容易，空隙的分布、形态等也都将导致岩块应力-应变关系的复杂化。有的岩石其应力-应变关系与上述典型曲线相同或类似，有的则不同。

5.4.1.3.2　岩块的变形参数

根据各类应力-应变曲线，可以确定岩块的变形模量和泊松比等变形参数。

（1）变形模量。变形模量是指在单轴压缩条件下岩块试件的轴向应力与轴向应变之比。若岩块应力-应变曲线为直线关系，其变形模量E（MPa）为：

式中：σi、εi——分别为应力-应变曲线上任一点的轴向应力和轴向应变。

在这种情况下，岩块的变形模量为一常量，数值上等于直线的斜率[图5-18（a）]，由于其变形多为弹性变形，所以又称为弹性模量。

若应力-应变曲线为非直线关系，岩块的变形模量为一变量，即不同应力段上的模量不同。常用的有以下几种[图5-18（b）]：

图5-18　岩石变形模量E的确定方法示意图

1）初始模量Ei。指曲线原点处的切线斜率，即：

2）切线模量（Et）。指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率，即：

3）割线模量（Es）。指曲线上某特定点与原点连线的斜率，通常取σc/2处的点与原点连线的斜率，即：

（2）泊松比。泊松比（μ）是指在单轴压缩条件下，岩块试件的横向应变（εd）与轴向应变（εL）之比，即：

在实际工作中，常采用σc/2处的εd与εL来计算岩块的泊松比。

岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。表5-8列出了常见岩石的变形模量和泊松比的经验值。5.4.1.3.3　岩块在三轴压缩条件下的变形

表5-8　常见岩石的变形模量和泊松比值

在三轴压缩条件下，岩块的变形特征将随围压的改变而改变。首先，破坏前岩块的应变随着围压的增大而增加；其次，随着围压的增大，岩块的塑性不断增大，由脆性逐渐转化为延性。如表5-9所示，随着围压的增大，岩块从脆性劈裂破坏也逐渐向塑性流动过渡。这说明围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。通常把岩石由脆性转化为延性的临界围压称为转化压力。另外，围压对岩块变形参数也有一定影响。总的来说，随着围压的增大，岩块的变形模量和泊松比都有不同程度的提高。通常对坚硬、少裂隙的岩石影响较小，而对软弱、多裂隙的岩石影响较大。

表5-9　岩石在三轴压缩条件下的破坏形式表