岩石的力学性质
岩石的力学性质，是指岩石受到外力作用后发生变形和破坏的特性。岩石在荷载作用下，首先发生变形，使内部质点变位，其形状和体积发生变化；当荷载继续增加，达到或超过某一极限时，岩石便开始破坏。不同的岩石抵抗外力变形和破坏的能力是不同的，这取决于岩石的类型、矿物成分、结构、构造及裂隙发育程度。
“变形”和“强度”是岩石力学性质的两个主要内容，表示岩石变形特性的指标有弹性模量（E）、变形模量（E0）和泊松比（μ），表示岩石强度特性的指标有抗压强度（R）、抗拉强度（σt）、抗剪强度（τ）。
（一）岩石的变形特性与变形指标
1.岩石的变形特性
岩石是弹塑性体，它的变形过程同其他固体材料相似，受到外力作用时一般都要经历弹性变形、塑性变形和断裂变形三个变形阶段。岩石的变形规律用应力—应变曲线σ＝f（ε）表示，如图1-17 所示。这三个变形阶段虽是依次发生，但不是截然分开的，而是相互过渡和重叠的。
图1-17 岩石应力—应变关系图
0A—弹性变形阶段；AB—塑性变形阶段；B—破坏阶段
（1）弹性变形阶段当荷载不大时，应力和应变大致呈正比，在曲线上近似为直线关系，如图中的OA段。与A点相对应的应力σA 值称为弹性极限强度。岩石的弹性变形符合虎克定律：σ＝E·ε。
（2）塑性变形阶段当外力超过弹性极限以后，岩石变形速度加快，稍增加荷载，应变即显著增大，卸荷后变形也不能完全恢复，即产生一部分塑性变形，如图中所示的ε0，正是由于岩石的塑性变形，才形成了地壳中的各种褶皱构造。
（3）断裂变形阶段当外力继续增大，达到某一极限值时，岩石内部结合力遭到破坏，产生破裂面，岩石失去连续完整性。这时的极限应力值称为极限强度，如图中的σB。
岩石的变形特征主要与岩性和所处的地质环境有关。一般说来，脆性岩石只有弹性变形，没有或只有很小的塑性变形，当外力作用达到一定程度，即由弹性变形转为断裂变形。在高温和高静围压力作用下，岩石的变形会有明显的粘滞性或流变性的特点。
2.岩石的变形指标
岩石的变形指标，常采用对岩石试样直接加荷载的试验方法测定。一般把应力与弹性应变的比值，称为弹性模量；应力与总应变的比值，称为塑性模量，即
式中E——弹性模量，MPa；
E0——变形模量，MPa；
σ——总应力，MPa；
ε——总应变；
ε0——塑性应变；
εy——弹性应变。
岩石越是坚硬，抵抗变形的能力越大，因而变形模量越大；反之，较软弱的岩石变形模量较小。对于完整坚硬岩石，E和E0 值相差很小，但岩石越破碎，风化越严重，则二者相差也越大。对层状岩石来说，一般平行层的方向和垂直层的方向，变形模量相差是较大的，这表明层状岩石具有各向异性的性质。
岩石的试样受力作用后，除受力方向发生纵向应变被压缩外，在垂直受力方向上也会产生横向应变，发生膨胀。横向应变与纵向应变之比，称为泊松比μ，即
式中μ——泊松比，也称为侧压力系数（无量纲量）；
ε2——纵向应变，cm；
ε1——横向应变，cm。
岩石的泊松比一般在0.2～0.4 之间，其值越大，反映岩石受力后横向变形越大。应注意到，泊松比μ与弹性模量E成正比。软弱岩石的μ值很低，坚硬岩石的μ值较高。
（二）岩石的强度特性与指标
岩石受力发生破坏有两种类型，一是脆性破坏，二是塑性破坏。脆性破坏的特点是岩石破坏没有产生显著的塑性变形；而岩石的塑性破坏则相反，在破坏时岩石产生了明显的塑性变形。一般认为，脆性破坏是由于岩石裂隙的产生和发展的结果；塑性变形则是岩石中的矿物晶体格架错动变位的结果，因此塑性破坏甚至处在塑性流动状态，而没有产生明显的破坏面。如软弱岩石组成的边坡，由于长期缓慢蠕动变形，最终导致边坡急剧变形破坏。
岩石受力作用破坏有压碎、拉断及剪断等形式，故岩石的强度可分为抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。
（1）岩石的抗压强度（R） 岩石的抗压强度是指在单向压力作用下，抵抗压碎破坏的能力。其值用岩石达到破坏时的极限压应力表示：
岩石的抗压强度一般都大于30MPa，坚硬厚层的岩石可达100～200MPa，甚至更大；弱胶结的软弱岩石只有3～30MPa。对于风化的岩石，其抗压强度随风化程度加深而降低。
抗压强度分为干抗压强度和湿抗压强度。一般在天然状态下测定的抗压强度称为干抗压强度；岩石试样在饱水状态下测定的抗压强度称为湿抗压强度。湿抗压强度一般小于干抗压强度。在水利工程建设中，考虑建筑物与水的作用，一般都采用湿抗压强度这个指标来评价岩体的稳定性。
（2）岩石的抗拉强度（σt） 岩石的抗拉强度是指岩石在单向拉伸时，抵抗拉断破坏的能力，即拉断破坏时的最大张应力。岩石的抗拉强度远远低于抗压强度，一般只有1～10MPa。由于抗拉强度在水利工程建筑中不是控制值，故一般很少测定它。
（3）岩石的抗剪强度（τ） 岩石的抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的能力，以岩石被剪断时的极限剪应力表示。由于抗剪强度试验的型式不同（图1-18），岩石被剪切破坏的形式也不同，所以抗剪强度可分为下列几种：
（1）抗剪断强度是指在垂直压力作用下将完整岩石剪断的强度，即
式中τ——岩石的抗剪断强度，MPa；
σ——剪裂面上的法向应力，MPa；
φ——岩石的内摩擦角，度。tgφ＝f，f称为岩石的摩擦系数；
C——岩石的粘聚力，MPa。
因坚硬岩石有牢固的结晶联结或胶结联结，故其抗剪断强度很高，如内摩擦角一般在30°～40°以上，粘聚力C值可达几千kPa以上。
图1-18 岩石的抗剪强度及其试验原理
（a）抗切试验及抗切强度；（b）抗剪试验及抗剪强度；（c）抗剪断试验及抗剪断强度P—正压力；PH—水平推力；τ—剪应力；σ—正应力；τ—PH／F；σ＝P／F；φ′—内摩擦角；C—粘聚力
（2）抗剪强度是指在垂直压力作用下，岩石沿已有破裂面剪切破坏时的摩擦阻力，即
显然，抗剪强度是沿岩石破裂面或软弱面等发生剪切滑动的指标，故它大大低于该完整岩石的抗剪断强度。
（3）抗切强度是指剪切面上的压应力等于零时的抗剪断强度，实际上也就是岩石的粘聚力，即
抗切强度常用来校核抗剪断强度中的岩石粘聚力C值。
岩石的三个强度指标中，抗压强度最大，抗剪强度居中，抗拉强度最小。抗剪强度为抗压强度的10%～40%，抗拉强度仅是抗压强度的2%～16%。岩石越坚硬相差越大，软弱岩石差别较小。岩石的抗剪强度和抗压强度是常用来衡量岩石稳定性的指标，是水工设计中较为重要的定量分析依据。
常见岩石的主要物理力学性质指标可参考表1-13。