《土木工程地质》中岩石的力学性质及变形与强度详解

岩石的力学性质指岩石在各种静力、动力作用下所表现的性质，主要包括变形和强度。岩石在外力作用下，首先是变形，当外力继续增加，达到或超过某一极限时，便开始破坏。岩石的变形与破坏是岩石受力后发生变化的两个阶段。

（一）岩石的变形指标

岩石的变形指标主要有弹性模量、变形模量和泊松比。

1.弹性模量

弹性模量是应力与弹性应变的比值，即

式中　Ee——弹性模量，kPa；

σ——应力，kPa；

εe——弹性应变。

2.变形模量

应力与总应变的比值，即

式中　E0——变形模量，kPa；

ε0——塑性应变。

3.泊松比

岩石在轴向压力作用下，除产生纵向压缩外，还会产生横向膨胀。这种横向应变与纵向应变的比值，称为泊松比，即

式中　μ——泊松比；

εx——横向应变；

εy——纵向应变。

泊松比越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大。岩石的泊松比一般在0.2～0.4之间。

（二）岩石的强度指标

岩石抵抗外荷而不破坏的能力称岩石强度；荷载过大并超过岩石能承受的能力时，便造成破坏，岩石开始破坏时所能承受的极限荷载称为岩石的极限强度，简称强度。

按外力作用方式不同将岩石强度分为抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。

1.抗压强度

抗压强度是岩石在单向压力作用下，抵抗压碎破坏的能力，即(www.xing528.com)

式中　R——岩石抗压强度，kPa；

P——岩石破坏时压力，N；

A——岩石受压面面积，m2。

抗压强度通常在室内用压力机对岩样进行加压试验确定。目前的试件多采用立方体或圆柱体（尺寸为5cm×5cm×5cm、10cm×10cm×10cm）。抗压强度的主要影响因素有：岩石矿物成分、颗粒大小、结构、构造的影响，受岩石风化程度的影响；饱和条件下岩石抗压强度小于天然状态或干燥条件下岩石的抗压强度；试验条件的影响。

2.抗拉强度

抗拉强度是岩石单向拉伸时抵抗拉断破坏的能力，称为抗拉强度σL。

式中　P——岩石破坏时拉力，N。

抗拉强度试验一般有轴向拉伸法和劈裂法，抗拉强度主要决定于岩石中矿物组成之间的黏聚力的大小。

3.抗剪强度（τ）

岩石在一定的压力条件下，被剪破时的极限剪切应力值（t），根据岩石受剪时的条件不同，通常把抗剪强度分为三种类型。

（1）抗剪强度。两块岩样在垂直接合面上一定压应力的作用下，岩样接触面之间所能承受的最大剪切力，测试该指标的目的在于求出抗剪系数值，为坝基、桥基、隧道等基底滑动和稳定验算提供试验数据。

τ＝σtanφ

式中　σ——破裂面上的法向应力，Pa；

φ——岩石的内摩擦角；

tanφ——岩石摩擦系数。

（2）抗切强度。岩石剪断面上无压应力条件下，岩石被剪断时的最大剪应力值，它是测定岩石黏聚力的一种方法。

τ＝c

式中　c——岩石的内聚力，Pa。

（3）抗剪断强度。岩石剪断面上有一定的压应力作用时，岩石被剪断时的最大剪应力值

τ＝σtanφ＋c

室内测定抗剪强度时一般采用剪力仪。

常见岩石的抗压、抗剪及抗拉强度指标列于表1-8。

表1-8　常见岩石的抗压、抗剪及抗拉强度　单位：MPa