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摘要：文章首先阐述影响岩石应力与应变关系的因素，重点深入现场进行岩石抗剪（断）试验破坏机理，以分析其应力与应变关系，并给出强度参数选取的一些建议，以为工程实践起到科学的指导意义，保证复杂地质条件下工程的安全性及设计合理性。
关键词：岩石；抗剪（断）试验；应力与应变；强度
一、现场岩石抗剪（断）试验概述
岩块抗剪试验，包括抗剪断试验（用于完整岩块）和结构面摩擦试验（用于岩体中的结构面），两者的强度参数均用摩擦角和内聚力表示，试验时需逐级施加法向应力以便获得剪应力～剪切位移关系曲线。此外，岩石变形，包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。所谓流变指的是岩体的应力和变形与时间有关的特性，前者称应力松弛，后者称蠕变（或称徐变）。
岩体处于复杂的三维应力场中，是一种复杂的地质体，岩体破坏往往会因其所赋存的应力状态发生改变引起的，工程状态预报的可靠性较差，所以通过现场观测来鉴别岩体性态日益受到重视。工程上常用的现场测试与观测方法有：地应力量测，地应力也称原岩应力、天然应力、初始应力，均指地壳岩体中未经开挖扰动的应力（见岩体中应力）。目前，定量确定地应力大小和方向的有效方法是进行现场岩体应力量测。地应力量测包括绝对应力量测（常用于套孔和钻孔孔底应力解除技术）和应力变化量测两类（用于长期观测）。30年代以来发展了多种应力量测方法，这些量测方法虽原理不同，但大多属于间接量测。岩体的变形观测结果，不但可以直接用于岩体力学作用监测，进行稳定性分析和预报，而且可以利用数值计算方法进行位移反馈分析，获得表征岩体特性的变形参数和岩体中的初始应力状态。
二、岩石应力与应变性质的主要影响因素
多个因素制约着表征岩石力学特性的应力～应变关系，但很大程度上还是取决于岩石本身的性质。岩石为一种弹塑性体，其性质复杂多变，岩石变形总是同时发生塑性变形和岩石变形发生，以下进一步分析岩石应力与应变关系的主要影响因素，如下：（1）岩石的均一性，节理裂隙发育程度，充填物的性质及数量，致密坚硬性，风化程度等。若岩石均一性好，无充填物的新鲜岩石，节理裂隙不发育，致密坚硬，浅风化，弹性变形为主，反之则塑性变形为主；（2）地下水的影响。地下水起润滑作用，易使节理裂隙的充填物软化而形成软弱结构面，使岩石的强度降低。所以做岩石抗剪（断）试验时，试验前应先将试件用水饱和后再进行；（3）岩石的初始应力状态。岩石的破坏强度应由两部分组成，即“自身强度和初始应力”，在开凿岩洞过程中，往往由于卸掉初始应力而造成岩崩现象的发生，而这一个因素常常是设计者容易忽略的；（4）适应变形能力。这是岩石本身一个重要特性。判断建筑物是否稳定，应要考虑两点：强度的高低和破坏变形的大小。有些建筑物强度虽较高，但破坏变形很小，一旦有意外应力出现，如地震应力，那么建筑物就会因变形超过破坏变形而失稳。
三、抗剪（断）强度试验实例分析
（一）工程概况
某大坝工程基岩以粗粒角闪黑云二长花岗岩类为主，其中穿插发育于花岗岩中还有玢岩脉、辉绿岩脉、闪长岩脉、花岗细晶岩脉等各类脉岩，其中分布比较多的为辉绿岩脉，它们与围岩的接触关系主要有三种类型：断层式接触、裂隙式接触、焊接式接触。在构造变质作用和气液交代的作用下坝区基岩发生原生蚀变；此外，在外营力作用下，发生了绢云母化蚀变等次生风化蚀变。这些岩石性质的变化，影响着岩体的质量和结构。所以在预可行性研究、可行性研究阶段对大坝共完成了51组现场抗剪（断）强度试验，试验点基本覆盖了坝区各类岩体和各类结构面，这将能合理全面地给坝区岩体和结构面强度参数的选取提供基础依据。
（二）岩石石强度特点分析
认识岩体强度和合理选取参数的基础，一般是在法向和剪切载荷作用下岩体的破坏机理和变形特性。其中岩体原位抗剪试验应力一位移曲线，不仅是对试验成果作出正确评价的依据，也是确定岩石试件承受载荷的极限能力和阶段强度取值特征点及分析抗剪强度受试件缺陷程度影响的依据。工程设计计算时，取值依据应力一变形曲线，以直接将经计算得出法向、剪切刚量等值运用于工程设计计算。所以，在工程实际应用或本构理论分析中，剪应力～剪切位移关系曲线的分析研究起到很重要的作用，其中受剪应力作用初始阶段具有准弹性或弹性特征，完整的剪应力～剪切位移关系曲线一般具有4个特征点，即“峰值强度、屈服极限强度、比例极限强度和残余强度”。如下根据坝区岩体抗剪（断）强度试验点及其应力～位移曲线特征，将岩石强度特点分析总结为以下几个类型：（1）塑性破坏型。试验结果表明，坝区软弱结构面及部分刚性结构面为此类型。此类型中屈服极限强度及比例极限强度特征点不明显；（2）脆性破坏型。试验结果表明，坝区属此种类型的有Ⅱ类岩（占80％）、Ⅲ1类岩（占25％），两类岩的突出特征点都表现出明显的峰值；（3）复合破坏型。上述两种类型的组合型，裂隙有一定发育的裂隙岩体常具此类特征，在试验资料中复合型大概占试验总量的40％ ～50％。试验结果表明，坝区属此种类型的有Ⅲ1类岩（占75％）、Ⅲ2类岩（占100％）、1V类岩（占100％）及部分刚性结构面。
（三）应力与应变关系分析
由于电子计算机科技的快速发展，过去岩石力学对应力与应变的分析假定为线性弹性，但笔者认为岩石属于弹塑性体，但由于节理裂隙的存在及其它因素的影响，它不同于其它介质，而是成为不连续介质，这也决定了其应力～应变轨迹会相对复杂，因此过去用直线来描绘应力与应变关系显然不够精确。通过此次工程实例分析，并应用有效的数值分析技术和有限元方法进行岩石的非线性、非弹性计算。通过对坝基的大量岩石现场抗剪（断）试验资料，试验结题分析整理表明，岩石的应力与应变更接近于双曲线关系，当然也存在接近直线关系特殊情况。此次试验结果也发现，由于岩体是由岩桥和结构面组成的复杂混合体，两者在荷载作用下共同协调作用，破坏机理复杂，但通过应力一位移关系曲线上的不同特征，划分出各阶段的强度特征点进行比较，发现无论哪种破坏形式，其破坏过程均历经三个阶段：（1）可逆的弹性变形阶段；（2）不可逆的屈服变形阶段，其中弹性变性阶段不突出，主要为软弱结构面为代表的塑性破坏型；（3）破坏阶段。据此按照不同变形阶段划分出“比例极限强度）、屈服极限强度、峰值强度、残余强度”这四个强度特征点，如以下图上所示，结构面比例极限特征点不明顯。总的来说，研究结果表明，邓肯的双曲线数学模量型除了适用于粘弹性，也可扩展到岩石这一类的弹塑性体。
图 1岩体抗剪断强度特征点
其中，图上中1表示为比例极限强度；2为屈服极限强度；3为峰值强度；4为残余强度；A为岩体抗剪断，B为刚性结构面，C为软弱结构面。
四、结语与建议
综上所述，由于电子计算机的科学技术快速发展，通过本次试验研究，结果表明过去对岩石应力～应变关系的线性分析简单但不够全面准确，应适当进行非线性分析，其他研究报道也表明双曲线的数学模型更精确地反应了岩石力学中应力与应变关系。此外，此次研究过程中发现应用优定斜率法整理研究结果，客观反映了各类岩体和各类结构面的抗剪（断）强度性质，即岩石的抗剪（断）强度性质的总体趋势得到更客观的反映，体现在其代表性强且规律性好，提供了设计、施工等基础力学参数选取可靠的依据，所以建议应用优定斜率法成果整理值作为试验成果标准值和建议参数选取的基本依据。
参考文献
[1]原中华人民共和国电力工业部主编．工程岩体试验方法标准（GB／TS0266—99）．北京：中国计划出版社，1999．
[2]长江水利委员会长江科学院主编．水利水电工程岩石试验规程（SL264—2001） [s]．
[3]蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程[M]．北京：科学出版社，2007．
[4]刘明维，何沛田，钱志雄，郑颖人．岩体结构面抗剪强度参数试验研究[J]．重庆建筑，2005．
关键词：岩石；抗剪（断）试验；应力与应变；强度
一、现场岩石抗剪（断）试验概述
岩块抗剪试验，包括抗剪断试验（用于完整岩块）和结构面摩擦试验（用于岩体中的结构面），两者的强度参数均用摩擦角和内聚力表示，试验时需逐级施加法向应力以便获得剪应力～剪切位移关系曲线。此外，岩石变形，包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。所谓流变指的是岩体的应力和变形与时间有关的特性，前者称应力松弛，后者称蠕变（或称徐变）。
岩体处于复杂的三维应力场中，是一种复杂的地质体，岩体破坏往往会因其所赋存的应力状态发生改变引起的，工程状态预报的可靠性较差，所以通过现场观测来鉴别岩体性态日益受到重视。工程上常用的现场测试与观测方法有：地应力量测，地应力也称原岩应力、天然应力、初始应力，均指地壳岩体中未经开挖扰动的应力（见岩体中应力）。目前，定量确定地应力大小和方向的有效方法是进行现场岩体应力量测。地应力量测包括绝对应力量测（常用于套孔和钻孔孔底应力解除技术）和应力变化量测两类（用于长期观测）。30年代以来发展了多种应力量测方法，这些量测方法虽原理不同，但大多属于间接量测。岩体的变形观测结果，不但可以直接用于岩体力学作用监测，进行稳定性分析和预报，而且可以利用数值计算方法进行位移反馈分析，获得表征岩体特性的变形参数和岩体中的初始应力状态。
二、岩石应力与应变性质的主要影响因素
多个因素制约着表征岩石力学特性的应力～应变关系，但很大程度上还是取决于岩石本身的性质。岩石为一种弹塑性体，其性质复杂多变，岩石变形总是同时发生塑性变形和岩石变形发生，以下进一步分析岩石应力与应变关系的主要影响因素，如下：（1）岩石的均一性，节理裂隙发育程度，充填物的性质及数量，致密坚硬性，风化程度等。若岩石均一性好，无充填物的新鲜岩石，节理裂隙不发育，致密坚硬，浅风化，弹性变形为主，反之则塑性变形为主；（2）地下水的影响。地下水起润滑作用，易使节理裂隙的充填物软化而形成软弱结构面，使岩石的强度降低。所以做岩石抗剪（断）试验时，试验前应先将试件用水饱和后再进行；（3）岩石的初始应力状态。岩石的破坏强度应由两部分组成，即“自身强度和初始应力”，在开凿岩洞过程中，往往由于卸掉初始应力而造成岩崩现象的发生，而这一个因素常常是设计者容易忽略的；（4）适应变形能力。这是岩石本身一个重要特性。判断建筑物是否稳定，应要考虑两点：强度的高低和破坏变形的大小。有些建筑物强度虽较高，但破坏变形很小，一旦有意外应力出现，如地震应力，那么建筑物就会因变形超过破坏变形而失稳。
三、抗剪（断）强度试验实例分析
（一）工程概况
某大坝工程基岩以粗粒角闪黑云二长花岗岩类为主，其中穿插发育于花岗岩中还有玢岩脉、辉绿岩脉、闪长岩脉、花岗细晶岩脉等各类脉岩，其中分布比较多的为辉绿岩脉，它们与围岩的接触关系主要有三种类型：断层式接触、裂隙式接触、焊接式接触。在构造变质作用和气液交代的作用下坝区基岩发生原生蚀变；此外，在外营力作用下，发生了绢云母化蚀变等次生风化蚀变。这些岩石性质的变化，影响着岩体的质量和结构。所以在预可行性研究、可行性研究阶段对大坝共完成了51组现场抗剪（断）强度试验，试验点基本覆盖了坝区各类岩体和各类结构面，这将能合理全面地给坝区岩体和结构面强度参数的选取提供基础依据。
（二）岩石石强度特点分析
认识岩体强度和合理选取参数的基础，一般是在法向和剪切载荷作用下岩体的破坏机理和变形特性。其中岩体原位抗剪试验应力一位移曲线，不仅是对试验成果作出正确评价的依据，也是确定岩石试件承受载荷的极限能力和阶段强度取值特征点及分析抗剪强度受试件缺陷程度影响的依据。工程设计计算时，取值依据应力一变形曲线，以直接将经计算得出法向、剪切刚量等值运用于工程设计计算。所以，在工程实际应用或本构理论分析中，剪应力～剪切位移关系曲线的分析研究起到很重要的作用，其中受剪应力作用初始阶段具有准弹性或弹性特征，完整的剪应力～剪切位移关系曲线一般具有4个特征点，即“峰值强度、屈服极限强度、比例极限强度和残余强度”。如下根据坝区岩体抗剪（断）强度试验点及其应力～位移曲线特征，将岩石强度特点分析总结为以下几个类型：（1）塑性破坏型。试验结果表明，坝区软弱结构面及部分刚性结构面为此类型。此类型中屈服极限强度及比例极限强度特征点不明显；（2）脆性破坏型。试验结果表明，坝区属此种类型的有Ⅱ类岩（占80％）、Ⅲ1类岩（占25％），两类岩的突出特征点都表现出明显的峰值；（3）复合破坏型。上述两种类型的组合型，裂隙有一定发育的裂隙岩体常具此类特征，在试验资料中复合型大概占试验总量的40％ ～50％。试验结果表明，坝区属此种类型的有Ⅲ1类岩（占75％）、Ⅲ2类岩（占100％）、1V类岩（占100％）及部分刚性结构面。
（三）应力与应变关系分析
由于电子计算机科技的快速发展，过去岩石力学对应力与应变的分析假定为线性弹性，但笔者认为岩石属于弹塑性体，但由于节理裂隙的存在及其它因素的影响，它不同于其它介质，而是成为不连续介质，这也决定了其应力～应变轨迹会相对复杂，因此过去用直线来描绘应力与应变关系显然不够精确。通过此次工程实例分析，并应用有效的数值分析技术和有限元方法进行岩石的非线性、非弹性计算。通过对坝基的大量岩石现场抗剪（断）试验资料，试验结题分析整理表明，岩石的应力与应变更接近于双曲线关系，当然也存在接近直线关系特殊情况。此次试验结果也发现，由于岩体是由岩桥和结构面组成的复杂混合体，两者在荷载作用下共同协调作用，破坏机理复杂，但通过应力一位移关系曲线上的不同特征，划分出各阶段的强度特征点进行比较，发现无论哪种破坏形式，其破坏过程均历经三个阶段：（1）可逆的弹性变形阶段；（2）不可逆的屈服变形阶段，其中弹性变性阶段不突出，主要为软弱结构面为代表的塑性破坏型；（3）破坏阶段。据此按照不同变形阶段划分出“比例极限强度）、屈服极限强度、峰值强度、残余强度”这四个强度特征点，如以下图上所示，结构面比例极限特征点不明顯。总的来说，研究结果表明，邓肯的双曲线数学模量型除了适用于粘弹性，也可扩展到岩石这一类的弹塑性体。
图 1岩体抗剪断强度特征点
其中，图上中1表示为比例极限强度；2为屈服极限强度；3为峰值强度；4为残余强度；A为岩体抗剪断，B为刚性结构面，C为软弱结构面。
四、结语与建议
综上所述，由于电子计算机的科学技术快速发展，通过本次试验研究，结果表明过去对岩石应力～应变关系的线性分析简单但不够全面准确，应适当进行非线性分析，其他研究报道也表明双曲线的数学模型更精确地反应了岩石力学中应力与应变关系。此外，此次研究过程中发现应用优定斜率法整理研究结果，客观反映了各类岩体和各类结构面的抗剪（断）强度性质，即岩石的抗剪（断）强度性质的总体趋势得到更客观的反映，体现在其代表性强且规律性好，提供了设计、施工等基础力学参数选取可靠的依据，所以建议应用优定斜率法成果整理值作为试验成果标准值和建议参数选取的基本依据。
参考文献
[1]原中华人民共和国电力工业部主编．工程岩体试验方法标准（GB／TS0266—99）．北京：中国计划出版社，1999．
[2]长江水利委员会长江科学院主编．水利水电工程岩石试验规程（SL264—2001） [s]．
[3]蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程[M]．北京：科学出版社，2007．
[4]刘明维，何沛田，钱志雄，郑颖人．岩体结构面抗剪强度参数试验研究[J]．重庆建筑，2005．