在中国传统文化里,石头,一直都是坚硬、坚贞、坚定、坚强的象征。我们用“精诚所至,金石为开”来形容一个人强大的意志和不懈的坚持,终能克服一切困难;“君当作磐石,妾当作蒲苇“的爱情故事,千百年来感动了一代又一代的人;”珞(luò)珞如石“,则用来形容一个人的理想信念坚定,思想有主见。那么,坚如磐石,到底有多“坚”呢?
在现代岩石力学中,科学家们针对石头的强度进行了大量研究,可以为我们解答“石头到底有多结实”这一问题。当石头,或者说岩石,在受到力的作用,如锤子砸、斧头劈、凿子凿时,就会发生变形乃至破坏。但是需要多大的力才能使岩石破坏?这就涉及到岩石的强度问题。岩石在破坏前所能承受的最大的力,就是岩石的极限强度。
不论我们是拿锤子砸,还是拿斧头劈、凿子凿,甚至是像葫芦娃一样把石头高高举起,狠狠地摔在地上,能够使石头发生破坏的,只有五种基本作用形式:压缩、拉伸、剪切、弯曲和扭转。一般来说,岩石对拉伸、剪切、弯曲和扭转这四种作用形式的承受力,要远远低于对压缩的承受力。
此外,在日常生活中,岩石也更多地承受着压力,如地下深处的岩石,受着上部岩石的压力;作为建筑地基的岩石,承载着上部建筑物的压力;大坝周围的山体,承受着水的压力……因此,我们常常选择岩石在压缩作用下的最大承受力,来作为其强度的度量。压缩也分多种情况。在实际情况里,地下的岩石往往在多个方向被压缩,我们将其简化为空间坐标中三个互相垂直的方向(X、Y、Z方向)。
在三个方向都被压缩,我们称之为三轴压缩状态;而只有一个方向被压缩,则称为单轴状态。但是在岩石的压缩试验中,真正的三轴状态很难模拟。因此,我们常常采用圆柱形岩石,在其周围充满具有一定压力的液体(一般为液压油),使其周围一圈都具有相同的压力。这样的压缩试验称为假三轴压缩试验。在三种试验中,单轴压缩最容易操作,得出的结果也更具有代表性。因此,实际中常常用岩石的单轴压缩强度来作为岩石强度的指标。
岩石作为一种天然材料,即使外表看上去很均匀致密,内部也会存在一些裂隙和缺陷,因此,往往尺寸越大,内部的裂隙和缺陷越多,测试出的强度就越低。所以在测试其强度时,需要规定测试样本的尺寸。对于圆柱形试样,其标准尺寸为:直径50mm,高度100mm~120mm。在压缩时,压缩的速度也有统一的要求。随着岩石不断被压缩,岩石的变形不断增大,其承受的力也不断增加,直到达到峰值(图中D点)。
这一峰值强度,就是岩石的单轴压缩强度。继续加载,岩石就已经碎裂了,能承受的力也大幅下降。但值得一提的是,即使被压成碎块,岩石也仍能保持一定的残余强度,实在是敬业的典范。不同的岩石,矿物成分不同,结构构造不同,因此具有不同的强度。同一种岩石,由于其形成条件不同,风化程度不同,岩石强度也会有较大差异。因此,我们无法给出一种岩石的准确强度,而只能得到一个大致范围。
我们一般用兆帕【1MPa=106Pa,相当于在1平方米的面积上压了一头露脊鲸(100吨)】作为岩石强度的单位,以下是几种常见岩石的单轴压缩强度范围:石灰岩的单轴压缩强度范围是50MPa~200MPa。最结实的石灰岩的强度,相当于在1平方米的面积上压了一辆长达2.6千米的重载列车(重约20000吨)。大理岩的单轴压缩强度范围100MPa~250MPa。
其最高的强度,相当于在1平方米的面积上压了一艘071型船坞登陆舰(重约25000吨)。花岗岩的单轴压缩强度范围100MPa~250MPa,强度范围与大理岩相同。石英岩的单轴压缩强度范围150MPa~350MPa。350MPa,相当于在1平方米的面积上压了一艘中型航母(约3.5万吨)。玄武岩的单轴压缩强度范围150MPa~300MPa。砾岩的单轴压缩强度范围是10MPa~150MPa。
辉绿岩的单轴压缩强度范围200MPa~350MPa。将七种岩石的强度汇总如下:可以看出,岩石的强度,的确高的令人惊讶。小小的石头,却能承受上万吨的压力。“坚如磐石“一词,果真有理有据。在这七种常见岩石中,强度最高的三种岩石,依次是辉绿岩、石英岩和玄武岩。另外,值得一提的是,当岩石超过一定尺度后,难免有裂隙和缺陷,强度就大大下降了。这种充满裂隙和缺陷的岩石,我们称之为“岩体“。
岩体的强度,在工程实践中有着更深远的意义。