和其他材料一样，岩石受力时会产生变形。如果按其应力—应变关系，可将其变形性状分为弹性变形和塑性变形两种。固体力学中定义弹性变形，是指物体在外力作用下产生变形，当撤去外力后能够立即恢复到原有的形状和尺寸的变形；塑性变形是指物体受力变形，除去外力后变形不再恢复的变形，又称永久性变形或残余变形。下面将主要研究岩石单向受压情况下的变形特征。
岩石的变形规律，可通过外力作用下的变形参数说明，所以有必要先了解岩石的应力-应变关系。首先着重研究简单的单向受压条件下的应力-应变关系。
1.岩石的应力-应变曲线
对一定形状（圆柱体、长方体等）的岩石试件，用材料试验机按一定时间间隔施加单向压力，测量加压过程中各级应力及相应的轴向应变（e）和横向应变（d）值。并由此可以计算出体积应变值（εV）和绘出以压力（σ）为纵坐标、各类应变为横坐标的应力-应变曲线。据大量实验表明，在单向压力作用下，典型的应力-应变全过程曲线（见图 6.1），大致可分为5个阶段：
（1）O—a 段，微裂隙及孔隙闭合阶段。σ-εl曲线呈上凹型，表明裂隙、孔隙压密开始较快，随后渐慢（斜率逐渐增大）；体积随压力增加而减小，即 εv为正值，σ-εd曲线陡。
（2）a—b 段，可恢复弹性变形阶段。σ-εl曲线近呈直线，相应于 b 点的应力值称为比例极限（或弹性极限），变形在很大程度上是可恢复的弹性变形。
图6.1 岩石单轴压缩应力-应变全过程曲线
σ—应力；ε1—轴向应变；εd—横向应变；εv—体积应变。
（3）b—c 段，部分弹性变形至微裂隙扩展阶段。这一阶段曲线由 b 点开始偏离直线，σ—εv曲线最为明显，其斜率随 σ的增大而变陡，直至变负；εv近线性增长，至 c 点岩石压密至最密实状态，体积由压缩转为膨胀，相应于c点的应力值为屈服极限。
（4）c—d 段，非稳定裂隙扩展至岩石结构破坏阶段。σ-εl 曲线斜率迅速减小，岩石体积膨胀加速，变形随应力迅速增长，微裂隙迅速增加、扩展形成局部的拉裂或剪切面，最终导致岩石结构完全破坏。至d点，应力达到最大值，称峰值强度或单轴极限抗压强度。
（5）d 点以后的阶段。过 d 点后，虽然岩石内部结构完全破坏，但仍呈整体，仍有较小的承载能力，随变形不断增加，应力降到某一稳定值，即残余强度，其大小实际上等于破碎块体之间的摩擦阻力。
以上通过对岩石应力-应变关系阶段的划分，可得到4个特征应力值，即比例极限、屈服极限、峰值强度和残余强度。但这是典型化了的曲线，反映了岩石的一般变形习性。由于岩石成分、结构不同，其应力-应变关系也不尽相同，所以并非对所有岩石都可以明显划分出这5个变形阶段。
1965年，美国学者 R·P·米勒根据对28种岩石的实验研究。把在单向压力作用下的应力-应变曲线归纳为6种类型（见图6.2）。
类型Ⅰ为玄武岩、石英岩、辉绿岩、白云岩及坚硬石灰岩等的特征变形曲线，表现为近于直线的特点，直到发生突发性破坏；类型Ⅱ是较软且裂隙少的岩石（如石灰岩、粉沙岩和凝灰岩等）常呈现的变形曲线，开始为直线，末端出现非弹性屈服段；类型Ⅲ为坚硬且裂隙发育的岩石（如沙岩、花岗岩等）在垂直微裂隙方向加荷时常具有的变形曲线，开始为凹曲线，然后转变为直线；类型Ⅳ和Ⅴ（塑-弹-塑性的）为S曲线，岩性较软且有微裂隙者，如片麻岩、大理岩和片岩等常具有这种变形，曲线中段的斜率大小与岩性软硬程度有关；类型Ⅵ（弹-塑-蠕变性的）是岩盐和其他蒸发岩的特征变形曲线，开始为直线，很快变成非线性和连续缓慢的蠕变形。
图6.2 单轴压缩岩石直至破坏的典型应力-应变曲线
Ⅰ—弹性的；Ⅱ—弹-塑性的；Ⅲ—塑-弹性的；Ⅳ—塑-弹-塑性的；Ⅴ—塑-弹-塑性的；Ⅵ—弹-塑-蠕变性的。
2.岩石的变形参数指标
根据各种类型的应力-应变曲线，可以确定岩石的变形指标。在工程实践中，最常用的岩石变形指标有弹性模量E和泊松比μ。弹性模量E是指单轴压缩条件下轴向压应力（σ）与轴向应变（ε）之比。当轴向的应力-应变曲线呈直线型时（见图 6.3），则数值上等于直线的斜率。应力-应变关系不呈直线时，岩石的变形特征可以用以下几种模量说明（见图6.4）。(www.xing528.com)
图6.3 应力与应变为直线关系时确定E的方法
图6.4 岩石的各种模量的确定
初始模量，是应力-应变曲线在原点切线的斜率，即
切线模量，是对应于曲线上某一点M的切线的斜率，即
割线模量，是曲线上某一点M与坐标原点连线的斜率，即
岩石的另一个重要的变形指标是泊松比（μ），指岩石在单向受压时，横向应变与轴向 应变之比，即μ=
。一般来说，由于这一指标是由弹性理论引入的，故只适用于岩石弹 性变形的阶段，当岩石受压内部出现破裂时，泊松效应失效。
3.循环荷载条件下的岩石变形特征
岩石在循环荷载作用下的应力-应变关系，随加荷方法及卸荷应力的不同而异。当在同一荷载条件下对试件加荷、卸荷时，如果卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极限（σA），则卸荷曲线将基本上沿加荷曲线回到原点，表现为弹性恢复（见图 6.5）。但应注意，虽然大部分弹性变形在卸荷后可很快恢复，但小部分（约 10%～20%）必须经一段时间后才可恢复。这种现象称为弹性后效。如卸荷点（P）的应力高于弹性极限时，则卸荷曲线从原来的加荷曲线偏离出来（见图6.6）。如果加荷、卸荷反复多次，可得到图6.7所示的应力-应变曲线。当应力在弹性极限以内时，每次加荷曲线与卸荷曲线均不重合，并围成一个环形面积，称为回滞环或塑性滞环。当每次卸荷后，再用较大荷载加压，则曲线沿着单调加荷曲线上升，其形状类似于连续加荷情况［图 6.7（a）］，说明反复受荷过程并未改变岩石变形的基本习性。当应力在弹性极限以外的某一较高应力下反复加荷卸荷时，将导致变形进一步增加，直至破坏［见图6.7（b）］。破坏时的应力低于峰值强度，通常称为疲劳强度。
图6.5 卸荷点在弹性极限 点以内的应力-应变曲线
图6.6 卸荷点在弹性极限点 以外的应力-应变曲线
图6.7 反复加荷、卸荷时的应力-应变曲线
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