在中國傳統文化裡，石頭，一直都是堅硬、堅貞、堅定、堅強的象征。我們用“精誠所至，金石為開”來形容一個人強大的意志和不懈的堅持，終能克服一切困難；“君當作磐石，妾當作蒲葦“的愛情故事，千百年來感動了一代又一代的人；”珞（luò）珞如石“，則用來形容一個人的理想信念堅定，思想有主見。
那麼，堅如磐石，到底有多“堅”呢？
在現代岩石力學中，科學家們針對石頭的強度進行了大量研究，可以為我們解答“石頭到底有多結實”這一問題。當石頭，或者說岩石，在受到力的作用，如錘子砸、斧頭劈、鑿子鑿時，就會發生變形乃至破壞。但是需要多大的力才能使岩石破壞？這就涉及到岩石的強度問題。岩石在破壞前所能承受的最大的力，就是岩石的極限強度。
圖1：《寶蓮燈》中，
陳香與二郎神争鬥、劈山救母的故事，感動着童年的我們
不論我們是拿錘子砸，還是拿斧頭劈、鑿子鑿，甚至是像葫蘆娃一樣把石頭高高舉起，狠狠地摔在地上，能夠使石頭發生破壞的，隻有五種基本作用形式：壓縮、拉伸、剪切、彎曲和扭轉。
圖2：岩石受力的五種基本形式
一般來說，岩石對拉伸、剪切、彎曲和扭轉這四種作用形式的承受力，要遠遠低于對壓縮的承受力。此外，在日常生活中，岩石也更多地承受着壓力，如地下深處的岩石，受着上部岩石的壓力；作為建築地基的岩石，承載着上部建築物的壓力；大壩周圍的山體，承受着水的壓力……是以，我們常常選擇岩石在壓縮作用下的最大承受力，來作為其強度的度量。
壓縮也分多種情況。在實際情況裡，地下的岩石往往在多個方向被壓縮，我們将其簡化為空間坐标中三個互相垂直的方向（X、Y、Z方向）。在三個方向都被壓縮，我們稱之為三軸壓縮狀态；而隻有一個方向被壓縮，則稱為單軸狀态。但是在岩石的壓縮試驗中，真正的三軸狀态很難模拟。是以，我們常常采用圓柱形岩石，在其周圍充滿具有一定壓力的液體（一般為液壓油），使其周圍一圈都具有相同的壓力。這樣的壓縮試驗稱為假三軸壓縮試驗。
在三種試驗中，單軸壓縮最容易操作，得出的結果也更具有代表性。是以，實際中常常用岩石的單軸壓縮強度來作為岩石強度的名額。
圖3：岩石壓縮試驗的類型
岩石作為一種天然材料，即使外表看上去很均勻緻密，内部也會存在一些裂隙和缺陷，是以，往往尺寸越大，内部的裂隙和缺陷越多，測試出的強度就越低。是以在測試其強度時，需要規定測試樣本的尺寸。對于圓柱形試樣，其标準尺寸為：直徑50mm，高度100mm~120mm。在壓縮時，壓縮的速度也有統一的要求。
圖4：用于單軸壓縮的岩石試樣，從左至右依次為：
花崗岩、大理岩、砂岩
圖5：岩石單軸壓縮試驗機
随着岩石不斷被壓縮，岩石的變形不斷增大，其承受的力也不斷增加，直到達到峰值（圖中D點）。這一峰值強度，就是岩石的單軸壓縮強度。繼續加載，岩石就已經碎裂了，能承受的力也大幅下降。但值得一提的是，即使被壓成碎塊，岩石也仍能保持一定的殘餘強度，實在是敬業的典範。
圖6：岩石單軸壓縮變形全過程
不同的岩石，礦物成分不同，結構構造不同，是以具有不同的強度。同一種岩石，由于其形成條件不同，風化程度不同，岩石強度也會有較大差異。
是以，我們無法給出一種岩石的準确強度，而隻能得到一個大緻範圍。我們一般用兆帕【1MPa=10Pa，相當于在1平方米的面積上壓了一頭露脊鲸（100噸）】作為岩石強度的機關，以下是幾種常見岩石的單軸壓縮強度範圍：
1. 石灰岩
石灰岩是一種分布廣泛的沉積岩，也是我們工業生産、工程建造所必不可少的資源。“千錘萬鑿出深山，烈火焚燒若等閑。”它是燒制石灰、生産水泥的主要原料，也是冶金、化工等必不可少的材料。
它的單軸壓縮強度範圍是50MPa~200MPa。最結實的石灰岩的強度，相當于在1平方米的面積上壓了一輛長達2.6千米的重載列車（重約20000噸）。
圖7：石灰岩标本。
圖8：石灰岩是最常見的岩石。建築的石子，基本都是石灰岩。
圖9：千姿百态的溶洞，就是發育在石灰岩地區。
這樣溶洞廣布的地貌，又叫做喀斯特地貌。
2. 大理岩
大理岩，是石灰岩、白雲岩等碳酸鹽岩經岩漿烘烤，受熱變質而成的一種變質岩，主要成分為碳酸鈣，因其最早盛産于雲南大理而得名。白色的大理岩，又叫漢白玉，其潔白無瑕，質地細膩，宛若美玉，是一種名貴的建築材料，深受古代皇家貴族的喜愛。
它的單軸壓縮強度範圍100MPa~250MPa。其最高的強度，相當于在1平方米的面積上壓了一艘071型船塢登陸艦（重約25000噸）。
圖10：大理岩标本
圖11：漢白玉獅子
3. 花崗岩
花崗岩，是酸性岩漿在地下逐漸冷卻形成的一種岩漿岩。它質地堅硬，耐磨性好，顔色從粉紅、花白到青黑，顆粒由細到粗，種類繁多，十分美觀，是以常常被用來制作地磚、桌面、裝飾面等。
它的單軸壓縮強度範圍100MPa~250MPa，強度範圍與大理岩相同。
圖12：花崗岩标本。
圖13：溫馨的家居，裝點着花崗岩桌面
4. 石英岩
石英岩是由富含石英礦物的岩石（如石英砂岩）經變質作用而來的一種變質岩。它的主要成分為二氧化矽（SiO），摩氏硬度可達7（鋼鐵約為6，鑽石為10），是一種非常堅硬的岩石。
它的單軸壓縮強度範圍150MPa~350MPa。350MPa，相當于在1平方米的面積上壓了一艘中型航母（約3.5萬噸）。
圖14：石英岩标本
（圖檔來自維基百科）
5. 玄武岩
玄武岩，是基性岩漿噴發出地表後冷卻而成的岩漿岩。有的玄武岩十分緻密，比一般岩石都重；但有的卻充滿氣孔，十分輕盈，甚至在水中可以浮起來。在野外，常常可以看到“玄武岩柱”，這是高熱熔岩在噴發出來後，急速冷卻導緻體積收縮所造成的。它耐磨性好，抗壓性好，耐腐蝕，是一種優良的天然材料，廣泛用于工業生産、工程建造中。此外，它還能被“點石成金”，熔融後拉制成玄武岩纖維，成為一種性能卓越的新型材料，應用在國防建設、航空航天、特種服裝中。
它的單軸壓縮強度範圍150MPa~300MPa。
圖15：玄武岩标本
圖16：玄武岩冷卻收縮後形成玄武岩柱，整齊地伫立在海邊
6. 礫岩
礫岩，是由礫石等大顆粒沉積物經過搬運和沉積後，最終埋藏在地下發生成岩作用形成的一種沉積岩。在固結成岩後，它仍保持着最初的形态。
它的單軸壓縮強度範圍是10MPa~150MPa
圖17：由碎石、岩土碎屑組成的礫岩，保留了它最初的形态
7. 輝綠岩
輝綠岩是基性岩漿在地下冷卻形成的一種岩漿岩，其顔色呈灰綠色到暗黑色不等，耐磨性好，硬度高。質地均勻、外表美觀的輝綠岩，常作為一種上等的建築材料。
它的單軸壓縮強度範圍200MPa~350MPa[1]。
圖18：輝綠岩标本
将七種岩石的強度彙總如下：
圖19：岩石強度對比圖
可以看出，岩石的強度，的确高的令人驚訝。小小的石頭，卻能承受上萬噸的壓力。“堅如磐石“一詞，果真有理有據。在這七種常見岩石中，強度最高的三種岩石，依次是輝綠岩、石英岩和玄武岩。
圖19：常見的強度最高的三種岩石
另外，值得一提的是，當岩石超過一定尺度後，難免有裂隙和缺陷，強度就大大下降了。這種充滿裂隙和缺陷的岩石，我們稱之為“岩體“。岩體的強度，在工程實踐中有着更深遠的意義。
注：圖8/9/11/13/16來自圖蟲創意，圖2/3/6/19/20為作者繪。
參考文獻
[1]蔡美峰,何滿潮,劉東燕等.岩石力學與工程[M].北京.科學出版社,2013
[2]鳳強,闫景一,李夕兵.基于線性儲能規律和剩餘彈性能指數的岩爆傾向性判據[J].水利水電快報,2018,39(09):3.
轉載内容僅代表作者觀點
不代表中科院實體所立場
來源：中科院地質地球所
編輯：荔枝果凍