巖石的強度是巖石抵禦外力破壞的能力，依據抵抗造成巖石破壞的應力性質，巖石的強度可分為，抗壓強度、抗拉（張）強度和抗剪強度。其中的抗拉強度儲集層巖石中極少用到，故這裏主要介紹另外兩種。
1.抗壓強度
巖石的抗壓強度就是巖石試件在單軸壓力下達到破壞的極限值，它在數值上等於破壞時的最大壓應力。巖石的抗壓強度壹般是在實驗室內用壓力機進行加壓試驗測定的，試件通常采用圓柱形（鉆探巖心）或立方柱狀（用巖塊加工入試件的斷面尺寸，圓柱形試件采用直徑D＝5cm，也有采用D＝7cm的；立方柱狀試伴，采用5cm×5cm或7cm×7cm）。試件的高度h應當滿足下列條件：
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這裏D為試件的橫斷面直徑；A為試件的橫斷面積。
試驗結果按下式計算抗壓強度：
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其中：Rc為巖石單軸抗壓強度；Pc為巖石試件破壞時所加的軸向壓力；S為巖石試件橫斷面面積。
2.抗剪強度
巖石抗剪強度是指巖石抵抗剪切破壞或滑動的極限強度，以巖石被剪破或滑動時的極限應力表示。巖石抗剪強度是需要研究的巖石最重要工程力學特性之壹，往往比巖石抗壓強度及抗拉強度更有意義。巖石抗剪強度的力學指標為內聚力c和內摩擦角φ，通過各種巖石剪切實驗進行測定。在垂直壓力P作用下，並且在水平方向施加剪應力T，直到巖石試件被剪破為止，此時剪切面上正應力σ及剪應力τ分別為
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式中：P，T分別為試件開始沿著先存剪切面發生滑動時所施加的最大垂直壓力、最大水平剪切力；S為剪切面面積。
為了密切工程實際，可以將巖石抗剪強度進壹步劃分為三種類型，即抗剪斷強度、抗剪強度及抗切強度等。
（1）抗剪斷強度
抗剪斷強度是在垂直壓力P作用下，並且在水平方向施加剪應力T，直到試件被剪斷為止，此時根據莫爾－庫侖強度理論，巖石抗剪斷強度τf為
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（2）抗剪強度
抗剪強度是巖石試件具有先存剪切面（節理面或裂縫面）時，在垂直壓力P作用下，並且在水平方向施加剪切力T直到試件發生剪切滑動為止。此時，巖石抗剪強度τf為
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（3）抗切強度
抗切強度是沒有垂直壓力作用的條件下，而在水平方向施加剪切力T直到巖石試件剪斷為止。此時，剪切面上無正應力，僅有剪應力T，則剪切應力
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式中：T為巖石試件剪斷時所施加的最大水平剪切力；S為先存剪切面面積。按莫爾強度理論，抗剪強度定義為
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巖石抗剪強度實驗及計算式子也可以用於確定巖體中軟弱結構面的抗剪強度。
3.破裂準則所謂破裂準則就是巖石發生破裂的條件，假定巖石處於（σ1，σ2，σ3）的應力狀態時發生了破裂，我們把σ1，σ2，σ3之間的關系σ1＝f（σ2，σ3）稱為破裂準則。下面詳細討論幾種常見破壞形式和破裂準則。儲集巖石處於地下，主應力壹般都是壓性的，主要發生剪破裂，故壹般討論剪切破裂問題較多。但在水力壓裂條件下，巖石中的孔隙壓力足夠大，張性壓裂壹樣有可能發生。
（1）庫侖莫爾破裂準則
這是巖石力學中應用最廣泛的強度理論，它認為，當某壹面上剪切應力超過其所能承受的極限剪應力τ值時，巖石便破壞。法國物理學家庫侖在1781年運用物體滑動時摩擦力和法向壓力的正比關系求解平衡問題，得到庫侖摩擦定律。巖石破裂的實驗結果，可以用與摩擦公式相似的簡單關系表示，稱為庫侖破裂準則：
若巖石內部某平面上的正應力σ和剪切力τ滿足條件τ＝c＋μσ，則該面將發生破裂，式中c稱作巖石的內聚力或聚合強度（Cohension）；μ稱為內摩擦系數，工程上常令μ＝tanφ，φ稱內摩擦角。圖3－7所示為庫侖破裂準則的圖解，剪切力τ增大到壹定程度，巖石破裂；如果正應力σ較大，內摩擦力增大，需要更大的剪切力τ使巖石破裂。
莫爾在1882年引入莫爾圓來顯示材料內部的應力狀態（Timoshenko，1970），能夠直觀地表現破裂準則，圖3－8是當極限平衡狀態下的莫爾圓。
圖3－7 庫侖準則示意圖
圖3－8 極限平衡狀態下的莫爾圓
首先考慮平面問題，如圖3－9a所示，在巖體中任取壹單元體，設作用在該微小單元體上的兩個主應力為σ1和σ3（σ1>σ3），在微單元體內與最大主應力σ1作用面成任意角度α的mn平面上有正應力σ和剪應力τ。為了建立σ，τ和σ1，σ3之間的關系，取微棱柱體abc為隔離體，如圖3－9b所示。
圖3－9 庫侖莫爾圓
將各個力分別在水平和垂直方向投影，根據靜力平衡條件可得
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以上兩方程聯立，求得mn平面上的應力為
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以上σ，τ和σ1，σ3之間的關系可以用庫侖－莫爾應力圓表示，如圖3－9c所示。在στ直角坐標系中，按壹定的比例，沿σ軸截取OB和OC分別表示σ3和σ1，以D為圓心，（σ1σ3）為直徑作圓，從DC開始逆時針旋轉2α角，得到DA線，其與圓周交於A點。從式（3－17）可知，圖中A點的橫坐標就是mn平面上的正應力σ，縱坐標就是剪應力τ。因此，庫侖－莫爾圓可以表示巖石中壹點的應力狀態，圓周上各點的坐標就是該點在相應平面上的正應力和剪應力。這樣，莫爾圓既可給出破裂發生時剪應力τ與正應力σ的具體數值，又可以表現出破裂發生的方向。
莫爾於1900年提出，當壹個面上的剪應力τ與正應力σ之間滿足某種函數關系數，即
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沿該面會發生破裂，這就是莫爾破裂準則，其中函數f的形式與巖石種類有關。這樣，莫爾就把庫侖準則壹般化了。因為庫侖準則在στ平面上代表壹條直線，而莫爾準則代表στ平面上的壹條曲線。該曲線常被稱為破裂線，也有的書稱其為強度線。莫爾的另壹個貢獻是，將庫侖莫爾圓擴展到三維，做法為：在τσ平面上，莫爾圓以（σ1σ3）為直徑，破裂線AB與該大圓相切則發生破裂，破裂面與最大主應力σ1方向的夾角為（π/2β），中等主應力σ2的大小對破裂發生條件及破裂面方位沒有影響。利用三維莫爾圓，可以得出巖石內部任意平面上的法向應力與切向應力。做法是，根據研究平面與最大應力方向的夾角φ和其與最小主應力方向的夾角θ，在σ1和σ2構成的小圓內作出壹條與σ軸成2φ角的半徑（在本例中φ＝30°，2φ＝60°），在σ3和σ2構成的小圓內作壹條與σ軸成2θ角的半徑（在本例中2θ＝75°），根據這兩條半徑分別與其圓周相交點的刻度，確定交點P，P點的縱、橫坐標就是該平面上的切應力τ和正應力σ，如圖3－10所示。
圖3－10 三維莫爾圓
當τ＝f（σ）為直線時，其與庫侖準則是壹致的，被稱為庫侖－莫爾準則，或庫侖－莫爾強度線；實驗表明，當巖石較軟弱時，其強度曲線近似於拋物線形，此時莫爾破裂準則表為τ2＝σt（σ＋σt），其中σt為巖石單軸抗拉強度，當τ2≥σt（σ＋σt）時，巖石破裂；當巖石較堅硬時，強度曲線近似於雙曲線型，可表為τ2＝（σ＋σt）2tanη＋（σ＋σt）σt，其破壞判據為τ2≥（σ＋σt）2tanη＋（σ＋σt）σt，其中 ，σc為單軸抗壓強度。
（2）格利菲斯強度理論
莫爾強度理論將材料看作完整而連續的均勻介質，可實際上任何材料內部都會存在許多細微裂紋或裂隙，在應力作用下，這些裂隙周圍（尤其在裂隙端部）將產生較大的應力集中，有時由於集中在局部產生的應力可以達到所加應力的100倍，故材料破壞主要取決於內部裂隙周圍應力狀態，材料的破壞往往從裂隙端部開始，並通過裂隙擴展而導致完全破壞。1920年，格裏菲斯（Griffith）的經典論文使斷裂力學研究取得了突破。格裏菲斯考慮固體中受應力作用的壹條孤立裂縫，根據經典力學和熱力學的基本能量理論，提出了
裂紋擴散理論。在外力作用下，由材料內部應力集中而聚集起來的彈性勢能大於使之沿裂隙擴展所做的功時，材料便沿裂隙開裂。如圖3－11所示，材料內部原有壹條長度為L的裂隙，在彈性勢能U作用下產生長度為ΔL的裂隙擴展，釋放的彈性勢能為ΔU，則能量釋放率（能量梯度，也稱裂隙擴展p）G為
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裂隙擴展長度為ΔL時，所增加的表面能ΔS為
圖3－11 裂縫擴展示意圖
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式中：γ為單位面積（單位線長度）表面能。假定R為表面能增加率或裂隙擴展阻力，則有
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可見，只有當G≥R時，裂隙方得以擴展。所以G≥R即為裂隙擴展的能量準則。
下面來研究裂隙擴展的應力準則。
選取裂隙擴展方向為x軸，則y軸垂直於裂隙表面，裂隙端點處的應力為σx，σy和τxy。而裂隙橢圓周邊的切向應力σb可以采用彈性力學中的英格裏斯（Inglis）公式表示（淩賢長等，2002），可得到裂隙端點最大切應力為
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其中m＝b/a是裂隙橢圓長半軸與短半軸的比值。必須說明壹點，因為裂隙是壹個拉長橢圓，裂隙端點的切應力是沿y軸方向的。這樣，在σy>0條件下，式（3－22）采用負號方能取得負的σb值，即呈拉應力，當該應力大於σt（巖石單軸抗拉強度），裂隙端點就會出現新的破裂，引起裂隙的擴展。用主應力σ1，σ2和σ3表示σx，σy和τxy，可得到破裂角β（裂縫面與σ1夾角）的表達式
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這就要求（σ1－σ3）/2（σ1＋σ3）≤1，即σ1＋3σ3≥0。如果滿足σ1＋3σ3≥0條件，可用σy和τxy表示該強度準則 ，或者τ2xy≥4σt（σt－σy）。采用σ1和σ3表示，則為（σ1－σ3）2/（σ1＋σ3）≥－8σt，這裏出現負號，是因為巖石力學中張應力為負，出現張應力使巖石裂開。為滿足上述破裂條件，要求σ1與σ3差別較大，當σ3＝0，即單軸應力條件下，cos2β＝1/2，於是有2β＝60°，故破裂角β＝30°；當σ3<0時，強度準則更容易滿足，此時（σ1－σ3）/2（σ1＋σ3）>1/2，故β<30°，因受到應力準則σ1＋3σ3≥0的限制，其極限情況就是σ1＋3σ3＝0，此時cos2β＝1，β＝0；最常見的情況是σ3>0，這時（σ1－σ3）/2（σ1＋σ3）<1/2，β>30°，如果σ1和σ3都很大，且巖石強度較小時，cos2β→0，即β→45°。
如果條件σ1＋3σ3≥0得不到滿足，則意味著巖石處於張應力環境，當σ3≤－σt時，巖石沿垂直於σ3的平面裂開。
如果以壹定壓力將液體泵入壹個完整巖石的鉆井中，壹旦孔內液體壓力大於當地應力場的作用力時，井壁巖石就將承受張應力，這個張應力等於或大於巖石的抗張強度，就會發生張性破裂，這種張性破裂面壹定通過最大主應力軸，且垂直於最小主應力軸。