國家精品課程巖土鉆掘工程學(xué)第1章-巖土的物理力學(xué)性質(zhì)及其破碎機理

巖土鉆掘工程學(xué)課時：60學(xué)時教材：《巖土鉆掘工程學(xué)》主講人：鄢泰寧（教授）

勘查與基礎(chǔ)工程系2007-9-10國家精品課程第一章

巖土的物理力學(xué)性質(zhì)及其破碎機理

一、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述二、土的物理力學(xué)性質(zhì)特征三、巖石在外載作用下的的破碎機理四、巖石的可鉆性及可鉆性指標及堅固性系數(shù)國家精品課程第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述

○、巖石的組成與分類巖石是礦物的集合體。礦物是具有一定成分和物理性質(zhì)的無機物質(zhì)。根據(jù)其成因，巖石可分為三類：1、巖漿巖：巖漿巖是內(nèi)力地質(zhì)作用的產(chǎn)物，由地殼深處的巖漿沿地殼裂隙上升冷凝而成。

2、沉積巖：沉積巖是在地表條件下母巖(巖漿巖、變質(zhì)巖或早先形成的沉積巖)風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)搬運、沉積和硬結(jié)等成巖作用而形成的巖石。。

3、變質(zhì)巖：變質(zhì)巖是巖漿巖、沉積巖甚至是變質(zhì)巖本身在地殼中受到高溫、高壓及活動性流體的影響而變質(zhì)形成的巖石。

11/29/2022中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系一般而言：金屬和非金屬礦床一般賦存于巖漿巖和變質(zhì)巖中，煤和石油等可燃性礦產(chǎn)通常與沉積巖共存。

一、巖石按粘結(jié)狀態(tài)的分類

1.堅固巖石：通常具有高硬度，巖石破碎后其礦物質(zhì)點之間的分子連接力都不會恢復(fù)。堅固巖石分含石英和不含石英兩類，前者硬度高，難以鉆掘。通常在生產(chǎn)中會遇到無裂紋和裂隙性兩種堅固巖石。在完整的堅固巖石中施工時，孔（井）壁穩(wěn)定不必加固，而在強裂隙性巖石中穿過的孔（井）壁必須加固。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述11/29/2022中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系2.粘結(jié)性巖石粘結(jié)性巖石由粘土礦物或主要由粘土礦物粘結(jié)的碎屑巖細粒組成，特征：①濕潤條件下，被破壞之前可以有大的殘余變形；②質(zhì)點間的內(nèi)聚力，隨濕潤不同可在很寬的范圍內(nèi)變化；③在粘結(jié)狀態(tài)被破壞后，可采取高壓和增濕的辦法使其內(nèi)聚力得以恢復(fù)；④某些粘結(jié)性巖石（粘土巖、白堊）在濕潤狀態(tài)下具有膨脹性，易造成孔（井）壁縮徑或坍塌。

第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述11/29/2022中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系3.松散性巖石松散性巖石由相互之間無粘結(jié)性的不同形狀與尺寸的細粒（砂、礫石、卵石、漂礫等）聚集而成。在這類巖石中鉆掘的同時必須加固孔（井）壁，以防止坍塌。4.流動性巖石流動性巖石（流砂層）由含水的砂質(zhì)粘土類巖石（細砂、亞砂土）組成。當砂粒之間存在著極細小的粘土顆粒時，這類巖石具有較強的流動性。如果位于上覆巖層形成的高水頭壓力之下，則流砂會沿著鉆孔上涌。因此在這類巖石中施工必須一邊鉆掘一邊加固孔（井）壁。

第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述11/29/2022中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系二、巖石的孔隙比與孔隙度1、巖石的孔隙比kP：巖石中的孔隙體積VP與巖石中固相骨架的體積Vc之比

kP=VP/Vc2、巖石的孔隙度P：巖石中的孔隙體積VP與巖石總體積V

的百分比巖石的孔隙性削弱了巖石的強度。一般沉積巖具有高的孔隙度，隨著埋深的增大，巖石的孔隙度降低。

第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述11/29/2022中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

三、巖石的密度與容重

1、巖石的密度ρs：巖樣的質(zhì)量m與其總體積V之比。均質(zhì)物質(zhì)的密度為質(zhì)量與體積之比。

2、巖石的容重γs：是巖樣重量G與其總體積V之比

11/29/2022中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系

四、巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造巖石結(jié)構(gòu)說明巖石的微觀組織特征。與礦物顆粒的大小、形狀和表面特征有關(guān)，反映巖石的非均質(zhì)性和孔隙性。巖漿巖主要具有塊狀結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造特征對鉆掘破碎巖石沒有顯著影響。沉積巖的成因廣泛，故其結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。碎屑巖具有碎屑結(jié)構(gòu)，按碎屑的大小可分為礫狀結(jié)構(gòu)（碎屑直徑＞2mm）、粗粒結(jié)構(gòu)（碎屑直徑1~2mm）、中砂結(jié)構(gòu)（碎屑直徑0.1~1mm）、粉砂結(jié)構(gòu)（碎屑直徑0.01~0.1mm）。。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述11/29/2022中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系碎屑巖的膠結(jié)形式也對巖石的力學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。沉積巖通常具有層狀構(gòu)造，它是由層理決定的。層理反映巖石在垂直方向上成分的變

化，即巖石顆粒大小在垂直方向上的改變，不同成分顆粒的交替，或者某些巖石顆粒的定向

排列。層理導(dǎo)致巖石的各向異性。變質(zhì)巖是在高溫高壓下生成的，一般具有晶體結(jié)構(gòu)、片理狀構(gòu)造。所謂片理就是巖石沿平行

平面分裂為薄片的能力。片理也會引起巖石的各向異性。

用各向異性系數(shù)來表征巖石在不同的方向上力學(xué)性質(zhì)的差異：

Ka=x‖/x⊥第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述11/29/2022中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系巖石的物理理性質(zhì)是由由巖石的組組成結(jié)構(gòu)所所表現(xiàn)出來來的性質(zhì)。。巖石的物物理性質(zhì)有有很多，本本節(jié)主要研研究影響巖巖石破碎過過程的物理理性質(zhì)，如如粘結(jié)狀態(tài)態(tài)、孔隙度度、密度、、結(jié)構(gòu)和構(gòu)構(gòu)造等。巖石的力學(xué)學(xué)性質(zhì)是在在外載作用用下才表現(xiàn)現(xiàn)出來巖石石抵抗變形形和破壞的的能力。如強度、硬硬度、彈性性、脆性、、塑性和研研磨性等。。第一節(jié)巖石的物理理力學(xué)性質(zhì)質(zhì)概述11/26/2022中國地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系五、巖石的的強度1、巖石的強強度的基本本概念巖石在載荷荷作用下抵抵抗破壞的的能力。破壞前所能能承受的最最大載荷稱為極極限載荷，，單位面積積上的極限限載荷稱為為極限強度度2、巖石的強強度的類型型（1）根據(jù)受力力條件，巖石的極限限強度可分分為抗壓強強度、抗拉拉強度、抗剪強強度等；（2）根據(jù)應(yīng)力狀狀態(tài)，巖石石強強度度可可分分為為單單向向、兩向向、、、三向向應(yīng)應(yīng)力狀狀態(tài)態(tài)下下的的強強度度；；（3）根根據(jù)據(jù)加加載載速速度度，，有靜靜載載強強度度和和動動載載強強度度。。第一一節(jié)節(jié)巖石石的的物物理理力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)概概述述11/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學(xué)學(xué)勘勘察察與與基基礎(chǔ)礎(chǔ)工工程程系系影響響巖巖石石強強度度的的因因素素（1）一一般般情情況況下下，，造造巖巖礦礦物物強強度度越越高高，，巖巖石石的的強強度度也也越越高高。。沉積積巖巖的的強強度度取取決決于于膠膠結(jié)結(jié)物物所所占占的的比比例例及及其其礦礦物物成成分分。。細細粒粒巖石石的的強強度度大大于于同同一一礦礦物物組組成成的的粗粗粒粒巖巖石石。。（2）巖巖石石的的孔孔隙隙度度增增加加，，密密度度降降低低，，強強度度則則降降低低。。因因此此，，一般般巖巖石石的的強強度度隨隨埋埋深深的的增增大大而而增增大大。。（3）巖巖石石的的強強度度具具有有明明顯顯的的各各向向異異性性。。垂垂直直于于層層理理方方向向的的抗壓壓強強度度最最大大，，平平行行于于層層理理的的抗抗壓壓強強度度最最小小，，在在與與層層理理斜斜交交方向向上上的的抗抗壓壓強強度度介介于于兩兩者者之之間間。。第一一節(jié)節(jié)巖巖石石的的物物理理力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)概概述述11/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學(xué)學(xué)勘勘察察與與基基礎(chǔ)礎(chǔ)工工程程系系（4）巖巖石石的的受受載載方方式式導(dǎo)導(dǎo)致致巖巖石石的的強強度度值值差差異異很很大大。。巖巖石石的的抗壓壓強強度度最最大大，，抗抗剪剪強強度度約約為為抗抗壓壓強強度度的的10%。因此此，，鉆鉆掘掘過過程中中，，破破巖巖工工具具應(yīng)應(yīng)主主要要以以剪剪切切的的方方式式來來破破碎碎巖巖石石。。（5）多多向向應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)下下的的巖巖石石強強度度比比簡簡單單應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)下下的的強強度度高高出出許許多多倍倍。。（6）加載速速度的影影響：①加載速度度增加，，巖石的的強度提提高；②加載速度度對塑性性巖石強強度的影影響大，，對脆性性巖石強強度的影影響小。。第一節(jié)巖巖石的物物理力學(xué)學(xué)性質(zhì)概概述11/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系六、巖石石的硬度度1、巖石的的硬度的的基本概概念：巖巖石的硬硬度反映映巖石抵抵抗外部部更硬物體體壓入（（侵入））其表面面的能力力。2、硬度與與抗壓強強度的區(qū)區(qū)別與聯(lián)聯(lián)系（1）巖石的的硬度與與抗壓強強度一般般存在正正比例關(guān)關(guān)系；（2）抗壓強強度是固固體抵抗抗整體破破壞時的的阻力，，而硬度度則是固體表面面對另一一物體局局部壓入入或侵入入時的阻阻力。（3）硬度指指標更接接近于鉆鉆掘過程程的實際際情況。。第一節(jié)巖巖石的物物理力學(xué)學(xué)性質(zhì)概概述11/26/2022中國地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系3、影響巖巖石硬硬度的的因素素（1）巖石石中堅堅硬礦礦物愈愈多、、膠結(jié)結(jié)物的的硬度度越大大、巖巖石的的顆粒粒越細、、結(jié)構(gòu)構(gòu)越致致密，，巖石石的硬硬度越越大。。而孔孔隙度度高、、密度度低、裂隙發(fā)發(fā)育的的巖石石硬度度將會會降低低。（2）巖石石的硬硬度具具有明明顯的的各向向異性性。層層理對對巖石石硬度度的影影響與與對巖巖石強強度的的影響響相反反。垂垂直于于層理理方向向，硬度值值最小??；平行于于層理理方向向，硬度最最大；兩者之之間可可相差差1.05～1.8倍。第一節(jié)節(jié)巖石石的物物理力力學(xué)性性質(zhì)概概述11/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學(xué)學(xué)勘勘察察與與基基礎(chǔ)礎(chǔ)工工程程系系（3）在在各各向向均均勻勻壓壓縮縮的的條條件件下下，，巖巖石石的的硬硬度度增增加加。。在在常常壓壓下下硬度度越越低低的的巖巖石石，，隨隨著著圍圍壓壓增增大大，，其其硬硬度度值值增增長長越越快快。。（4）一一般般而而言言，，隨隨著著加加載載速速度度增增加加，，將將導(dǎo)導(dǎo)致致巖巖石石的的塑塑性性系系數(shù)降降低低，，硬硬度度增增加加。。但但當當沖沖擊擊速速度度小小于于10m/s時，，硬硬度度變變化化不不大大。。加載載速速度度對對低低強強度度、、高高塑塑性性及及多多孔孔隙隙巖巖石石硬硬度度的的影影響響更更顯顯著著。。第一節(jié)節(jié)巖石石的物物理力力學(xué)性性質(zhì)概概述11/26/2022中國地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系4、巖石硬硬度的的測定定（1）靜壓壓入法法：以1~5mm2的壓頭壓入入巖樣樣表面面，巖巖石破破碎時時的載載荷Pmax除以接接觸面面積S，則為巖石的的硬度值值Hy（通常稱稱為壓壓入硬硬度））。(Pa)（2）沖擊回回彈法法：利用重重物落落在巖巖石表面面后回回彈高高度或或回彈彈角度度或回回彈次數(shù)來來確定定巖石石的硬硬度。。第一節(jié)節(jié)巖石石的物物理力力學(xué)性性質(zhì)概概述11/26/2022中國地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系七、巖巖石的的變形形特征征及其其分類類按巖石石在壓壓頭壓壓入時時的變變形曲曲線和和破碎碎特性性可分分成三三類：：彈-脆性巖巖石（（花崗崗巖、、石英英巖、、碧石石鐵質(zhì)質(zhì)巖））在壓頭頭壓入入時僅僅產(chǎn)生生彈性性變形形，至至A點最大大載荷荷為Pmax處便突突然脆脆性破破碎，，壓頭頭瞬時時壓入入，破破碎穴穴的深深度為為h。這時破破碎穴穴面積積明顯顯大于于壓頭頭的端端面面面積，，即h/δ>5。2.彈-塑性巖巖石（（大理理巖、、石灰灰?guī)r、、砂巖巖）在壓頭頭壓入入時首首先產(chǎn)產(chǎn)生彈彈性變變形，，然后后塑性性變形形。至至B點載荷荷達Pmax時突然然發(fā)生生脆性性破碎碎。這時破破碎穴穴面積積也大大于壓壓頭的的端面面面積積，而而h/δ>2.5～5，即小于于第一一類巖巖石。。第一節(jié)節(jié)巖石的的物理理力學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)概述述11/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學(xué)學(xué)勘勘察察與與基基礎(chǔ)礎(chǔ)工工程程系系3.高塑塑性性和和高高孔孔隙隙性性巖巖石石（（粘粘土土、、孔孔隙隙石石灰灰?guī)r巖、、鹽鹽巖巖））區(qū)別別于于前前二二類類，，當當壓壓頭頭壓壓入入時時，，在在壓壓頭頭周周圍圍幾幾乎乎不不形形成成圓圓錐錐形形破破碎碎穴穴，，不不會會在在壓壓入入作作用用下下產(chǎn)產(chǎn)生生脆脆性性破破碎碎h/δ=1。計算算這這類類巖巖石石的的硬硬度度時時只只能能用用P0代替替公公式式中中的的Pmax。第一一節(jié)節(jié)巖石石的的物物理理力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)概概述述11/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系八、巖石的的彈性和和塑性（1）衡量巖巖石彈性性的指標標主要是是彈性模模數(shù)E和泊松比比μ。彈性模數(shù)數(shù)：彈性范圍圍內(nèi)應(yīng)力力與應(yīng)變變的比值值，(Pa)或(MPa)。泊松比：彈性變形形階段橫橫向應(yīng)變變與縱向向應(yīng)變的的比值，，無量綱綱值。（2）在鉆探探過程中中衡量巖巖石塑性性程度的的塑性系系數(shù)K：塑性系數(shù)數(shù)：巖石破碎碎前所消消耗的總總能量與與彈性變變形的能能量之比。第一節(jié)巖石的物物理力學(xué)學(xué)性質(zhì)概概述11/26/2022中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系巖石按塑性系系數(shù)的分級第一節(jié)巖石的物理力力學(xué)性質(zhì)概述述巖石類別彈-脆性彈-塑性高塑性低塑性→高塑性級別123456塑性系數(shù)1>1~22~33~44~5>6~∞一般巖漿巖和和變質(zhì)巖的彈彈性模量大于于沉積巖，而而塑性系數(shù)則則相反。11/26/2022中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系影響巖石彈性性和塑性的主主要因素：（1）巖漿巖和變質(zhì)質(zhì)巖：造巖礦物的的彈性模量↑↑，巖石的彈彈性模量↑。。沉積巖：彈性取決于于巖石的碎屑屑和膠結(jié)物及及膠結(jié)狀況。。彈性模量次次序：硅質(zhì)膠膠結(jié)最大，鈣鈣質(zhì)膠結(jié)次之之，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)最小。（2）造巖礦物的顆顆粒越細，巖石越致密密，巖石的彈彈性模量越大大。巖石的彈彈性模量也具具有各向異性性。巖石的彈性模模量‖>⊥第一節(jié)巖石的的物理力學(xué)性性質(zhì)概述11/26/2022中國地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系（3）單向壓縮縮時表現(xiàn)為為彈-脆性，各向向壓縮時表表現(xiàn)出不同同程度的塑塑性，意味味著在各向向壓縮下需需要更大的的載荷才能能破壞巖石石的連續(xù)性性。（4）溫度升高巖巖石的彈性性模量變小小，塑性系系數(shù)增大，，巖石表現(xiàn)現(xiàn)為從脆性性向塑性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化。在超超深鉆和地地?zé)峥资┕すぶ袘?yīng)注意意這一影響響。第一節(jié)巖石石的物理力力學(xué)性質(zhì)概概述11/26/2022中國地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系九、巖石石的研磨性性1、巖石研磨磨性：巖石磨損工工具的能力力。2、巖石磨損損形式（1）摩擦磨損損：孔底巖巖石與切削削工具相對對滑動而產(chǎn)產(chǎn)生的磨損損。與所鉆巖石石的研磨性性、切削工工具的耐磨磨性、鉆進進規(guī)程參數(shù)數(shù)有關(guān)；（2）磨粒磨損損：孔底破破碎巖屑對對切削工具具的磨損。。與巖屑的的硬度和研磨性性、巖屑的的數(shù)量（鉆鉆進速度））、鉆孔沖沖洗的程度度等有關(guān)。。在金剛石鉆鉆進中這種種磨損形式式起著重要要的作用，，因為巖粉粉能磨蝕金剛石鉆頭頭的胎體，，幫助孕鑲鑲金剛石出出刃。第一一節(jié)節(jié)巖巖石石的的物物理理力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)概概述述11/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學(xué)學(xué)勘勘察察與與基基礎(chǔ)礎(chǔ)工工程程系系1、影影響響巖巖石石研研磨磨性性的的因因素素（1）巖巖石石顆顆粒粒的的硬硬度度越大大，，研研磨磨性性也也越越強強，，石石英英巖巖具具有有強強研研磨磨性性（2）巖巖石石膠膠結(jié)結(jié)物物的粘粘結(jié)結(jié)強強度度越越低低，，巖巖石石的的研研磨磨性性越越強強。。（3）巖石石顆粒粒形狀狀越尖銳銳、顆粒尺尺寸越越大，，巖石石的研研磨性性越強強。（4）巖石石表面面粗糙糙，局部部接觸觸易產(chǎn)產(chǎn)生應(yīng)應(yīng)力集集中，，研磨性性增強強（5）硬度相相同時時，單礦物物巖石石的研研磨性性較低低，非非均質(zhì)質(zhì)和多多礦物物的巖石（（如花花崗巖巖）研研磨性性較強強。巖石中中較軟軟的礦礦物（（云母母，長長石））首先先被破破碎下下來，，使巖巖石表表面變變粗糙糙，同同時石石英顆顆粒出出露，，從而而增強強了研研磨能能力。。（6）介質(zhì)質(zhì)的影響響，濕潤潤和含含水的的巖石石硬度度和研研磨性性都會會降低低。第一節(jié)節(jié)巖石石的物物理力力學(xué)性性質(zhì)概概述11/26/2022中國地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系常用測測定巖巖石研研磨性性的方方法目前國國際上上還沒沒有統(tǒng)統(tǒng)一測測定巖巖石研研磨性性的方方法。。通通常用用模模擬某某種鉆鉆進過過程的的方法法，不不同方方法的的結(jié)果果難以以相互互比較較。鉆磨法法:金屬棒棒在載載荷、、轉(zhuǎn)速速下與與巖石石摩擦擦后的的失重重磨削法法：硬硬合金金刀具具在壓壓力下下與巖巖石試試件摩摩擦，，以一一定時時間內(nèi)內(nèi)刀具具的失失重微鉆頭頭鉆進進法：：微型型鉆頭頭在一一定規(guī)規(guī)程下下鉆磨磨巖樣樣，一一定時時間內(nèi)內(nèi)鉆頭頭的磨磨損。第一節(jié)巖巖石的物物理力學(xué)學(xué)性質(zhì)概概述11/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系第一節(jié)巖巖石的物物理力學(xué)學(xué)性質(zhì)概概述標準圓盤盤磨損法法：用圓圓盤金屬屬試樣在在壓力下下對巖石石作滑動動摩擦，以金屬圓圓盤的磨磨損量表表示巖石石的研磨磨性指標標。按此此方法可可把巖石石的研磨磨性分成成12個級別，而我國有有關(guān)部門門習(xí)慣于于把巖石石的研磨磨性分成成弱、中中、強三三個等級級。11/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系自學(xué)內(nèi)容容安排第二節(jié)土的物理理-力學(xué)性質(zhì)質(zhì)特征（（自學(xué)P13~P15）一、土的的基本組組成二、土的的物理性性質(zhì)特征征（土的的含水量量、土的的密實度度、土的塑性性指數(shù)和和液性指指數(shù)、土土的滲透透系數(shù)））三、土的的力學(xué)性性質(zhì)特征征（土的的壓縮性性、土的的抗剪性性、土的極限限平衡條條件）四、土的的工程分分類11/26/2022中國地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機理0、碎巖工具具與巖石作作用的主要要方式根據(jù)刃具與與巖石作用用的方式和和碎巖機理理，可把碎碎巖刃具分分：切削一剪切切型、沖擊擊型、沖擊擊一剪切型型三類。1、切削一剪剪切型鉆頭碎巖刃刃具以速度度vθ向前移動而切削(剪切)巖石。工作作參數(shù)是：：移動速度vθ、軸向力Pz和切向力Pθ以及介質(zhì)性性質(zhì)。11/26/2022中國地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系2、沖擊型沖擊型刃具具給孔底巖巖石以直接接的沖擊動動載，碎巖巖的過程可可用工具動能能Tk和巖石變形形位能U的方程式來來表達（T＝U）：式中：m——鉆頭和沖擊擊鉆桿的質(zhì)質(zhì)量；vθ——鉆頭同巖石石碰撞時的的速度；δmax——鉆頭侵入巖巖石的最大大深度；Pz（δ）——巖石抵抗鉆鉆頭侵入的的阻力。第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機理11/26/2022中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系3、鉆頭刃具不僅僅以Pz和Pθ作用于巖石，，而且還有使使鉆頭向前回回轉(zhuǎn)的移動速速度vθ和沖錘對齒刃刃的沖擊速度度vz或牙輪滾動時時齒刃向下沖沖擊的速度vω。合成速度是：：或式中：：；A0——沖錘單單次沖沖擊功功；Q——沖錘重重量；；r——齒頂?shù)降窖垒嗇喫矔r時旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)中心心的距距離。。第三節(jié)節(jié)巖石在在外載載下的的破碎碎機理理11/26/2022中國地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系一、外載作作用下下的巖巖石應(yīng)應(yīng)力狀狀態(tài)切削具具對巖巖石的的壓入入破碎碎在孔孔底過過程中中起著著重要要作用用。巖石在切削削具切切入、、破碎碎之前前，先先產(chǎn)生生彈性性應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)。鉆頭上上的切切削具與與孔底底巖石石的作作用可可以看看成是是圓柱體、球球形體、長長方平底形壓模與彈彈性半無限限體所限制制的平面的的相互作用用。討論不同形形狀切削具在在外載作用用下的巖石石應(yīng)力狀態(tài)態(tài)。（一）平底底圓柱形壓壓頭壓入時時應(yīng)力狀態(tài)態(tài)（二）球形形壓頭壓入入時巖石的的應(yīng)力狀態(tài)態(tài)（三）軸向力和切切向力共同同作用時壓壓頭下方巖巖石的應(yīng)力力狀態(tài)第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機理11/26/2022中國地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系1、平底圓柱形形壓頭壓入入時應(yīng)力狀狀態(tài)剛性平底壓壓頭以作用用力P沿z軸壓入彈性性半無限體體，其接觸觸面上的壓力分分布在初期期是不均勻勻的（圖1-6），邊緣處處的應(yīng)力集集中使巖石產(chǎn)生生局部破碎碎或塑性變變形，而后后，壓力便便趨于均勻勻分布。第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機理11/26/2022中國地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系在壓力均勻勻分布的前前提下，根根據(jù)彈性力力學(xué)布希涅涅司克問題題和應(yīng)力疊加原原理，求出出巖體內(nèi)沿沿對稱軸上上各應(yīng)力分分量為：第三節(jié)巖石在外外載下的的破碎機機理11/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系各應(yīng)力分分量隨z軸的變化化情況（（如圖））。隨z的增加，，σz減小的慢慢，σr=σy減小的快快；剪應(yīng)應(yīng)力τ隨z的變化開開始由小小到大，，到一個個臨界深深度z0處τ達最大值。在載荷中心z=0處：第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機理理11/26/2022中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系若將τ對z求導(dǎo)，并使其其等于零，則則：設(shè)μ=0.25，則z0=0.62a，τmax=0.345p。這表明在z軸上，最大剪剪應(yīng)力所在的的深度約等于于壓頭半徑的的2／3。而最大剪應(yīng)應(yīng)力約為均勻勻壓強的l／3。由于于最最大大剪剪應(yīng)應(yīng)力力點點是是壓壓碎碎巖巖石石的的發(fā)發(fā)源源處處，，且且平平底底圓圓柱柱形形壓壓頭頭壓壓入入時時應(yīng)應(yīng)力力存存在在兩兩個個極極值值點點，，應(yīng)應(yīng)引引起起重重視視。。第三三節(jié)節(jié)巖石石在在外外載載下下的的破破碎碎機機理理11/26/2022中國地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系第三節(jié)節(jié)巖石在在外載載下的的破碎碎機理理壓頭下下相對對剪應(yīng)應(yīng)力的的等值值線分分布圖圖11/26/2022中國地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系2、球形形壓頭頭壓入入時巖巖石的的應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)球體壓壓人時時，接接觸球球面（（半徑徑為a）上的壓力力分布布是不不均勻勻的。。其數(shù)數(shù)值是是隨著著壓力點點離開開壓力力面中中心的的距離離r的增加而不斷減小小的一個函函數(shù)(如圖)，即：在壓力中心心處：在壓力邊緣緣處：第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機理11/26/2022中國地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系同樣根據(jù)彈彈性力學(xué)布布希涅司克克問題集中中應(yīng)力作用用原理，巖巖體內(nèi)沿對對稱軸上的的各應(yīng)力分分量為：第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機理11/26/2022中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系各應(yīng)力分量隨隨z軸的變化：剪應(yīng)力τ隨z的變化開始由由小到大，在臨界深度z0處τ達最大值。在壓力面中心心處（z=0）有：；如果設(shè)μ=0.25，根據(jù)計算，z0=0.5a，τmax=0.40p，同樣存在兩個個極值點，但都在z軸上。第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機理理11/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學(xué)學(xué)勘勘察察與與基基礎(chǔ)礎(chǔ)工工程程系系3、軸軸向向力力和和切切向向力力共共同同作作用用時時巖巖石石的的應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鉆鉆進進中中，，碎碎巖巖工工具具一一般般以以軸軸向向、、切切向向載載荷荷同同時時作作用用于于巖巖石。。此此時時，，巖巖石石的的應(yīng)應(yīng)力力分分布布與與只只有有軸軸向向載載荷荷時時不不同同。。只有有軸軸向向力力作作用用時時，，等等應(yīng)應(yīng)力力線線分分布布是是均均勻勻?qū)ΨQ稱的的。。軸軸向向力力和和切向向力力共共同同作作用用時時，，等等應(yīng)應(yīng)力力線線分分布布則則是是非非均均勻勻的的、、不不對對稱稱的的。。第三三節(jié)節(jié)巖石石在在外外載載下下的的破破碎碎機機理理11/26/2022中國地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系在接觸觸面上上，切切向力力作用用的前前方將將產(chǎn)生生壓應(yīng)應(yīng)力，，而切切向力力作用的后后方則則產(chǎn)生生拉應(yīng)應(yīng)力；；在半半無限限體內(nèi)內(nèi)形成正正應(yīng)力力區(qū)（（Ⅰ）、拉拉應(yīng)力力區(qū)（（Ⅱ）和過渡渡區(qū)（（Ⅲ）。壓縮區(qū)區(qū)Ⅰ隨軸向向力增增加而而擴大大，隨隨切向力的的增加加而縮縮??；；拉伸伸區(qū)Ⅱ則與上上述情況相相反。。第三節(jié)節(jié)巖石在在外載載下的的破碎碎機理理11/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系二、工具具壓入時時的巖石石破碎機機理1.平底壓模模壓入時時第一極值值帶環(huán)形形裂紋，，開始ac伸展比ao快；∵遠離自自由面，，ac伸展迅速速減慢；；第二極值值帶朝邊邊緣發(fā)展展，形成成鐮刀極極限區(qū)；；極限區(qū)的的體積和和壓力↑↑，排開開周圍的的力↑；；c點迅速到到達自由由面并與與從o點來的裂裂隙相遇遇；產(chǎn)生aob主壓力體體和mon剪切體體體；∵抗剪強度度小，周圍巖石石突然崩崩離，壓壓模下落落；aob體被壓頭頭壓碎第三節(jié)巖石在外外載下的的破碎機機理11/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系2.球狀切削削具壓入入時開始時，切削具與與巖石接接觸的是是一個點點；外載↑，，切削具具和巖石石產(chǎn)生彈彈性變形形，接接觸面↑↑；接觸面中中心的正正應(yīng)力最最大，首首先出現(xiàn)現(xiàn)裂隙；隨外載增增加，接接觸面增增大，產(chǎn)產(chǎn)生與原原有裂隙隙平行行的新裂裂隙系；外載繼↑↑，彈變變總值↓↓，應(yīng)力↑，裂隙深度度↑；以后的破破碎過程程與平底底壓模時時類似。。圖1-12說明壓入入巖石時時的跳躍躍過程第三節(jié)巖石在外外載下的的破碎機機理11/26/2022中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系三、在動載下下巖石的破碎碎過程與靜壓入時沒沒有本質(zhì)性區(qū)區(qū)別。當沖擊擊能量不大時時，邊緣出現(xiàn)現(xiàn)裂紋帶;沖擊能↑，邊邊緣之外便出出現(xiàn)環(huán)形崩離離體——脆性破碎第一一形態(tài)。隨著沖擊能的的↑，崩離體體的體積稍有有↑。沖擊能能量達一定值值后，壓頭底底下的巖石發(fā)發(fā)生與靜壓入入時相似的脆脆性破碎——脆性破碎第二二形態(tài)。繼續(xù)↑沖擊能能，余裕的能能量使壓頭的的侵深有所增增加，并使接接觸面周圍有有巖石崩離體體出現(xiàn)。沖擊能達到相相當大的數(shù)值值時，則出現(xiàn)現(xiàn)——第三破碎形態(tài)態(tài)。整個巖石破碎碎過程同樣具具有跳躍性。。第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機理理11/26/2022中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系四、、影響響碎碎巖巖效效果果的的因因素素1.載荷荷大大小小的的影影響響實踐踐表表明明，，鉆鉆進進表面破碎

切削具與巖石的接觸壓力遠小于巖石硬度，切削具不能壓入巖石。巖石破碎是由接觸摩擦功引起的，鉆進速度低。這種變形破碎方式稱為巖石的表面破碎區(qū)。疲勞破碎軸向載荷↑但<巖石硬度，使巖石晶間聯(lián)系破壞，多次加載疲勞裂隙發(fā)展眾多裂隙交錯，產(chǎn)生粗巖粒分離，稱為疲勞破碎區(qū)。

第三三節(jié)節(jié)巖石石在在外外載載下下的的破破碎碎機機理理11/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學(xué)學(xué)勘勘察察與與基基礎(chǔ)礎(chǔ)工工程程系系3)體積積破破碎碎切削削具具上上的的載載荷荷繼繼續(xù)續(xù)↑，接接觸觸壓壓力力≥≥巖巖石石硬硬度度，，切切削削具具有有效效地地切切入入巖巖石石，，切切下下巖巖屑屑，，稱稱為為體體積積破破碎碎，，會會分分離離出出大大塊塊巖巖石石，，破破碎碎效效果果好好。。2.破碎碎工工具具形形狀狀的的影影響響3.破碎碎工工具具加加載載速速度度的的影影響響4.液柱柱壓壓力力的的影影響響第三三