《巖土鉆掘工程學(xué)》第一章巖土的物理力學(xué)性質(zhì)及其破碎機(jī)理培訓(xùn)

巖土鉆掘工程學(xué)課時(shí)：60學(xué)時(shí)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(guó)家精品課程第一章

巖土的物理力學(xué)性質(zhì)及其破碎機(jī)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(jī)理四、巖石的可鉆性及可鉆性指標(biāo)及堅(jiān)固性系數(shù)國(guó)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(lèi)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(wú)機(jī)物質(zhì)。根據(jù)其成因，巖石可分為三類(lèi)：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?xiàng)l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(yùn)、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(dòng)性流體的影響而變質(zhì)形成的巖石。

3/6/2023中國(guó)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(lèi)

1.堅(jiān)固巖石：通常具有高硬度，巖石破碎后其礦物質(zhì)點(diǎn)之間的分子連接力都不會(huì)恢復(fù)。堅(jiān)固巖石分含石英和不含石英兩類(lèi)，前者硬度高，難以鉆掘。通常在生產(chǎn)中會(huì)遇到無(wú)裂紋和裂隙性?xún)煞N堅(jiān)固巖石。在完整的堅(jiān)固巖石中施工時(shí)，孔（井）壁穩(wěn)定不必加固，而在強(qiáng)裂隙性巖石中穿過(guò)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3/6/2023中國(guó)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(xì)粒組成，特征：①濕潤(rùn)條件下，被破壞之前可以有大的殘余變形；②質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)聚力，隨濕潤(rùn)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(rùn)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3/6/2023中國(guó)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(wú)粘結(jié)性的不同形狀與尺寸的細(xì)粒（砂、礫石、卵石、漂礫等）聚集而成。在這類(lèi)巖石中鉆掘的同時(shí)必須加固孔（井）壁，以防止坍塌。4.流動(dòng)性巖石流動(dòng)性巖石（流砂層）由含水的砂質(zhì)粘土類(lèi)巖石（細(xì)砂、亞砂土）組成。當(dāng)砂粒之間存在著極細(xì)小的粘土顆粒時(shí)，這類(lèi)巖石具有較強(qiáng)的流動(dòng)性。如果位于上覆巖層形成的高水頭壓力之下，則流砂會(huì)沿著鉆孔上涌。因此在這類(lèi)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3/6/2023中國(guó)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(qiáng)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3/6/2023中國(guó)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

3/6/2023中國(guó)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(shuō)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(duì)鉆掘破碎巖石沒(méi)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3/6/2023中國(guó)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(duì)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(huì)引起巖石的各向異性。

用各向異性系數(shù)來(lái)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3/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系巖石的物理性質(zhì)質(zhì)是由巖石的組組成結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)。。巖石的物理性性質(zhì)有很多，本本節(jié)主要研究影影響巖石破碎過(guò)過(guò)程的物理性質(zhì)質(zhì)，如粘結(jié)狀態(tài)態(tài)、孔隙度、密密度、結(jié)構(gòu)和構(gòu)構(gòu)造等。巖石的力學(xué)性性質(zhì)是在外載載作用下才表表現(xiàn)出來(lái)巖石石抵抗變形和和破壞的能力力。如強(qiáng)度、硬度度、彈性、脆脆性、塑性和和研磨性等。。第一節(jié)巖石的物理力力學(xué)性質(zhì)概述述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系五、巖石的強(qiáng)強(qiáng)度1、巖石的強(qiáng)強(qiáng)度的基本概概念巖石在載荷作作用下抵抗破破壞的能力。。破壞前所能承承受的最大載荷稱(chēng)為極限限載荷，單位位面積上的極極限載荷稱(chēng)為為極限強(qiáng)度2、巖石的強(qiáng)強(qiáng)度的類(lèi)型（1）根據(jù)受受力條件，巖石的極限強(qiáng)強(qiáng)度可分為抗抗壓強(qiáng)度、抗抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)強(qiáng)度等；（2）根據(jù)應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)，巖石強(qiáng)度可分分為單向、兩向、、三向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)強(qiáng)度；（3）根據(jù)加加載速度，有靜載強(qiáng)度和和動(dòng)載強(qiáng)度。。第一節(jié)巖石的物理力力學(xué)性質(zhì)概述述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系影響巖石強(qiáng)度度的因素（1）一般情情況下，造巖巖礦物強(qiáng)度越越高，巖石的的強(qiáng)度也越高高。沉積巖的強(qiáng)度度取決于膠結(jié)結(jié)物所占的比比例及其礦物物成分。細(xì)粒粒巖石的強(qiáng)度大大于同一礦物物組成的粗粒粒巖石。（2）巖石的的孔隙度增加加，密度降低低，強(qiáng)度則降降低。因此，，一般巖石的強(qiáng)強(qiáng)度隨埋深的的增大而增大大。（3）巖石的的強(qiáng)度具有明明顯的各向異異性。垂直于于層理方向的的抗壓強(qiáng)度最大大，平行于層層理的抗壓強(qiáng)強(qiáng)度最小，在在與層理斜交交方向上的抗壓壓強(qiáng)度介于兩兩者之間。第一節(jié)巖石的的物理力學(xué)性性質(zhì)概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系（4）巖石的受載載方式導(dǎo)致巖巖石的強(qiáng)度值值差異很大。。巖石的抗壓強(qiáng)度最大大，抗剪強(qiáng)度度約為抗壓強(qiáng)強(qiáng)度的10%。因此，鉆掘過(guò)過(guò)程中，破巖工工具應(yīng)主要以以剪切的方式式來(lái)破碎巖石石。（5）多向應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)下的的巖石強(qiáng)度比比簡(jiǎn)單應(yīng)力狀狀態(tài)下的強(qiáng)度度高出許多倍倍。（6）加載速度的的影響：①加載速度增加加，巖石的強(qiáng)強(qiáng)度提高；②加載速度對(duì)塑塑性巖石強(qiáng)度度的影響大，，對(duì)脆性巖石石強(qiáng)度的影響響小。第一節(jié)巖石的的物理力學(xué)性性質(zhì)概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系六、巖石的硬硬度1、巖石的硬硬度的基本概概念：巖石的的硬度反映巖巖石抵抗外部部更硬物體壓入入（侵入）其其表面的能力力。2、硬度與抗抗壓強(qiáng)度的區(qū)區(qū)別與聯(lián)系（1）巖石的的硬度與抗壓壓強(qiáng)度一般存存在正比例關(guān)關(guān)系；（2）抗壓強(qiáng)強(qiáng)度是固體抵抵抗整體破壞壞時(shí)的阻力，，而硬度則是是固體表面對(duì)另另一物體局部部壓入或侵入入時(shí)的阻力。（3）硬度指標(biāo)更更接近于鉆掘掘過(guò)程的實(shí)際際情況。第一節(jié)巖石的的物理力學(xué)性性質(zhì)概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系3、影響巖石硬度度的因素（1）巖石中中堅(jiān)硬礦物愈愈多、膠結(jié)物物的硬度越大大、巖石的顆顆粒越細(xì)、結(jié)構(gòu)越越致密，巖石石的硬度越大大。而孔隙度度高、密度低低、裂隙發(fā)育的巖巖石硬度將會(huì)會(huì)降低。（2）巖石的的硬度具有明明顯的各向異異性。層理對(duì)對(duì)巖石硬度的的影響與對(duì)巖巖石強(qiáng)度的影影響相反。垂垂直于層理方方向，硬度值最小；平行于層理方方向，硬度最大；兩者之間可相相差1.05～1.8倍倍。第一節(jié)巖石的的物理力學(xué)性性質(zhì)概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系（3）在各向向均勻壓縮的的條件下，巖巖石的硬度增增加。在常壓壓下硬度越低的巖巖石，隨著圍圍壓增大，其其硬度值增長(zhǎng)長(zhǎng)越快。（4）一般而言，，隨著加載速速度增加，將將導(dǎo)致巖石的的塑性系數(shù)降低，硬度度增加。但當(dāng)當(dāng)沖擊速度小小于10m/s時(shí)，硬度變化化不大。加載速度對(duì)低低強(qiáng)度、高塑塑性及多孔隙隙巖石硬度的的影響更顯著著。第一節(jié)巖石的的物理力學(xué)性性質(zhì)概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘察察與基礎(chǔ)工程系4、巖石硬度的測(cè)定（1）靜壓入法：以1~5mm2的壓頭壓入巖樣表面，，巖石破碎時(shí)的載載荷Pmax除以接觸面積S，則為巖石的硬度值Hy（通常稱(chēng)為壓入硬硬度）。(Pa)（2）沖擊回彈法法：利用重物落在巖石表面后回彈高度度或回彈角度或回回彈次數(shù)來(lái)確定巖石的的硬度。第一節(jié)巖石的物理理力學(xué)性質(zhì)概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘察察與基礎(chǔ)工程系七、巖石的變形特特征及其分類(lèi)按巖石在壓頭壓入入時(shí)的變形曲線和和破碎特性可分成成三類(lèi)：彈-脆性巖石（花花崗巖、石英巖、、碧石鐵質(zhì)巖）在壓頭壓入時(shí)僅產(chǎn)產(chǎn)生彈性變形，至至A點(diǎn)最大載荷為Pmax處便突然脆性破碎碎，壓頭瞬時(shí)壓入入，破碎穴的深度度為h。這時(shí)破碎穴面積明明顯大于壓頭的端端面面積，即h/δ>5。2.彈-塑性巖石（大大理巖、石灰?guī)r、、砂巖）在壓頭壓入時(shí)首先先產(chǎn)生彈性變形，，然后塑性變形。。至B點(diǎn)載荷達(dá)Pmax時(shí)突然發(fā)生脆性破破碎。這時(shí)破碎穴面積也也大于壓頭的端面面面積，而h/δ>2.5～5，即小于第一類(lèi)巖石石。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性性質(zhì)概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘察察與基礎(chǔ)工程系3.高塑性和高高孔隙性巖石（（粘土、孔隙石灰灰?guī)r、鹽巖）區(qū)別于前二類(lèi)，當(dāng)當(dāng)壓頭壓入時(shí)，在在壓頭周?chē)鷰缀醪徊恍纬蓤A錐形破碎碎穴，不會(huì)在壓入入作用下產(chǎn)生脆性性破碎h/δ=1。計(jì)算這類(lèi)巖石的的硬度時(shí)只能用P0代替公式中的Pmax。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性性質(zhì)概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系八、巖石的彈彈性和塑性性（1）衡量量巖石彈性性的指標(biāo)主主要是彈性性模數(shù)E和泊松比μ。彈性模數(shù)：彈性范圍內(nèi)內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)應(yīng)變的比值值，(Pa)或(MPa)。泊松比：彈性變形階階段橫向應(yīng)應(yīng)變與縱向向應(yīng)變的比比值，無(wú)量量綱值。（2）在鉆鉆探過(guò)程中中衡量巖石石塑性程度度的塑性系系數(shù)K：塑性系數(shù)：巖石破碎前前所消耗的的總能量與與彈性變形形的能量之之比。第一節(jié)巖石的物理理力學(xué)性質(zhì)質(zhì)概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系巖石按塑性性系數(shù)的分分級(jí)第一節(jié)巖石的物理理力學(xué)性質(zhì)質(zhì)概述巖石類(lèi)別彈-脆性彈-塑性高塑性低塑性→高塑性級(jí)別123456塑性系數(shù)1>1~22~33~44~5>6~∞一般巖漿巖巖和變質(zhì)巖巖的彈性模模量大于沉沉積巖，而而塑性系數(shù)數(shù)則相反。。3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系影響巖石彈彈性和塑性性的主要因因素：（1）巖漿巖和變變質(zhì)巖：造巖礦物物的彈性模模量↑，巖巖石的彈性性模量↑。。沉積巖：彈性取決決于巖石的的碎屑和膠膠結(jié)物及膠膠結(jié)狀況。。彈性模量量次序：硅硅質(zhì)膠結(jié)最最大，鈣質(zhì)質(zhì)膠結(jié)次之之，泥質(zhì)膠膠結(jié)最小。。（2）造巖礦物的的顆粒越細(xì)細(xì)，巖石越致致密，巖石石的彈性模模量越大。。巖石的彈彈性模量也也具有各向向異性。巖石的彈性性模量‖>⊥第一節(jié)巖石石的物理力力學(xué)性質(zhì)概概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系（3）單向向壓縮時(shí)表表現(xiàn)為彈-脆性，各各向壓縮時(shí)時(shí)表現(xiàn)出不不同程度的的塑性，意意味著在各各向壓縮下下需要更大大的載荷才才能破壞巖巖石的連續(xù)續(xù)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3/5/2023中國(guó)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、巖石研研磨性：巖石磨損工工具的能力力。2、巖石磨磨損形式（1）摩擦擦磨損：孔孔底巖石與與切削工具具相對(duì)滑動(dòng)動(dòng)而產(chǎn)生的的磨損。與所鉆巖石石的研磨性性、切削工工具的耐磨磨性、鉆進(jìn)進(jìn)規(guī)程參數(shù)數(shù)有關(guān)；（2）磨粒粒磨損：孔孔底破碎巖巖屑對(duì)切削削工具的磨磨損。與巖巖屑的硬度和研磨性性、巖屑的的數(shù)量（鉆鉆進(jìn)速度））、鉆孔沖沖洗的程度度等有關(guān)。。在金剛石鉆鉆進(jìn)中這種種磨損形式式起著重要要的作用，，因?yàn)閹r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。第一節(jié)巖石石的物理力力學(xué)性質(zhì)概概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系1、影響巖石石研磨性的的因素（1）巖石石顆粒的硬硬度越大，研磨磨性也越強(qiáng)強(qiáng)，石英巖巖具有強(qiáng)研研磨性（2）巖石石膠結(jié)物的粘結(jié)強(qiáng)度度越低，巖巖石的研磨磨性越強(qiáng)。。（3）巖石石顆粒形狀狀越尖銳、顆粒尺寸越越大，巖石石的研磨性性越強(qiáng)。（4）巖石表面面粗糙，局部接觸觸易產(chǎn)生應(yīng)應(yīng)力集中，，研磨性增強(qiáng)強(qiáng)（5）硬度相同時(shí)時(shí)，單礦物巖石石的研磨性性較低，非非均質(zhì)和多多礦物的巖石（如花花崗巖）研研磨性較強(qiáng)強(qiáng)。巖石中較軟軟的礦物（（云母，長(zhǎng)長(zhǎng)石）首先先被破碎下下來(lái)，使巖巖石表面變變粗糙，同同時(shí)石英顆顆粒出露，，從而增強(qiáng)強(qiáng)了研磨能能力。（6）介質(zhì)質(zhì)的影響，濕潤(rùn)和含含水的巖石石硬度和研研磨性都會(huì)會(huì)降低。第一節(jié)巖石石的物理力力學(xué)性質(zhì)概概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系常用測(cè)定巖巖石研磨性性的方法目前國(guó)際上上還沒(méi)有統(tǒng)統(tǒng)一測(cè)定巖巖石研磨性性的方法。。通常用用模擬某某種鉆進(jìn)過(guò)過(guò)程的方法法，不同方方法的結(jié)果果難以相互互比較。鉆磨法:金金屬棒在載載荷、轉(zhuǎn)速速下與巖石石摩擦后的的失重磨削法：硬硬合金刀具具在壓力下下與巖石試試件摩擦，，以一定時(shí)時(shí)間內(nèi)刀具具的失重微鉆頭鉆進(jìn)進(jìn)法：微型型鉆頭在一一定規(guī)程下下鉆磨巖樣樣，一定時(shí)時(shí)間內(nèi)鉆頭頭的磨損。第一節(jié)巖石石的物理力力學(xué)性質(zhì)概概述3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系第一節(jié)巖石石的物理力力學(xué)性質(zhì)概概述標(biāo)準(zhǔn)圓盤(pán)磨磨損法：用用圓盤(pán)金屬屬試樣在壓壓力下對(duì)巖巖石作滑動(dòng)動(dòng)摩擦，以金屬圓盤(pán)盤(pán)的磨損量量表示巖石石的研磨性性指標(biāo)。按按此方法可可把巖石的的研磨性分分成12個(gè)級(jí)別，而我國(guó)有關(guān)關(guān)部門(mén)習(xí)慣慣于把巖石石的研磨性性分成弱、、中、強(qiáng)三三個(gè)等級(jí)。。3/5/2023中國(guó)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)土土的物理理-力學(xué)學(xué)性質(zhì)特特征（自自學(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(shí)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(lèi)3/5/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系第三節(jié)巖石在外外載下的的破碎機(jī)機(jī)理0、碎巖巖工具與與巖石作作用的主主要方式式根據(jù)刃具具與巖石石作用的的方式和和碎巖機(jī)機(jī)理，可可把碎巖巖刃具分分：切削一剪剪切型、、沖擊型型、沖擊擊一剪切切型三類(lèi)類(lèi)。1、切削削一剪切切型鉆頭碎巖巖刃具以以速度vθ向前移動(dòng)而切削削(剪切)巖石。工工作參數(shù)數(shù)是：移動(dòng)速度度vθ、軸向力力Pz和切向力力Pθ以及介質(zhì)質(zhì)性質(zhì)。。3/5/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系2、沖擊擊型沖擊型刃刃具給孔孔底巖石石以直接接的沖擊擊動(dòng)載，，碎巖的的過(guò)程可可用工具動(dòng)動(dòng)能Tk和巖石變變形位能能U的方程式式來(lái)表達(dá)達(dá)（T＝U）：式中：m——鉆頭頭和沖擊擊鉆桿的的質(zhì)量；；vθ——鉆頭頭同巖石石碰撞時(shí)時(shí)的速度度；δmax——鉆頭頭侵入巖巖石的最最大深度度；Pz（δ）——巖石石抵抗鉆鉆頭侵入入的阻力力。第三節(jié)巖石在外外載下的的破碎機(jī)機(jī)理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系3、鉆頭刃具具不僅以以Pz和Pθ作用于巖巖石，而而且還有有使鉆頭頭向前回回轉(zhuǎn)的移移動(dòng)速度度vθ和沖錘對(duì)對(duì)齒刃的的沖擊速速度vz或牙輪滾滾動(dòng)時(shí)齒齒刃向下下沖擊的的速度vω。合成速速度是：：或式中：；；A0——沖錘錘單次沖沖擊功；；Q——沖錘錘重量；；r——齒頂頂?shù)窖垒嗇喫矔r(shí)旋旋轉(zhuǎn)中心心的距離離。第三節(jié)巖石在外外載下的的破碎機(jī)機(jī)理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系一、外載載作用下下的巖石石應(yīng)力狀狀態(tài)切削具對(duì)對(duì)巖石的的壓入破破碎在孔孔底過(guò)程程中起著著重要作作用。巖石在切削具具切入、、破碎之之前，先先產(chǎn)生彈彈性應(yīng)力力狀態(tài)。。鉆頭上的的切削具與孔孔底巖石石的作用用可以看看成是圓柱體、、球形體體、長(zhǎng)方方平底形壓模與與彈性半半無(wú)限體體所限制制的平面面的相互互作用。。討論不同同形狀切削具具在外載載作用下下的巖石石應(yīng)力狀狀態(tài)。（一）平平底圓柱柱形壓頭頭壓入時(shí)時(shí)應(yīng)力狀狀態(tài)（二）球球形壓頭頭壓入時(shí)時(shí)巖石的的應(yīng)力狀狀態(tài)（三）軸向力和和切向力力共同作作用時(shí)壓壓頭下方方巖石的的應(yīng)力狀狀態(tài)第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機(jī)理理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系1、平底圓柱形壓壓頭壓入時(shí)應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)剛性平底壓頭頭以作用力P沿z軸壓入彈性半半無(wú)限體，其其接觸面上的壓力分布布在初期是不不均勻的（圖圖1-6），，邊緣處的應(yīng)應(yīng)力集中使巖石產(chǎn)生局局部破碎或塑塑性變形，而而后，壓力便便趨于均勻分分布。第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機(jī)理理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系在壓力均勻分分布的前提下下，根據(jù)彈性性力學(xué)布希涅涅司克問(wèn)題和和應(yīng)力疊加原理理，求出巖體體內(nèi)沿對(duì)稱(chēng)軸軸上各應(yīng)力分分量為：第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機(jī)理理3/5/2023中國(guó)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軸的變化化情況（如圖圖）。隨z的的增加，σz減小的慢，σr=σy減小的快；剪剪應(yīng)力τ隨z的變化開(kāi)始始由小到大，，到一個(gè)臨界界深度z0處τ達(dá)最最大值。在載荷中心z=0處：第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機(jī)理理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系若將τ對(duì)z求導(dǎo)，并使其其等于零，則則：設(shè)μ=0.25，則則z0=0.62a，，τmax=0.345p。這表明在z軸上，最大大剪應(yīng)力所在在的深度約等等于壓頭半徑徑的2／3。。而最大剪應(yīng)應(yīng)力約為均勻勻壓強(qiáng)的l／／3。由于最大剪應(yīng)應(yīng)力點(diǎn)是壓碎碎巖石的發(fā)源源處，且平底底圓柱形壓頭頭壓入時(shí)應(yīng)力力存在兩個(gè)極極值點(diǎn)，應(yīng)引引起重視。第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機(jī)理理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機(jī)理理壓頭下相對(duì)剪剪應(yīng)力的等值值線分布圖3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系2、球形壓頭頭壓入時(shí)巖石石的應(yīng)力狀態(tài)態(tài)球體壓人時(shí)，，接觸球面（（半徑為a））上的壓力分布是是不均勻的。。其數(shù)值是隨隨著壓力點(diǎn)離開(kāi)壓壓力面中心的的距離r的增增加而不斷減小的的一個(gè)函數(shù)(如圖)，即即：在壓力中心處處：在壓力邊緣處處：第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機(jī)理理3/5/2023中國(guó)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(wèn)題集中中應(yīng)力作用用原理，巖巖體內(nèi)沿對(duì)對(duì)稱(chēng)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(jī)理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系各應(yīng)力分量量隨z軸的的變化：剪應(yīng)力τ隨隨z的變化化開(kāi)始由小小到大，在臨界深度z0處τ達(dá)最大值。。在壓力面中中心處（z=0）有：；如果設(shè)μ=0.25，根據(jù)計(jì)算算，z0=0.5a，τmax=0.40p，同樣存在在兩個(gè)極值值點(diǎn)，但都在z軸上。第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機(jī)理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系3、軸向力力和切向力力共同作用用時(shí)巖石的的應(yīng)力狀態(tài)態(tài)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中中，碎巖工工具一般以以軸向、切切向載荷同同時(shí)作用于于巖石。此時(shí)，，巖石的應(yīng)應(yīng)力分布與與只有軸向向載荷時(shí)不不同。只有軸向力力作用時(shí)，，等應(yīng)力線線分布是均均勻?qū)ΨQ(chēng)的的。軸向力力和切向力共同同作用時(shí)，，等應(yīng)力線線分布則是是非均勻的的、不對(duì)稱(chēng)稱(chēng)的。第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機(jī)理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系在接觸面上上，切向力力作用的前前方將產(chǎn)生生壓應(yīng)力，，而切向力力作用的后方則則產(chǎn)生拉應(yīng)應(yīng)力；在半半無(wú)限體內(nèi)內(nèi)形成正應(yīng)力力區(qū)（Ⅰ））、拉應(yīng)力力區(qū)（Ⅱ））和過(guò)渡區(qū)（（Ⅲ）。壓縮區(qū)Ⅰ隨隨軸向力增增加而擴(kuò)大大，隨切向力的增加加而縮?。?；拉伸區(qū)ⅡⅡ則與上述述情況相反。。第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機(jī)理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系二、工具壓壓入時(shí)的巖巖石破碎機(jī)機(jī)理1.平底底壓模壓入入時(shí)第一極值帶帶環(huán)形裂紋紋，開(kāi)始ac伸展比ao快；∵遠(yuǎn)離自由由面，ac伸展迅速減減慢；第二極值帶帶朝邊緣發(fā)發(fā)展，形成成鐮刀極限限區(qū)；極限區(qū)的體體積和壓力力↑，排開(kāi)開(kāi)周?chē)牧αΑ籧點(diǎn)迅速到達(dá)達(dá)自由面并并與從o點(diǎn)來(lái)的裂隙隙相遇；產(chǎn)生aob主壓力體和和mon剪切體體；；∵抗剪強(qiáng)度小小，周?chē)鷰r石突突然崩離，，壓模下落落；aob體被壓頭壓壓碎第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機(jī)理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系2.球狀狀切削具壓壓入時(shí)開(kāi)始時(shí)，切削具與巖巖石接觸的的是一個(gè)點(diǎn)點(diǎn)；外載↑，切切削具和巖巖石產(chǎn)生彈彈性變形，，接觸面面↑；接觸面中心心的正應(yīng)力力最大，首首先出現(xiàn)裂裂隙；隨外載增加加，接觸面面增大，產(chǎn)產(chǎn)生與原有有裂隙平平行的新裂裂隙系；外載繼↑，，彈變總值值↓，應(yīng)力↑，裂隙深度↑↑；以后的破碎碎過(guò)程與平平底壓模時(shí)時(shí)類(lèi)似。圖1-12說(shuō)明壓入巖巖石時(shí)的跳跳躍過(guò)程第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機(jī)理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系三、在動(dòng)載載下巖石的的破碎過(guò)程程與靜壓入時(shí)時(shí)沒(méi)有本質(zhì)質(zhì)性區(qū)別。。當(dāng)沖擊能能量不大時(shí)時(shí)，邊緣出出現(xiàn)裂紋帶帶;沖擊能↑，，邊緣之外外便出現(xiàn)環(huán)環(huán)形崩離體體——脆性破碎第第一形態(tài)。。隨著沖擊能能的↑，崩崩離體的體體積稍有↑↑。沖擊能能量達(dá)一定定值后，壓壓頭底下的的巖石發(fā)生生與靜壓入入時(shí)相似的的脆性破碎碎——脆性破碎第第二形態(tài)。。繼續(xù)↑沖擊擊能，余裕裕的能量使使壓頭的侵侵深有所增增加，并使使接觸面周周?chē)袔r石石崩離體出出現(xiàn)。沖擊能達(dá)到到相當(dāng)大的的數(shù)值時(shí)，，則出現(xiàn)——第三破碎形形態(tài)。整個(gè)巖石破破碎過(guò)程同同樣具有跳跳躍性。第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機(jī)理3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系四、影響碎巖效效果的因素素1.載荷荷大小的影影響實(shí)踐表明，，鉆進(jìn)速度度vm與比壓P的關(guān)系曲線線可分成三三個(gè)區(qū)段：：表面破碎切削具與巖巖石的接觸觸壓力遠(yuǎn)小小于巖石硬硬度，切削削具不能壓壓入巖石。。巖石破碎碎是由接觸觸摩擦功引引起的，鉆鉆進(jìn)速度低低。這種變變形破碎方方式稱(chēng)為巖巖石的表面面破碎區(qū)。。疲勞破碎軸向載荷↑但<巖石硬度，，使巖石晶間間聯(lián)系破壞壞，多次加加載疲勞裂隙發(fā)展展眾多裂隙隙交錯(cuò)，產(chǎn)產(chǎn)生粗巖粒分離，，稱(chēng)為疲勞勞破碎區(qū)。。第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機(jī)理3/5/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系3)體體積積破碎碎切削具具上的的載荷荷繼續(xù)續(xù)↑，接觸觸壓力力≥巖巖石硬硬度，，切削削具有有效地地切入入巖石石，切切下巖巖屑，，稱(chēng)為為體積積破碎碎，會(huì)會(huì)分離離出大大塊巖巖石，，破碎碎效果果好。。2.破破碎碎工具具形狀狀的影影響3.破破碎碎工具具加載載速度度的影影響4.液液柱柱壓力力的影影響第三節(jié)節(jié)巖石在在外載載下的的破碎碎機(jī)理理3/5/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系第四節(jié)節(jié)巖石的的可鉆鉆性指指標(biāo)一、巖巖石可可鉆性性的概概念1、巖巖石可可鉆性性的概概念巖石可可鉆性性是表表示鉆鉆進(jìn)過(guò)過(guò)程中中巖石石破碎碎的難難易程程度。。在鉆探探生產(chǎn)中通通常用用機(jī)械械鉆速速作為為衡量量巖石石可鉆鉆性的的指標(biāo)標(biāo)，單單位是是m／／h。。2、巖巖石的的可鉆鉆性及及可鉆鉆性分分級(jí)的的意義義可鉆性性及可可鉆性性分級(jí)級(jí)是決決定鉆鉆進(jìn)效效率的的基本本因素素，也也是確確定巖巖石破碎碎的難難易程程度的的綜合合指標(biāo)標(biāo)。對(duì)鉆探探生產(chǎn)產(chǎn)非常常重要要，它它是合合理選擇鉆鉆進(jìn)方方法、、鉆頭頭類(lèi)型型和結(jié)結(jié)構(gòu)、、鉆進(jìn)進(jìn)規(guī)程程參數(shù)數(shù)的依依據(jù)，，也是是制訂鉆探探生產(chǎn)產(chǎn)定額額和編編制鉆鉆探生生產(chǎn)計(jì)計(jì)劃的的依據(jù)據(jù)。3/5/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系第四節(jié)節(jié)巖石的的可鉆鉆性及及可鉆鉆性分分級(jí)二、巖巖石可可鉆性性分級(jí)級(jí)的方方法1、力力學(xué)性性質(zhì)指指標(biāo)法法采用單單一的的力學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)劃分分巖石石的可可鉆性性級(jí)別別。據(jù)壓入入硬度度值把把巖石分分成6類(lèi)12級(jí)級(jí)，據(jù)據(jù)擺球球的回回彈