巖土的物理力學(xué)性質(zhì)及其破碎機理資料教程

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。

1/15/2025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1/15/2025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(dāng)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1/15/2025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1/15/2025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

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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1/15/2025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1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系巖石的物理性質(zhì)是由巖石的組成結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。巖石的物理性質(zhì)有很多，本節(jié)主要研究影響巖石破碎過程的物理性質(zhì)，如粘結(jié)狀態(tài)、孔隙度、密度、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等。巖石的力學(xué)性質(zhì)是在外載作用下才表現(xiàn)出來巖石抵抗變形和破壞的能力。如強度、硬度、彈性、脆性、塑性和研磨性等。

第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系五、巖石的強度1、巖石的強度的基本概念巖石在載荷作用下抵抗破壞的能力。破壞前所能承受的最大載荷稱為極限載荷，單位面積上的極限載荷稱為極限強度2、巖石的強度的類型（1）根據(jù)受力條件，巖石的極限強度可分為抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度等；（2）根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)，巖石強度可分為單向、兩向、、三向應(yīng)力狀態(tài)下的強度；（3）根據(jù)加載速度，有靜載強度和動載強度。

第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系影響巖石強度的因素（1）一般情況下，造巖礦物強度越高，巖石的強度也越高。沉積巖的強度取決于膠結(jié)物所占的比例及其礦物成分。細粒巖石的強度大于同一礦物組成的粗粒巖石。（2）巖石的孔隙度增加，密度降低，強度則降低。因此，一般巖石的強度隨埋深的增大而增大。（3）巖石的強度具有明顯的各向異性。垂直于層理方向的抗壓強度最大，平行于層理的抗壓強度最小，在與層理斜交方向上的抗壓強度介于兩者之間。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系（4）巖石的受載方式導(dǎo)致巖石的強度值差異很大。巖石的抗壓強度最大，抗剪強度約為抗壓強度的10%。因此，鉆掘過程中，破巖工具應(yīng)主要以剪切的方式來破碎巖石。（5）多向應(yīng)力狀態(tài)下的巖石強度比簡單應(yīng)力狀態(tài)下的強度高出許多倍。（6）加載速度的影響：①

加載速度增加，巖石的強度提高；②

加載速度對塑性巖石強度的影響大，對脆性巖石強度的影響小。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系六、巖石的硬度1、巖石的硬度的基本概念：巖石的硬度反映巖石抵抗外部更硬物體壓入（侵入）其表面的能力。2、硬度與抗壓強度的區(qū)別與聯(lián)系（1）巖石的硬度與抗壓強度一般存在正比例關(guān)系；（2）抗壓強度是固體抵抗整體破壞時的阻力，而硬度則是固體表面對另一物體局部壓入或侵入時的阻力。

（3）硬度指標更接近于鉆掘過程的實際情況。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系

3、影響巖石硬度的因素

（1）巖石中堅硬礦物愈多、膠結(jié)物的硬度越大、巖石的顆粒越細、結(jié)構(gòu)越致密，巖石的硬度越大。而孔隙度高、密度低、裂隙發(fā)育的巖石硬度將會降低。（2）巖石的硬度具有明顯的各向異性。層理對巖石硬度的影響與對巖石強度的影響相反。垂直于層理方向，硬度值最??；平行于層理方向，硬度最大；兩者之間可相差1.05～1.8倍。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系（3）在各向均勻壓縮的條件下，巖石的硬度增加。在常壓下硬度越低的巖石，隨著圍壓增大，其硬度值增長越快。（4）一般而言，隨著加載速度增加，將導(dǎo)致巖石的塑性系數(shù)降低，硬度增加。但當(dāng)沖擊速度小于10m/s時，硬度變化不大。加載速度對低強度、高塑性及多孔隙巖石硬度的影響更顯著。

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4、巖石硬度的測定

（1）靜壓入法：以1~5mm2的壓頭壓入巖樣表面，巖石破碎時的載荷Pmax除以接觸面積S，則為巖石的硬度值Hy（通常稱為壓入硬度）。(Pa)（2）沖擊回彈法：利用重物落在巖石表面后回彈高度或回彈角度或回彈次數(shù)來確定巖石的硬度。

第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系七、巖石的變形特征及其分類

按巖石在壓頭壓入時的變形曲線和破碎特性可分成三類：彈-脆性巖石（花崗巖、石英巖、碧石鐵質(zhì)巖）在壓頭壓入時僅產(chǎn)生彈性變形，至A點最大載荷為Pmax處便突然脆性破碎，壓頭瞬時壓入，破碎穴的深度為h。這時破碎穴面積明顯大于壓頭的端面面積，即h/δ>5。

2.彈-塑性巖石（大理巖、石灰?guī)r、砂巖）在壓頭壓入時首先產(chǎn)生彈性變形，然后塑性變形。至B點載荷達Pmax

時突然發(fā)生脆性破碎。這時破碎穴面積也大于壓頭的端面面積，而h/δ>2.5～5，即小于第一類巖石。

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3.高塑性和高孔隙性巖石（粘土、孔隙石灰?guī)r、鹽巖）區(qū)別于前二類，當(dāng)壓頭壓入時，在壓頭周圍幾乎不形成圓錐形破碎穴，不會在壓入作用下產(chǎn)生脆性破碎h/δ=1。計算這類巖石的硬度時只能用P0代替公式中的Pmax。

第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系八、巖石的彈性和塑性（1）衡量巖石彈性的指標主要是彈性模數(shù)E和泊松比μ。彈性模數(shù)：彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，(Pa)或(MPa)。泊松比：彈性變形階段橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，無量綱值。（2）在鉆探過程中衡量巖石塑性程度的塑性系數(shù)K：塑性系數(shù)：巖石破碎前所消耗的總能量與彈性變形的能量之比。

第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系巖石按塑性系數(shù)的分級第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石類別彈-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~∞一般巖漿巖和變質(zhì)巖的彈性模量大于沉積巖，而塑性系數(shù)則相反。1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系影響巖石彈性和塑性的主要因素：（1）巖漿巖和變質(zhì)巖：造巖礦物的彈性模量↑，巖石的彈性模量↑。

沉積巖：彈性取決于巖石的碎屑和膠結(jié)物及膠結(jié)狀況。彈性模量次序：硅質(zhì)膠結(jié)最大，鈣質(zhì)膠結(jié)次之，泥質(zhì)膠結(jié)最小。（2）造巖礦物的顆粒越細，巖石越致密，巖石的彈性模量越大。巖石的彈性模量也具有各向異性。巖石的彈性模量‖>⊥

第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系（3）單向壓縮時表現(xiàn)為彈-脆性，各向壓縮時表現(xiàn)出不同程度的塑性，意味著在各向壓縮下需要更大的載荷才能破壞巖石的連續(xù)性。（4）溫度升高巖石的彈性模量變小，塑性系數(shù)增大，巖石表現(xiàn)為從脆性向塑性轉(zhuǎn)化。在超深鉆和地?zé)峥资┕ぶ袘?yīng)注意這一影響。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系九、巖石的研磨性

1、巖石研磨性：巖石磨損工具的能力。2、巖石磨損形式

（1）摩擦磨損：孔底巖石與切削工具相對滑動而產(chǎn)生的磨損。與所鉆巖石的研磨性、切削工具的耐磨性、鉆進規(guī)程參數(shù)有關(guān)；（2）磨粒磨損：孔底破碎巖屑對切削工具的磨損。與巖屑的硬度和研磨性、巖屑的數(shù)量（鉆進速度）、鉆孔沖洗的程度等有關(guān)。在金剛石鉆進中這種磨損形式起著重要的作用，因為巖粉能磨蝕金剛石鉆頭的胎體，幫助孕鑲金剛石出刃。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系1、影響巖石研磨性的因素（1）巖石顆粒的硬度越大，研磨性也越強，石英巖具有強研磨性（2）巖石膠結(jié)物的粘結(jié)強度越低，巖石的研磨性越強。（3）巖石顆粒形狀越尖銳、顆粒尺寸越大，巖石的研磨性越強。（4）巖石表面粗糙，局部接觸易產(chǎn)生應(yīng)力集中，

研磨性增強（5）硬度相同時，單礦物巖石的研磨性較低，非均質(zhì)和多礦物的巖石（如花崗巖）研磨性較強。巖石中較軟的礦物（云母，長石）首先被破碎下來，使巖石表面變粗糙，同時石英顆粒出露，從而增強了研磨能力。（6）介質(zhì)的影響，濕潤和含水的巖石硬度和研磨性都會降低。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系常用測定巖石研磨性的方法目前國際上還沒有統(tǒng)一測定巖石研磨性的方法。通常用模擬某種鉆進過程的方法，不同方法的結(jié)果難以相互比較。鉆磨法:金屬棒在載荷、轉(zhuǎn)速下與巖石摩擦后的失重磨削法：硬合金刀具在壓力下與巖石試件摩擦，以一定時間內(nèi)刀具的失重微鉆頭鉆進法：微型鉆頭在一定規(guī)程下鉆磨巖樣，一定時間內(nèi)鉆頭的磨損。

第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述標準圓盤磨損法：用圓盤金屬試樣在壓力下對巖石作滑動摩擦，以金屬圓盤的磨損量表示巖石的研磨性指標。按此方法可把巖石的研磨性分成12個級別，而我國有關(guān)部門習(xí)慣于把巖石的研磨性分成弱、中、強三個等級。

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系自學(xué)內(nèi)容安排

第二節(jié)土的物理-力學(xué)性質(zhì)特征（自學(xué)P13~P15）一、土的基本組成二、土的物理性質(zhì)特征（土的含水量、土的密實度、土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)、土的滲透系數(shù)）三、土的力學(xué)性質(zhì)特征（土的壓縮性、土的抗剪性、土的極限平衡條件）四、土的工程分類1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

0、碎巖工具與巖石作用的主要方式根據(jù)刃具與巖石作用的方式和碎巖機理，可把碎巖刃具分：切削一剪切型、沖擊型、沖擊一剪切型三類。1、切削一剪切型鉆頭碎巖刃具以速度vθ向前移動而切削(剪切)巖石。工作參數(shù)是：移動速度vθ、軸向力Pz和切向力Pθ以及介質(zhì)性質(zhì)。

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系2、沖擊型沖擊型刃具給孔底巖石以直接的沖擊動載，碎巖的過程可用工具動能Tk和巖石變形位能U的方程式來表達（T＝U）：式中：m——鉆頭和沖擊鉆桿的質(zhì)量；

vθ——鉆頭同巖石碰撞時的速度；δmax——鉆頭侵入巖石的最大深度；Pz（δ）——巖石抵抗鉆頭侵入的阻力。第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系3、鉆頭刃具不僅以Pz和Pθ作用于巖石，而且還有使鉆頭向前回轉(zhuǎn)的移動速度vθ和沖錘對齒刃的沖擊速度vz或牙輪滾動時齒刃向下沖擊的速度vω。合成速度是：

或式中：；A0——沖錘單次沖擊功；Q——沖錘重量；r——齒頂?shù)窖垒喫矔r旋轉(zhuǎn)中心的距離。

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系一、外載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)

切削具對巖石的壓入破碎在孔底過程中起著重要作用。巖石在切削具切入、破碎之前，先產(chǎn)生彈性應(yīng)力狀態(tài)。鉆頭上的切削具與孔底巖石的作用可以看成是圓柱體、球形體、長方平底形壓模與彈性半無限體所限制的平面的相互作用。討論不同形狀切削具在外載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)。（一）平底圓柱形壓頭壓入時應(yīng)力狀態(tài)

（二）球形壓頭壓入時巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（三）軸向力和切向力共同作用時壓頭下方巖石的應(yīng)力狀態(tài)

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系1、平底圓柱形壓頭壓入時應(yīng)力狀態(tài)剛性平底壓頭以作用力P沿z軸壓入彈性半無限體，其接觸面上的壓力分布在初期是不均勻的（圖1-6），邊緣處的應(yīng)力集中使巖石產(chǎn)生局部破碎或塑性變形，而后，壓力便趨于均勻分布。

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

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在壓力均勻分布的前提下，根據(jù)彈性力學(xué)布希涅司克問題和應(yīng)力疊加原理，求出巖體內(nèi)沿對稱軸上各應(yīng)力分量為：

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

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各應(yīng)力分量隨z軸的變化情況（如圖）。隨z的增加，σz減小的慢，σr=σy減小的快；剪應(yīng)力τ隨z的變化開始由小到大，到一個臨界深度z0處τ達最大值。在載荷中心z=0處：

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系若將τ對z求導(dǎo)，并使其等于零，則：

設(shè)μ=0.25，則z0=0.62a，τmax=0.345p。這表明在z軸上，最大剪應(yīng)力所在的深度約等于壓頭半徑的2／3。而最大剪應(yīng)力約為均勻壓強的l／3。由于最大剪應(yīng)力點是壓碎巖石的發(fā)源處，且平底圓柱形壓頭壓入時應(yīng)力存在兩個極值點，應(yīng)引起重視。

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

壓頭下相對剪應(yīng)力的等值線分布圖1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系

2、球形壓頭壓入時巖石的應(yīng)力狀態(tài)

球體壓人時，接觸球面（半徑為a）上的壓力分布是不均勻的。其數(shù)值是隨著壓力點離開壓力面中心的距離r的增加而不斷減小的一個函數(shù)(如圖)，即：在壓力中心處：在壓力邊緣處：

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

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同樣根據(jù)彈性力學(xué)布希涅司克問題集中應(yīng)力作用原理，巖體內(nèi)沿對稱軸上的各應(yīng)力分量為：

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

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各應(yīng)力分量隨z軸的變化：剪應(yīng)力τ隨z的變化開始由小到大，在臨界深度z0處τ達最大值。在壓力面中心處（z=0）有：

；

如果設(shè)μ=0.25，根據(jù)計算，z0=0.5a，τmax=0.40p

，同樣存在兩個極值點，但都在z軸上。

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系3、軸向力和切向力共同作用時巖石的應(yīng)力狀態(tài)回轉(zhuǎn)鉆進中，碎巖工具一般以軸向、切向載荷同時作用于巖石。此時，巖石的應(yīng)力分布與只有軸向載荷時不同。

只有軸向力作用時，等應(yīng)力線分布是均勻?qū)ΨQ的。軸向力和切向力共同作用時，等應(yīng)力線分布則是非均勻的、不對稱的。第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系

在接觸面上，切向力作用的前方將產(chǎn)生壓應(yīng)力，而切向力作用的后方則產(chǎn)生拉應(yīng)力；在半無限體內(nèi)形成正應(yīng)力區(qū)（Ⅰ）、拉應(yīng)力區(qū)（Ⅱ）和過渡區(qū)（Ⅲ）。壓縮區(qū)Ⅰ隨軸向力增加而擴大，隨切向力的增加而縮小；拉伸區(qū)Ⅱ則與上述情況相反。

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系二、工具壓入時的巖石破碎機理1.平底壓模壓入時第一極值帶環(huán)形裂紋，開始ac伸展比ao快；∵遠離自由面，ac伸展迅速減慢；第二極值帶朝邊緣發(fā)展，形成鐮刀極限區(qū)；極限區(qū)的體積和壓力↑，排開周圍的力↑；c點迅速到達自由面并與從o點來的裂隙相遇；產(chǎn)生aob主壓力體和mon剪切體體；∵

抗剪強度小，周圍巖石突然崩離，壓模下落；aob體被壓頭壓碎

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系2.球狀切削具壓入時開始時，切削具與巖石接觸的是一個點；外載↑，切削具和巖石產(chǎn)生彈性變形，接觸面↑；接觸面中心的正應(yīng)力最大，首先出現(xiàn)裂隙；隨外載增加，接觸面增大，產(chǎn)生與原有裂隙平行的新裂隙系；外載繼↑，彈變總值↓，應(yīng)力↑，裂隙深度↑；以后的破碎過程與平底壓模時類似。圖1-12說明壓入巖石時的跳躍過程第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系

三、在動載下巖石的破碎過程與靜壓入時沒有本質(zhì)性區(qū)別。當(dāng)沖擊能量不大時，邊緣出現(xiàn)裂紋帶;沖擊能↑，邊緣之外便出現(xiàn)環(huán)形崩離體——脆性破碎第一形態(tài)。隨著沖擊能的↑，崩離體的體積稍有↑。沖擊能量達一定值后，壓頭底下的巖石發(fā)生與靜壓入時相似的脆性破碎——脆性破碎第二形態(tài)。繼續(xù)↑沖擊能，余裕的能量使壓頭的侵深有所增加，并使接觸面周圍有巖石崩離體出現(xiàn)。沖擊能達到相當(dāng)大的數(shù)值時，則出現(xiàn)——第三破碎形態(tài)。整個巖石破碎過程同樣具有跳躍性。第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系四、影響碎巖效果的因素

1.載荷大小的影響實踐表明，鉆進速度vm與比壓P的關(guān)系曲線可分成三個區(qū)段：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)。

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系3)體積破碎切削具上的載荷繼續(xù)↑，接觸壓力≥巖石硬度，切削具有效地切入巖石，切下巖屑，稱為體積破碎，會分離出大塊巖石，破碎效果好。2.破碎工具形狀的影響

3.破碎工具加載速度的影響

4.液柱壓力的影響

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎機理

1/15/2025中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系第四節(jié)

巖石的可鉆性指標

一、巖石可鉆性的概念1、巖石可鉆性的概念巖石可鉆性是表示鉆進過程中巖石破碎的難易程度。在鉆探生產(chǎn)中通常用機械鉆速作為衡量巖石可鉆性的指標，單位是m／