国家精品课程岩土钻掘工程学第1章-岩土的物理力学性质及其破碎机理

岩土钻掘工程学课时：60学时教材：《岩土钻掘工程学》主讲人：鄢泰宁（教授）

勘查与基础工程系2007-9-10国家精品课程第一章

岩土的物理力学性质及其破碎机理

一、岩石的物理力学性质概述二、土的物理力学性质特征三、岩石在外载作用下的的破碎机理四、岩石的可钻性及可钻性指标及坚固性系数国家精品课程第一节岩石的物理力学性质概述

○、岩石的组成与分类岩石是矿物的集合体。矿物是具有一定成分和物理性质的无机物质。根据其成因，岩石可分为三类：1、岩浆岩：岩浆岩是内力地质作用的产物，由地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。

2、沉积岩：沉积岩是在地表条件下母岩(岩浆岩、变质岩或早先形成的沉积岩)风化剥蚀的产物，经搬运、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。。

3、变质岩：变质岩是岩浆岩、沉积岩甚至是变质岩本身在地壳中受到高温、高压及活动性流体的影响而变质形成的岩石。

11/29/2022中国地质大学勘察与基础工程系一般而言：金属和非金属矿床一般赋存于岩浆岩和变质岩中，煤和石油等可燃性矿产通常与沉积岩共存。

一、岩石按粘结状态的分类

1.坚固岩石：通常具有高硬度，岩石破碎后其矿物质点之间的分子连接力都不会恢复。坚固岩石分含石英和不含石英两类，前者硬度高，难以钻掘。通常在生产中会遇到无裂纹和裂隙性两种坚固岩石。在完整的坚固岩石中施工时，孔（井）壁稳定不必加固，而在强裂隙性岩石中穿过的孔（井）壁必须加固。第一节岩石的物理力学性质概述11/29/2022中国地质大学勘察与基础工程系2.粘结性岩石粘结性岩石由粘土矿物或主要由粘土矿物粘结的碎屑岩细粒组成，特征：①湿润条件下，被破坏之前可以有大的残余变形；②质点间的内聚力，随湿润不同可在很宽的范围内变化；③在粘结状态被破坏后，可采取高压和增湿的办法使其内聚力得以恢复；④某些粘结性岩石（粘土岩、白垩）在湿润状态下具有膨胀性，易造成孔（井）壁缩径或坍塌。

第一节岩石的物理力学性质概述11/29/2022中国地质大学勘察与基础工程系3.松散性岩石松散性岩石由相互之间无粘结性的不同形状与尺寸的细粒（砂、砾石、卵石、漂砾等）聚集而成。在这类岩石中钻掘的同时必须加固孔（井）壁，以防止坍塌。4.流动性岩石流动性岩石（流砂层）由含水的砂质粘土类岩石（细砂、亚砂土）组成。当砂粒之间存在着极细小的粘土颗粒时，这类岩石具有较强的流动性。如果位于上覆岩层形成的高水头压力之下，则流砂会沿着钻孔上涌。因此在这类岩石中施工必须一边钻掘一边加固孔（井）壁。

第一节岩石的物理力学性质概述11/29/2022中国地质大学勘察与基础工程系二、岩石的孔隙比与孔隙度1、岩石的孔隙比kP：岩石中的孔隙体积VP与岩石中固相骨架的体积Vc之比

kP=VP/Vc2、岩石的孔隙度P：岩石中的孔隙体积VP与岩石总体积V

的百分比岩石的孔隙性削弱了岩石的强度。一般沉积岩具有高的孔隙度，随着埋深的增大，岩石的孔隙度降低。

第一节岩石的物理力学性质概述11/29/2022中国地质大学勘察与基础工程系第二节岩石的物理力学性质

三、岩石的密度与容重

1、岩石的密度ρs：岩样的质量m与其总体积V之比。均质物质的密度为质量与体积之比。

2、岩石的容重γs：是岩样重量G与其总体积V之比

11/29/2022中国地质大学勘察与基础工程系

四、岩石的结构和构造岩石结构说明岩石的微观组织特征。与矿物颗粒的大小、形状和表面特征有关，反映岩石的非均质性和孔隙性。岩浆岩主要具有块状结构，其构造特征对钻掘破碎岩石没有显著影响。沉积岩的成因广泛，故其结构也比较复杂。碎屑岩具有碎屑结构，按碎屑的大小可分为砾状结构（碎屑直径＞2mm）、粗粒结构（碎屑直径1~2mm）、中砂结构（碎屑直径0.1~1mm）、粉砂结构（碎屑直径0.01~0.1mm）。。第一节岩石的物理力学性质概述11/29/2022中国地质大学勘察与基础工程系碎屑岩的胶结形式也对岩石的力学性质有着显著影响。沉积岩通常具有层状构造，它是由层理决定的。层理反映岩石在垂直方向上成分的变

化，即岩石颗粒大小在垂直方向上的改变，不同成分颗粒的交替，或者某些岩石颗粒的定向

排列。层理导致岩石的各向异性。变质岩是在高温高压下生成的，一般具有晶体结构、片理状构造。所谓片理就是岩石沿平行

平面分裂为薄片的能力。片理也会引起岩石的各向异性。

用各向异性系数来表征岩石在不同的方向上力学性质的差异：

Ka=x‖/x⊥第一节岩石的物理力学性质概述11/29/2022中国地质大学勘察与基础工程系岩石的物理理性质是由由岩石的组组成结构所所表现出来来的性质。。岩石的物物理性质有有很多，本本节主要研研究影响岩岩石破碎过过程的物理理性质，如如粘结状态态、孔隙度度、密度、、结构和构构造等。岩石的力学学性质是在在外载作用用下才表现现出来岩石石抵抗变形形和破坏的的能力。如强度、硬硬度、弹性性、脆性、、塑性和研研磨性等。。第一节岩石的物理理力学性质质概述11/26/2022中国地质大大学勘察与与基础工程程系五、岩石的的强度1、岩石的强强度的基本本概念岩石在载荷荷作用下抵抵抗破坏的的能力。破坏前所能能承受的最最大载荷称为极极限载荷，，单位面积积上的极限限载荷称为为极限强度度2、岩石的强强度的类型型（1）根据受力力条件，岩石的极限限强度可分分为抗压强强度、抗拉拉强度、抗剪强强度等；（2）根据应力状状态，岩石石强强度度可可分分为为单单向向、两向向、、、三向向应应力状状态态下下的的强强度度；；（3）根根据据加加载载速速度度，，有静静载载强强度度和和动动载载强强度度。。第一一节节岩石石的的物物理理力力学学性性质质概概述述11/26/2022中国国地地质质大大学学勘勘察察与与基基础础工工程程系系影响响岩岩石石强强度度的的因因素素（1）一一般般情情况况下下，，造造岩岩矿矿物物强强度度越越高高，，岩岩石石的的强强度度也也越越高高。。沉积积岩岩的的强强度度取取决决于于胶胶结结物物所所占占的的比比例例及及其其矿矿物物成成分分。。细细粒粒岩石石的的强强度度大大于于同同一一矿矿物物组组成成的的粗粗粒粒岩岩石石。。（2）岩岩石石的的孔孔隙隙度度增增加加，，密密度度降降低低，，强强度度则则降降低低。。因因此此，，一般般岩岩石石的的强强度度随随埋埋深深的的增增大大而而增增大大。。（3）岩岩石石的的强强度度具具有有明明显显的的各各向向异异性性。。垂垂直直于于层层理理方方向向的的抗压压强强度度最最大大，，平平行行于于层层理理的的抗抗压压强强度度最最小小，，在在与与层层理理斜斜交交方向向上上的的抗抗压压强强度度介介于于两两者者之之间间。。第一一节节岩岩石石的的物物理理力力学学性性质质概概述述11/26/2022中国国地地质质大大学学勘勘察察与与基基础础工工程程系系（4）岩岩石石的的受受载载方方式式导导致致岩岩石石的的强强度度值值差差异异很很大大。。岩岩石石的的抗压压强强度度最最大大，，抗抗剪剪强强度度约约为为抗抗压压强强度度的的10%。因此此，，钻钻掘掘过过程中中，，破破岩岩工工具具应应主主要要以以剪剪切切的的方方式式来来破破碎碎岩岩石石。。（5）多多向向应应力力状状态态下下的的岩岩石石强强度度比比简简单单应应力力状状态态下下的的强强度度高高出出许许多多倍倍。。（6）加载速速度的影影响：①加载速度度增加，，岩石的的强度提提高；②加载速度度对塑性性岩石强强度的影影响大，，对脆性性岩石强强度的影影响小。。第一节岩岩石的物物理力学学性质概概述11/26/2022中国地质质大学勘勘察与基基础工程程系六、岩石石的硬度度1、岩石的的硬度的的基本概概念：岩岩石的硬硬度反映映岩石抵抵抗外部部更硬物体体压入（（侵入））其表面面的能力力。2、硬度与与抗压强强度的区区别与联联系（1）岩石的的硬度与与抗压强强度一般般存在正正比例关关系；（2）抗压强强度是固固体抵抗抗整体破破坏时的的阻力，，而硬度度则是固体表面面对另一一物体局局部压入入或侵入入时的阻阻力。（3）硬度指指标更接接近于钻钻掘过程程的实际际情况。。第一节岩岩石的物物理力学学性质概概述11/26/2022中国地地质大大学勘勘察与与基础础工程程系3、影响岩岩石硬硬度的的因素素（1）岩石石中坚坚硬矿矿物愈愈多、、胶结结物的的硬度度越大大、岩岩石的的颗粒粒越细、、结构构越致致密，，岩石石的硬硬度越越大。。而孔孔隙度度高、、密度度低、裂隙发发育的的岩石石硬度度将会会降低低。（2）岩石石的硬硬度具具有明明显的的各向向异性性。层层理对对岩石石硬度度的影影响与与对岩岩石强强度的的影响响相反反。垂垂直于于层理理方向向，硬度值值最小小；平行于于层理理方向向，硬度最最大；两者之之间可可相差差1.05～1.8倍。第一节节岩石石的物物理力力学性性质概概述11/26/2022中国国地地质质大大学学勘勘察察与与基基础础工工程程系系（3）在在各各向向均均匀匀压压缩缩的的条条件件下下，，岩岩石石的的硬硬度度增增加加。。在在常常压压下下硬度度越越低低的的岩岩石石，，随随着着围围压压增增大大，，其其硬硬度度值值增增长长越越快快。。（4）一一般般而而言言，，随随着着加加载载速速度度增增加加，，将将导导致致岩岩石石的的塑塑性性系系数降降低低，，硬硬度度增增加加。。但但当当冲冲击击速速度度小小于于10m/s时，，硬硬度度变变化化不不大大。。加载载速速度度对对低低强强度度、、高高塑塑性性及及多多孔孔隙隙岩岩石石硬硬度度的的影影响响更更显显著著。。第一节节岩石石的物物理力力学性性质概概述11/26/2022中国地地质大大学勘勘察与与基础础工程程系4、岩石硬硬度的的测定定（1）静压压入法法：以1~5mm2的压头压入入岩样样表面面，岩岩石破破碎时时的载载荷Pmax除以接接触面面积S，则为岩石的的硬度值值Hy（通常称称为压压入硬硬度））。(Pa)（2）冲击回回弹法法：利用重重物落落在岩岩石表面面后回回弹高高度或或回弹弹角度度或回回弹次数来来确定定岩石石的硬硬度。。第一节节岩石石的物物理力力学性性质概概述11/26/2022中国地地质大大学勘勘察与与基础础工程程系七、岩岩石的的变形形特征征及其其分类类按岩石石在压压头压压入时时的变变形曲曲线和和破碎碎特性性可分分成三三类：：弹-脆性岩岩石（（花岗岗岩、、石英英岩、、碧石石铁质质岩））在压头头压入入时仅仅产生生弹性性变形形，至至A点最大大载荷荷为Pmax处便突突然脆脆性破破碎，，压头头瞬时时压入入，破破碎穴穴的深深度为为h。这时破破碎穴穴面积积明显显大于于压头头的端端面面面积，，即h/δ>5。2.弹-塑性岩岩石（（大理理岩、、石灰灰岩、、砂岩岩）在压头头压入入时首首先产产生弹弹性变变形，，然后后塑性性变形形。至至B点载荷荷达Pmax时突然然发生生脆性性破碎碎。这时破破碎穴穴面积积也大大于压压头的的端面面面积积，而而h/δ>2.5～5，即小于于第一一类岩岩石。。第一节节岩石的的物理理力学学性质质概述述11/26/2022中国国地地质质大大学学勘勘察察与与基基础础工工程程系系3.高塑塑性性和和高高孔孔隙隙性性岩岩石石（（粘粘土土、、孔孔隙隙石石灰灰岩岩、、盐盐岩岩））区别别于于前前二二类类，，当当压压头头压压入入时时，，在在压压头头周周围围几几乎乎不不形形成成圆圆锥锥形形破破碎碎穴穴，，不不会会在在压压入入作作用用下下产产生生脆脆性性破破碎碎h/δ=1。计算算这这类类岩岩石石的的硬硬度度时时只只能能用用P0代替替公公式式中中的的Pmax。第一一节节岩石石的的物物理理力力学学性性质质概概述述11/26/2022中国地质质大学勘勘察与基基础工程程系八、岩石的的弹性和和塑性（1）衡量岩岩石弹性性的指标标主要是是弹性模模数E和泊松比比μ。弹性模数数：弹性范围围内应力力与应变变的比值值，(Pa)或(MPa)。泊松比：弹性变形形阶段横横向应变变与纵向向应变的的比值，，无量纲纲值。（2）在钻探探过程中中衡量岩岩石塑性性程度的的塑性系系数K：塑性系数数：岩石破碎碎前所消消耗的总总能量与与弹性变变形的能能量之比。第一节岩石的物物理力学学性质概概述11/26/2022中国地质大学学勘察与基础础工程系岩石按塑性系系数的分级第一节岩石的物理力力学性质概述述岩石类别弹-脆性弹-塑性高塑性低塑性→高塑性级别123456塑性系数1>1~22~33~44~5>6~∞一般岩浆岩和和变质岩的弹弹性模量大于于沉积岩，而而塑性系数则则相反。11/26/2022中国地质大学学勘察与基础础工程系影响岩石弹性性和塑性的主主要因素：（1）岩浆岩和变质质岩：造岩矿物的的弹性模量↑↑，岩石的弹弹性模量↑。。沉积岩：弹性取决于于岩石的碎屑屑和胶结物及及胶结状况。。弹性模量次次序：硅质胶胶结最大，钙钙质胶结次之之，泥质胶结结最小。（2）造岩矿物的颗颗粒越细，岩石越致密密，岩石的弹弹性模量越大大。岩石的弹弹性模量也具具有各向异性性。岩石的弹性模模量‖>⊥第一节岩石的的物理力学性性质概述11/26/2022中国地质大大学勘察与与基础工程程系（3）单向压缩缩时表现为为弹-脆性，各向向压缩时表表现出不同同程度的塑塑性，意味味着在各向向压缩下需需要更大的的载荷才能能破坏岩石石的连续性性。（4）温度升高岩岩石的弹性性模量变小小，塑性系系数增大，，岩石表现现为从脆性性向塑性转转化。在超超深钻和地地热孔施工工中应注意意这一影响响。第一节岩石石的物理力力学性质概概述11/26/2022中国地质大大学勘察与与基础工程程系九、岩石石的研磨性性1、岩石研磨磨性：岩石磨损工工具的能力力。2、岩石磨损损形式（1）摩擦磨损损：孔底岩岩石与切削削工具相对对滑动而产产生的磨损损。与所钻岩石石的研磨性性、切削工工具的耐磨磨性、钻进进规程参数数有关；（2）磨粒磨损损：孔底破破碎岩屑对对切削工具具的磨损。。与岩屑的的硬度和研磨性性、岩屑的的数量（钻钻进速度））、钻孔冲冲洗的程度度等有关。。在金刚石钻钻进中这种种磨损形式式起着重要要的作用，，因为岩粉粉能磨蚀金刚石钻头头的胎体，，帮助孕镶镶金刚石出出刃。第一一节节岩岩石石的的物物理理力力学学性性质质概概述述11/26/2022中国国地地质质大大学学勘勘察察与与基基础础工工程程系系1、影影响响岩岩石石研研磨磨性性的的因因素素（1）岩岩石石颗颗粒粒的的硬硬度度越大大，，研研磨磨性性也也越越强强，，石石英英岩岩具具有有强强研研磨磨性性（2）岩岩石石胶胶结结物物的粘粘结结强强度度越越低低，，岩岩石石的的研研磨磨性性越越强强。。（3）岩石石颗粒粒形状状越尖锐锐、颗粒尺尺寸越越大，，岩石石的研研磨性性越强强。（4）岩石石表面面粗糙糙，局部部接触触易产产生应应力集集中，，研磨性性增强强（5）硬度相相同时时，单矿物物岩石石的研研磨性性较低低，非非均质质和多多矿物物的岩石（（如花花岗岩岩）研研磨性性较强强。岩石中中较软软的矿矿物（（云母母，长长石））首先先被破破碎下下来，，使岩岩石表表面变变粗糙糙，同同时石石英颗颗粒出出露，，从而而增强强了研研磨能能力。。（6）介质质的影响响，湿润润和含含水的的岩石石硬度度和研研磨性性都会会降低低。第一节节岩石石的物物理力力学性性质概概述11/26/2022中国地地质大大学勘勘察与与基础础工程程系常用测测定岩岩石研研磨性性的方方法目前国国际上上还没没有统统一测测定岩岩石研研磨性性的方方法。。通通常用用模模拟某某种钻钻进过过程的的方法法，不不同方方法的的结果果难以以相互互比较较。钻磨法法:金属棒棒在载载荷、、转速速下与与岩石石摩擦擦后的的失重重磨削法法：硬硬合金金刀具具在压压力下下与岩岩石试试件摩摩擦，，以一一定时时间内内刀具具的失失重微钻头头钻进进法：：微型型钻头头在一一定规规程下下钻磨磨岩样样，一一定时时间内内钻头头的磨磨损。第一节岩岩石的物物理力学学性质概概述11/26/2022中国地质质大学勘勘察与基基础工程程系第一节岩岩石的物物理力学学性质概概述标准圆盘盘磨损法法：用圆圆盘金属属试样在在压力下下对岩石石作滑动动摩擦，以金属圆圆盘的磨磨损量表表示岩石石的研磨磨性指标标。按此此方法可可把岩石石的研磨磨性分成成12个级别，而我国有有关部门门习惯于于把岩石石的研磨磨性分成成弱、中中、强三三个等级级。11/26/2022中国地质质大学勘勘察与基基础工程程系自学内容容安排第二节土的物理理-力学性质质特征（（自学P13~P15）一、土的的基本组组成二、土的的物理性性质特征征（土的的含水量量、土的的密实度度、土的塑性性指数和和液性指指数、土土的渗透透系数））三、土的的力学性性质特征征（土的的压缩性性、土的的抗剪性性、土的极限限平衡条条件）四、土的的工程分分类11/26/2022中国地质大大学勘察与与基础工程程系第三节岩石在外载载下的破碎碎机理0、碎岩工具具与岩石作作用的主要要方式根据刃具与与岩石作用用的方式和和碎岩机理理，可把碎碎岩刃具分分：切削一剪切切型、冲击击型、冲击击一剪切型型三类。1、切削一剪剪切型钻头碎岩刃刃具以速度度vθ向前移动而切削(剪切)岩石。工作作参数是：：移动速度vθ、轴向力Pz和切向力Pθ以及介质性性质。11/26/2022中国地质大大学勘察与与基础工程程系2、冲击型冲击型刃具具给孔底岩岩石以直接接的冲击动动载，碎岩岩的过程可可用工具动能能Tk和岩石变形形位能U的方程式来来表达（T＝U）：式中：m——钻头和冲击击钻杆的质质量；vθ——钻头同岩石石碰撞时的的速度；δmax——钻头侵入岩岩石的最大大深度；Pz（δ）——岩石抵抗钻钻头侵入的的阻力。第三节岩石在外载载下的破碎碎机理11/26/2022中国地质大学学勘察与基础础工程系3、钻头刃具不仅仅以Pz和Pθ作用于岩石，，而且还有使使钻头向前回回转的移动速速度vθ和冲锤对齿刃刃的冲击速度度vz或牙轮滚动时时齿刃向下冲冲击的速度vω。合成速度是：：或式中：：；A0——冲锤单单次冲冲击功功；Q——冲锤重重量；；r——齿顶到到牙轮轮瞬时时旋转转中心心的距距离。。第三节节岩石在在外载载下的的破碎碎机理理11/26/2022中国地地质大大学勘勘察与与基础础工程程系一、外载作作用下下的岩岩石应应力状状态切削具具对岩岩石的的压入入破碎碎在孔孔底过过程中中起着着重要要作用用。岩石在切削削具切切入、、破碎碎之前前，先先产生生弹性性应力力状态态。钻头上上的切切削具与与孔底底岩石石的作作用可可以看看成是是圆柱体、球球形体、长长方平底形压模与弹弹性半无限限体所限制制的平面的的相互作用用。讨论不同形形状切削具在在外载作用用下的岩石石应力状态态。（一）平底底圆柱形压压头压入时时应力状态态（二）球形形压头压入入时岩石的的应力状态态（三）轴向力和切切向力共同同作用时压压头下方岩岩石的应力力状态第三节岩石在外载载下的破碎碎机理11/26/2022中国地质大大学勘察与与基础工程程系1、平底圆柱形形压头压入入时应力状状态刚性平底压压头以作用用力P沿z轴压入弹性性半无限体体，其接触触面上的压力分分布在初期期是不均匀匀的（图1-6），边缘处处的应力集集中使岩石产生生局部破碎碎或塑性变变形，而后后，压力便便趋于均匀匀分布。第三节岩石在外载载下的破碎碎机理11/26/2022中国地质大大学勘察与与基础工程程系在压力均匀匀分布的前前提下，根根据弹性力力学布希涅涅司克问题题和应力叠加原原理，求出出岩体内沿沿对称轴上上各应力分分量为：第三节岩石在外外载下的的破碎机机理11/26/2022中国地质质大学勘勘察与基基础工程程系各应力分分量随z轴的变化化情况（（如图））。随z的增加，，σz减小的慢慢，σr=σy减小的快快；剪应应力τ随z的变化开开始由小小到大，，到一个个临界深深度z0处τ达最大值。在载荷中心z=0处：第三节岩石在外载下下的破碎机理理11/26/2022中国地质大学学勘察与基础础工程系若将τ对z求导，并使其其等于零，则则：设μ=0.25，则z0=0.62a，τmax=0.345p。这表明在z轴上，最大剪剪应力所在的的深度约等于于压头半径的的2／3。而最大剪应应力约为均匀匀压强的l／3。由于于最最大大剪剪应应力力点点是是压压碎碎岩岩石石的的发发源源处处，，且且平平底底圆圆柱柱形形压压头头压压入入时时应应力力存存在在两两个个极极值值点点，，应应引引起起重重视视。。第三三节节岩石石在在外外载载下下的的破破碎碎机机理理11/26/2022中国地地质大大学勘勘察与与基础础工程程系第三节节岩石在在外载载下的的破碎碎机理理压头下下相对对剪应应力的的等值值线分分布图图11/26/2022中国地地质大大学勘勘察与与基础础工程程系2、球形形压头头压入入时岩岩石的的应力力状态态球体压压人时时，接接触球球面（（半径径为a）上的压力力分布布是不不均匀匀的。。其数数值是是随着着压力点点离开开压力力面中中心的的距离离r的增加而不断减小小的一个函函数(如图)，即：在压力中心心处：在压力边缘缘处：第三节岩石在外载载下的破碎碎机理11/26/2022中国地质大大学勘察与与基础工程程系同样根据弹弹性力学布布希涅司克克问题集中中应力作用用原理，岩岩体内沿对对称轴上的的各应力分分量为：第三节岩石在外载载下的破碎碎机理11/26/2022中国地质大学学勘察与基础础工程系各应力分量随随z轴的变化：剪应力τ随z的变化开始由由小到大，在临界深度z0处τ达最大值。在压力面中心心处（z=0）有：；如果设μ=0.25，根据计算，z0=0.5a，τmax=0.40p，同样存在两个个极值点，但都在z轴上。第三节岩石在外载下下的破碎机理理11/26/2022中国国地地质质大大学学勘勘察察与与基基础础工工程程系系3、轴轴向向力力和和切切向向力力共共同同作作用用时时岩岩石石的的应应力力状状态态回转转钻钻进进中中，，碎碎岩岩工工具具一一般般以以轴轴向向、、切切向向载载荷荷同同时时作作用用于于岩岩石。。此此时时，，岩岩石石的的应应力力分分布布与与只只有有轴轴向向载载荷荷时时不不同同。。只有有轴轴向向力力作作用用时时，，等等应应力力线线分分布布是是均均匀匀对对称称的的。。轴轴向向力力和和切向向力力共共同同作作用用时时，，等等应应力力线线分分布布则则是是非非均均匀匀的的、、不不对对称称的的。。第三三节节岩石石在在外外载载下下的的破破碎碎机机理理11/26/2022中国地地质大大学勘勘察与与基础础工程程系在接触触面上上，切切向力力作用用的前前方将将产生生压应应力，，而切切向力力作用的后后方则则产生生拉应应力；；在半半无限限体内内形成正正应力力区（（Ⅰ）、拉拉应力力区（（Ⅱ）和过渡渡区（（Ⅲ）。压缩区区Ⅰ随轴向向力增增加而而扩大大，随随切向力的的增加加而缩缩小；；拉伸伸区Ⅱ则与上上述情况相相反。。第三节节岩石在在外载载下的的破碎碎机理理11/26/2022中国地质质大学勘勘察与基基础工程程系二、工具具压入时时的岩石石破碎机机理1.平底压模模压入时时第一极值值带环形形裂纹，，开始ac伸展比ao快；∵远离自自由面，，ac伸展迅速速减慢；；第二极值值带朝边边缘发展展，形成成镰刀极极限区；；极限区的的体积和和压力↑↑，排开开周围的的力↑；；c点迅速到到达自由由面并与与从o点来的裂裂隙相遇遇；产生aob主压力体体和mon剪切体体体；∵抗剪强度度小，周围岩石石突然崩崩离，压压模下落落；aob体被压头头压碎第三节岩石在外外载下的的破碎机机理11/26/2022中国地质质大学勘勘察与基基础工程程系2.球状切削削具压入入时开始时，切削具与与岩石接接触的是是一个点点；外载↑，，切削具具和岩石石产生弹弹性变形形，接接触面↑↑；接触面中中心的正正应力最最大，首首先出现现裂隙；随外载增增加，接接触面增增大，产产生与原原有裂隙隙平行行的新裂裂隙系；外载继↑↑，弹变变总值↓↓，应力↑，裂隙深度度↑；以后的破破碎过程程与平底底压模时时类似。。图1-12说明压入入岩石时时的跳跃跃过程第三节岩石在外外载下的的破碎机机理11/26/2022中国地质大学学勘察与基础础工程系三、在动载下下岩石的破碎碎过程与静压入时没没有本质性区区别。当冲击击能量不大时时，边缘出现现裂纹带;冲击能↑，边边缘之外便出出现环形崩离离体——脆性破碎第一一形态。随着冲击能的的↑，崩离体体的体积稍有有↑。冲击能能量达一定值值后，压头底底下的岩石发发生与静压入入时相似的脆脆性破碎——脆性破碎第二二形态。继续↑冲击能能，余裕的能能量使压头的的侵深有所增增加，并使接接触面周围有有岩石崩离体体出现。冲击能达到相相当大的数值值时，则出现现——第三破碎形态态。整个岩石破碎碎过程同样具具有跳跃性。。第三节岩石在外载下下的破碎机理理11/26/2022中国地质大学学勘察与基础础工程系四、、影响响碎碎岩岩效效果果的的因因素素1.载荷荷大大小小的的影影响响实践践表表明明，，钻钻进进表面破碎

切削具与岩石的接触压力远小于岩石硬度，切削具不能压入岩石。岩石破碎是由接触摩擦功引起的，钻进速度低。这种变形破碎方式称为岩石的表面破碎区。疲劳破碎轴向载荷↑但<岩石硬度，使岩石晶间联系破坏，多次加载疲劳裂隙发展众多裂隙交错，产生粗岩粒分离，称为疲劳破碎区。

第三三节节岩石石在在外外载载下下的的破破碎碎机机理理11/26/2022中国国地地质质大大学学勘勘察察与与基基础础工工程程系系3)体积积破破碎碎切削削具具上上的的载载荷荷继继续续↑，接接触触压压力力≥≥岩岩石石硬硬度度，，切切削削具具有有效效地地切切入入岩岩石石，，切切下下岩岩屑屑，，称称为为体体积积破破碎碎，，会会分分离离出出大大块块岩岩石石，，破破碎碎效效果果好好。。2.破碎碎工工具具形形状状的的影影响响3.破碎碎工工具具加加载载速速度度的的影影响响4.液柱柱压压力力的的影影响响第三三