《巖土鉆掘工程學》第一章巖土的物理力學性質(zhì)及其破碎機理培訓PPT

巖土鉆鉆掘工工程學學課時時：：60學時教材材：：《巖土鉆鉆掘工工程學學》主講人人：鄢泰寧寧（教教授））勘查與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系2007-9-10國家精精品課課程第一章章巖土的的物理理力學學性質(zhì)質(zhì)及其其破碎碎機理理一、巖巖石的的物理理力學學性質(zhì)質(zhì)概述述二、土土的物物理力力學性性質(zhì)特特征三、巖巖石在在外載載作用用下的的的破破碎機機理四、巖巖石的的可鉆鉆性及及可鉆鉆性指指標及及堅固性系系數(shù)國家精精品課課程第一節(jié)節(jié)巖石石的物物理力力學性性質(zhì)概概述○、巖石石的組組成與與分類類巖石是是礦物物的集集合體體。礦礦物是是具有有一定定成分分和物物理性性質(zhì)的的無機物質(zhì)質(zhì)。根據(jù)其其成因因，巖巖石可可分為為三類類：1、巖漿漿巖：巖漿漿巖是是內(nèi)力力地質(zhì)質(zhì)作用用的產(chǎn)產(chǎn)物，，由地地殼深深處的巖漿漿沿地地殼裂裂隙上上升冷冷凝而而成。。2、沉積積巖：沉積積巖是是在地地表條條件下下母巖巖(巖漿巖巖、變變質(zhì)巖巖或早先先形成成的沉沉積巖巖)風化剝剝蝕的的產(chǎn)物物，經(jīng)經(jīng)搬運運、沉沉積和和硬結(jié)結(jié)等成巖巖作用用而形形成的的巖石石。。。3、變質(zhì)質(zhì)巖：變質(zhì)質(zhì)巖是是巖漿漿巖、、沉積積巖甚甚至是是變質(zhì)質(zhì)巖本本身在地殼殼中受受到高高溫、、高壓壓及活活動性性流體體的影影響而而變質(zhì)質(zhì)形成成的巖石。。10/26/2022中國地地質(zhì)大大學勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系一般而而言：：金屬和和非金金屬礦礦床一一般賦賦存于于巖漿漿巖和和變質(zhì)質(zhì)巖中中，煤煤和石石油等等可燃燃性礦礦產(chǎn)通通常與與沉積積巖共共存。。一、巖巖石按按粘結(jié)結(jié)狀態(tài)態(tài)的分分類1.堅固巖巖石：：通常具具有高高硬度度，巖巖石破破碎后后其礦礦物質(zhì)質(zhì)點之之間的的分子子連接接力都都不會會恢復復。堅堅固巖巖石分分含石石英和和不含含石英英兩類類，前前者硬硬度高高，難難以鉆鉆掘。。通常常在生生產(chǎn)中中會遇遇到無無裂紋紋和裂裂隙性性兩種種堅固固巖石石。在在完整整的堅堅固巖巖石中中施工工時，，孔（（井））壁穩(wěn)穩(wěn)定不不必加加固，，而在在強裂裂隙性性巖石石中穿穿過的的孔（（井））壁必必須須加固固。第一節(jié)節(jié)巖石石的物物理力力學性性質(zhì)概概述10/26/20中國地質(zhì)大大學勘察與與基礎(chǔ)工程程系2.粘結(jié)性巖石石粘結(jié)性巖石石由粘土礦礦物或主要要由粘土礦礦物粘結(jié)的的碎屑巖細細粒組成成，特征：：①濕潤條條件下，被被破壞之前前可以有大大的殘余變變形；②質(zhì)點間間的內(nèi)聚力力，隨濕潤潤不同可在在很寬的范范圍內(nèi)變化化；③在粘結(jié)結(jié)狀態(tài)被破破壞后，可可采取高壓壓和增濕的的辦法使其其內(nèi)聚力得得以恢復；；④某些些粘結(jié)性性巖石（（粘土巖巖、白堊堊）在濕濕潤狀態(tài)態(tài)下具有有膨脹性性，易造造成孔（（井）壁壁縮徑或或坍塌。。第一節(jié)巖巖石的物物理力學學性質(zhì)概概述10/26/中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系3.松散性巖巖石松散性巖巖石由相相互之間間無粘結(jié)結(jié)性的不不同形狀狀與尺寸寸的細粒粒（砂、、礫石、、卵石、、漂礫等等）聚集集而成成。在這這類巖石石中鉆掘掘的同時時必須加加固孔（（井）壁壁，以防防止坍塌塌。4.流動性巖巖石流動性巖巖石（流流砂層））由含水水的砂質(zhì)質(zhì)粘土類類巖石（（細砂、、亞砂土土）組成成。當砂砂粒之間間存在著著極細小小的粘土土顆粒時時，這類類巖石具具有較強強的流動動性。如如果位于于上覆巖巖層形成成的高水水頭壓力力之下下，則流流砂會沿沿著鉆孔孔上涌。。因此在在這類巖巖石中施施工必須須一邊鉆鉆掘一邊邊加固孔孔（井））壁。第一節(jié)巖石的物物理力學學性質(zhì)概概述10/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系二、巖石的孔孔隙比與與孔隙度度1、巖石的的孔隙比比kP：巖石中的的孔隙體體積VP與巖石中中固相骨骨架的體體積Vc之比kP=VP/Vc2、巖石的的孔隙隙度P：巖石中中的孔孔隙體體積VP與巖石石總體體積V的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)節(jié)巖石石的物物理力力學性性質(zhì)概概述10/26/2022中國地地質(zhì)大大學勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系第二節(jié)節(jié)巖石的的物理理力學學性質(zhì)質(zhì)三、巖巖石的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

10/26/2022中國地地質(zhì)大大學勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系四、巖巖石的的結(jié)構(gòu)構(gòu)和構(gòu)構(gòu)造巖石結(jié)結(jié)構(gòu)說說明巖巖石的的微觀觀組織織特征征。與與礦物物顆粒粒的大大小、、形狀狀和表表面特特征有有關(guān)，，反映映巖石石的非非均質(zhì)質(zhì)性和和孔隙隙性。。巖漿巖巖主要要具有有塊狀狀結(jié)構(gòu)構(gòu)，其其構(gòu)造造特征征對鉆鉆掘破破碎巖巖石沒沒有顯顯著影影響。。沉積巖巖的成成因廣廣泛，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）。。第一10/26/2022中國地地質(zhì)大大學勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系碎屑巖巖的膠膠結(jié)形形式也也對巖巖石的的力學學性質(zhì)質(zhì)有著著顯著著影響響。沉沉積巖巖通常常具有有層狀狀構(gòu)造變質(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性質(zhì)的差異：

Ka=x‖/x⊥第一節(jié)節(jié)巖石的的物理理力學學性質(zhì)質(zhì)概述述10/26/2022中國地地質(zhì)大巖石的的物理理性質(zhì)質(zhì)是由由巖巖石的力學性質(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)節(jié)巖石的的物理理力學學性質(zhì)質(zhì)概述述10/26/2022中國地地質(zhì)大大學勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系五、巖巖石的的強度度1、巖石石的強強度的的基本本概念念巖石在在載荷荷作用用下抵抵抗破破壞的的能力力。破壞前前所能能承受受的最最大載荷稱稱為極極限載載荷，，單位位面積積上的的極限限載荷荷稱為為極限限強度度2、巖石石的強強度的的類型型（1）根據(jù)據(jù)受力力條件件，巖石的的極限限強度度可分分為抗抗壓強強度、、抗拉拉強度、、抗剪剪強度度等；；（2）根據(jù)據(jù)應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)，巖石強強度可可分為為單向向、兩向、、三向應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)下的的強度度；（3）根據(jù)據(jù)加載載速度度，有靜載載強度度和動動載強強度。。第一節(jié)節(jié)巖石的的物理理力學學性質(zhì)質(zhì)概述述10/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學學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學性性質(zhì)質(zhì)概概述述10/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系（4）巖石的的受載方方式導致致巖石的的強度值值差異很很大。巖巖石的抗壓強度度最大，，抗剪強強度約為為抗壓強強度的10%。因此，鉆鉆掘過程中，破破巖工具具應(yīng)主要要以剪切切的方式式來破碎碎巖石。。（5）多向應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)下的巖巖石強度度比簡單單應(yīng)力狀狀態(tài)下的的強度高高出許多多倍。（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學性質(zhì)概概述10/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(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學性質(zhì)概概述10/26/2022中國地地質(zhì)大大學勘勘察與與基礎(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性性質(zhì)概概述10/26/2022中國地地質(zhì)大大學勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系（3）在各各向均均勻壓壓縮的的條件件下，，巖石石的硬硬度增增加。。在常常壓下下硬度越越低的的巖石石，隨隨著圍圍壓增增大，，其硬硬度值值增長長越快快。（4）一般般而言言，隨隨著加加載速速度增增加，，將導導致巖巖石的的塑性性系數(shù)降低低，硬硬度增增加。。但當當沖擊擊速度度小于于10m/s時，硬硬度變變化不不大。。加載速速度對對低強強度、、高塑第一節(jié)節(jié)巖石石的物物理力力學性性質(zhì)概概述10/26/2022中國國4、巖石石硬硬度度的的測測定定（1）靜靜壓壓入入法法：以1~5mm2的壓壓頭壓壓入入巖巖樣樣表表面面，，巖巖石石破破碎碎時時的的載載荷Pmax除以以接接觸觸面面積積S，則為為巖石石的的硬度度值值Hy（通常常稱稱為為壓壓入入硬硬度度））。。(Pa)（2）沖擊擊回回彈彈法法：利用用重重物物落落在在巖巖石表表面面后后回回彈彈高高度度或或回回彈彈角角度度或或回回彈彈次數(shù)數(shù)來來確確定定巖巖石石的的硬硬度度。。第一一節(jié)節(jié)巖巖石石的的物物理理力力學學性性質(zhì)質(zhì)概概述述10/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學學勘勘察察與與基基礎(chǔ)礎(chǔ)工工程程系系七、、巖巖石石的的變變形形特特征征及及其其分分類類按巖巖石石在在壓壓頭頭壓壓入入時時的的變變形形曲曲線線和和破破碎碎特特性性可可分分成成三三類類：：彈-脆性性巖巖石石（（花花崗崗巖巖、、石石英英巖巖、、碧碧石石鐵鐵質(zhì)質(zhì)巖巖））在壓壓頭頭壓壓入入時時僅僅產(chǎn)產(chǎn)生生彈彈性性變變形形，，至至A點最最大大載載荷荷為為Pmax處便便突突然然脆脆性性破破碎碎，，壓壓頭頭瞬瞬時時壓壓入入，，破破碎碎穴穴的的深深度度為為h。這時時破破碎碎穴穴面面積積明明顯顯大大于于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。

第一一節(jié)節(jié)巖石石的的物物理理力力學學性性質(zhì)質(zhì)概概述述10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系3.高塑性和高孔孔隙性巖石（（粘土、孔孔隙石灰?guī)r、、鹽巖）區(qū)別于前二類類，當壓頭壓壓入時，在壓壓頭周圍幾乎乎不形成圓錐錐形破碎穴，，不會在壓入入作用下產(chǎn)生生脆性破碎h/δ=1。計算這類巖石石的硬度時只只能用P0代替公式中的的Pmax。第一節(jié)巖石的物理力力學性質(zhì)概述述10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系八、巖石的彈性性和塑性（1）衡量巖石彈彈性的指標主主要是彈性模模數(shù)E和泊松比μ。彈性模數(shù)：彈性范圍內(nèi)應(yīng)應(yīng)力與應(yīng)變的的比值，(Pa)或(MPa)。泊松比：彈性變形階段段橫向應(yīng)變與與縱向應(yīng)變的的比值，無量量綱值。（2）在鉆探過程程中衡量巖石石塑性程度的的塑性系數(shù)K：塑性系數(shù)：巖石破碎前所所消耗的總能能量與彈性變變形的能量之之比。第一節(jié)巖石的物理力力學性質(zhì)概述述10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(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。10/26/2022中國地地質(zhì)大大學勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系影響巖巖石（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)節(jié)巖石石的物物理力力學性性質(zhì)概10/26/2022中國地地質(zhì)大大學勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系（3）單向向壓縮縮時表表現(xiàn)為為彈-脆性，，各向向壓縮縮時表表現(xiàn)出出不同同程度度的塑塑性，，意味味著在在各向向壓縮縮下需需要更更大的的載荷荷才能能破壞壞巖石石的連（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。在超深鉆和地熱孔施工中應(yīng)注意這一影響。第一節(jié)節(jié)巖石石的物物理力力學性性質(zhì)概概述10/26/2022中國地地質(zhì)大大學勘勘察與與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程程系九、、巖石石的研研磨性性1、巖石石研磨磨性：巖石磨磨損工工具的的能力力。2、巖石石磨損損形式式（1）摩擦擦磨損損：孔孔底巖巖石與與切削削工具具相對對滑動動而產(chǎn)產(chǎn)生的的磨損損。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。第一節(jié)巖石石的物理力力學性質(zhì)概概述10/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系1、影響巖巖石研磨磨性的因因素（1）巖石顆顆粒的硬硬度越大，研研磨性也也越強，，石英巖巖具有強強研磨性性（2）巖石膠膠結(jié)物的粘結(jié)強強度越低低，巖石石的研磨磨性越強強。（3）巖石顆顆粒形狀狀越尖銳、顆粒尺寸寸越大，，巖石的的研磨性性越強。。（4）巖石表表面粗糙糙，局部接接觸易產(chǎn)產(chǎn)生應(yīng)力力集中，，研磨性增增強（5）硬度相同同時，單礦物巖巖石的研研磨性較較低，非非均質(zhì)和和多礦物物的巖石（如如花崗巖巖）研磨磨性較強強。巖石中較較軟的礦礦物（云云母，長長石）首首先被破破碎下來來，使巖巖石表面面變粗糙糙，同時時石英顆顆粒出露露，從而而增強了了研磨能能力。（6）介質(zhì)的影響，濕潤和和含水的的巖石硬硬度和研研磨性都都會降低低。第一節(jié)巖巖石的物物理力學學性質(zhì)概概述10/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系常用測定定巖石研研磨性的的方法目前國際際上還沒沒有統(tǒng)一一測定巖巖石研磨磨性的方方法。通通常用用模擬擬某種鉆鉆進過程程的方法法，不同同方法的的結(jié)果難難以相互互比較。。鉆磨法:金屬棒在在載荷、、轉(zhuǎn)速下下與巖石石摩擦后后的失重重磨削法：：硬合金金刀具在在壓力下下與巖石石試件摩摩擦，以以一定時時間內(nèi)刀刀具的失失重微鉆頭鉆鉆進法：：微型鉆鉆頭在一一定規(guī)程程下鉆磨磨巖樣，，一定時第一節(jié)巖巖石的物物理力學學性質(zhì)概概述10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系第一節(jié)巖石的的物理力學性性質(zhì)概述標準圓盤磨損損法：用圓盤盤金屬試樣在在壓力下對巖巖石作滑動摩摩擦，以金屬圓盤的的磨損量表示示巖石的研磨磨性指標。按按此方法可把把巖石的研磨磨性分成12個級別，而我國有關(guān)部部門習慣于把把巖石的研磨磨性分成弱、、中、強三個個等級。10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系自學內(nèi)容安排排第二節(jié)土的物理-力學性質(zhì)特征征（自學P13~P15）一、土的基本本組成二、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10/26/2022中國地質(zhì)大大學勘察與與基礎(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)。10/26/2022中國地質(zhì)大大學勘察與與基礎(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中國地質(zhì)大大學勘察與與基礎(chǔ)工程程系3、鉆頭刃具不不僅以Pz和Pθ作用于巖石石，而且還還有使鉆頭頭向前回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的移動速速度vθ和沖錘對齒齒刃的沖擊擊速度vz或牙輪滾動動時齒刃向向下沖擊的的速度vω。合成速度是是：或式中：；A0——沖錘單次沖沖擊功；Q——沖錘重量；；r——齒頂?shù)窖垒嗇喫矔r旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)中心的距距離。第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機理10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系一、外載作用下的的巖石應(yīng)力狀狀態(tài)切削具對巖石石的壓入破碎碎在孔底過程程中起著重要要作用。巖石在切削具切入入、破碎之前前，先產(chǎn)生彈彈性應(yīng)力狀態(tài)態(tài)。鉆頭上的切削具與孔底巖巖石的作用可可以看成是圓柱體、球形形體、長方平平底形壓模與彈性性半無限體所所限制的平面面的相互作用用。討論不同形狀切削具在外外載作用下的的巖石應(yīng)力狀狀態(tài)。（一）平底圓圓柱形壓頭壓壓入時應(yīng)力狀狀態(tài)（二）球形壓壓頭壓入時巖巖石的應(yīng)力狀狀態(tài)（三）軸向力和切向向力共同作用用時壓頭下方方巖石的應(yīng)力力狀態(tài)第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機理理10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系1、平底圓柱形壓壓頭壓入時應(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），邊緣處的的應(yīng)力集中使巖石產(chǎn)生局局部破碎或塑塑性變形，而第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機理理中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學學勘勘察察與與基基礎(chǔ)礎(chǔ)工工程程系系在壓壓力力均均勻勻分分布布的的前前提提下下，，根根據(jù)據(jù)彈彈性性力力學學布布希希涅涅司司克克問問題題和和應(yīng)力力疊疊加加原原理理，，求求出出巖巖體體內(nèi)內(nèi)沿沿對對稱稱軸軸上上各各應(yīng)應(yīng)力力分分量量為為：：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10/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學學各應(yīng)應(yīng)力力分分量量隨z軸的的變變化化情情況況（（如如圖圖））。。隨隨z的增增加加，，σz減小小的的慢慢，，σr=σy減小小的的快快；；剪剪應(yīng)應(yīng)力力τ隨z的變變化化開開始始由由小小到到大大，，到到一一個個臨臨界界深深度度z0處τ達最最大大值值。。在載載

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10/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系若將τ對z求導，并并使其等等于零，，則：設(shè)μ=0.25，則z0=0.62a，τmax=0.345p。這表明在在z軸上，最最大剪應(yīng)應(yīng)力所在在的深度度約等于于壓頭半半徑的2／3。而最大大剪應(yīng)力力約為第三節(jié)巖石在外外載下的的破碎機機理10/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系第三節(jié)巖石在外外載下的的破碎機機理壓頭下相相對剪應(yīng)應(yīng)力的等等值線分分布圖10/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系2、球形壓壓頭壓入入時巖石石的應(yīng)力力狀態(tài)球體壓人人時，接接觸球面面（半徑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)巖石在外外載下的的破碎機機理10/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系同樣根據(jù)據(jù)彈性力力學布希希涅司克克問題集集中應(yīng)力力作用原原理，巖巖體內(nèi)沿沿對稱軸軸上的各各應(yīng)力分分量為：：第三節(jié)巖石在外外載下的的破碎機機理10/26/2022中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系各應(yīng)力分分量隨z軸的變化化：剪應(yīng)力τ隨z的變化開開始由小小到大，在臨界深度度z0處τ達最大值值。在壓力面面中心處處（z=0）有：；如果設(shè)μ=0.25，根據(jù)計算算，z0=0.5a，τmax=0.40p，同樣存在在兩個極極值點，，但都在z軸上。第三節(jié)巖石在外外載下的的破碎機機理10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系3、軸向力和切切向力共同作作用時巖石的的應(yīng)力狀態(tài)回轉(zhuǎn)鉆進中，，碎巖工具一一般以軸向、、切向載荷同同時作用于巖巖石。此時，巖巖石的應(yīng)力分分布與只有軸軸向載荷時不不同。只有軸向力作作用時，等應(yīng)應(yīng)力線分布是是均勻?qū)ΨQ的的。軸向力和和切向力共同作作用時，等應(yīng)應(yīng)力線分布則則是非均勻的的、不對稱的的。第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機理理10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系在接觸面上，，切向力作用用的前方將產(chǎn)產(chǎn)生壓應(yīng)力，，而切向力作作用的后方則產(chǎn)產(chǎn)生拉應(yīng)力；；在半無限體體內(nèi)形成正應(yīng)力區(qū)區(qū)（Ⅰ）、拉應(yīng)力區(qū)區(qū)（Ⅱ）和過渡區(qū)（Ⅲ）。壓縮區(qū)Ⅰ隨軸向力增加加而擴大，隨隨切向力的增加而而縮??；拉伸伸區(qū)Ⅱ則與上述情況相反。第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機理理10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系二、工具壓入入時的巖石破破碎機理1.平底壓模壓入入時第一極值帶環(huán)環(huán)形裂紋，開開始ac伸展比ao快；∵遠離自由面面，ac伸展迅速減慢慢；第二極值帶朝朝邊緣發(fā)展，，形成鐮刀極極限區(qū)；極限區(qū)的體積積和壓力↑，，排開周圍的的力↑；c點迅速到達自自由面并與從從o點來的裂隙相相遇；產(chǎn)生aob主壓力體和mon剪切體體；∵抗剪強度小，，周圍巖石突然然崩離，壓模模下落；aob體被壓頭壓碎碎第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機理理10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系2.球狀切削具壓壓入時開始時，切削具與巖石石接觸的是一一個點；外載↑，切削削具和巖石產(chǎn)產(chǎn)生彈性變形形，接觸面面↑；接觸面中心的的正應(yīng)力最大大，首先出現(xiàn)現(xiàn)裂隙；隨外載增加，，接觸面增大大，產(chǎn)生與原原有裂隙平平行的新裂隙隙系；外載繼↑，彈彈變總值↓，應(yīng)力↑，裂隙深度↑；以后的破碎過過程與平底壓壓模時類似。。圖1-12說明壓入巖石石時的跳躍過過程第三節(jié)巖石在外載下下的破碎機理理10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(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10/26/2022中國地質(zhì)大大學勘察與與基礎(chǔ)工程程系四、影響碎巖效效果的因素素1.載荷大小的的影響實踐表明，，鉆進速度度vm與比壓P的關(guān)系曲線線可分成三三個區(qū)段：：表面破碎切削具與巖巖石的接觸觸壓力遠小小于巖石硬硬度，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，鉆鉆進速度低低。這種變變形破碎方方式稱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，產(chǎn)產(chǎn)生粗巖粒分離，，稱為疲勞勞破碎區(qū)。。第三節(jié)巖石在外載載下的破碎碎機理10/26/2022中國國地地質(zhì)質(zhì)大大學學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節(jié)巖石在外載下下的破碎機理理10/26/2022中國地質(zhì)大學學勘察與基礎(chǔ)礎(chǔ)工程系第四節(jié)巖石的可鉆性性指標一、巖石可鉆鉆性的概念1、巖石可鉆性性的概念巖石可鉆性是是表示鉆進過過程中巖石破破碎的難易程程度。在鉆探生