壓縮粉碎區

① 岩石在外載作用下的破碎發展過程

一、壓頭壓入岩石的基本現象

首先，壓頭壓入岩石時，在它的前方總要出現一個袋狀或球狀的核，它是物體在承受巨大壓力作用下發生局部粉碎或顯著塑性變形而形成的，一般稱之為密實核（圖1-2-20）。它的普遍性在於：不論什麼樣的工具（尖的、平的、圓的等）、載荷（靜的、沖擊的）、材料（從岩石到石蠟，從土壤到鋼鐵）無一例外，都在壓頭侵入的前方出現有密實核的現象。

圖1-2-20 壓頭下的密實核

圖1-2-21 躍進式侵入

其次，壓頭壓入岩石的一個普遍的明顯特點是：侵深不隨載荷增長而均衡地增加，而是在載荷p增加之初，侵深h按一定比例增加；當達到某一臨界值時，便發生突然地躍進現象。這時，密實核旁側的岩石出現崩碎，載荷暫時下跌，壓頭繼續侵入到一個新的深度之後，載荷再度上升，侵深和載荷又恢復到某種比例關系（圖1-2-21）。

如此循環不已，p-h曲線呈現波浪形。越是脆性岩石，這種躍進式侵入特點越明顯；塑性岩石則較緩和但同樣存在與前面所述相同的普遍性。另外，p-h曲線各次上升段的斜率大體相同，也就是說增加單位載荷所增加的侵深近於常數。曲線下降部分情況和載入機構的剛性有關，不全取決於被侵入的岩石。

通過研究，認為：載荷p與壓入深度h的n次方成正比，即p=khⁿ。式中：k為壓入系數，反映壓入難易程度；指數n與壓頭形狀和岩石性質有關，見圖1-2-22。對於圓柱形或圓錐形壓頭，n=1～2；對灶祥於長條形或楔形壓頭，n≌1；對於塑性岩石，n＜1。

第三，破碎角變化不大、破碎坑的結構基本一致。即岩石在壓頭作用下發生躍進式侵入之後，崩碎的岩石坑似漏斗形狀，這漏斗頂角的變化是不大的（圖1-2-23）。不論壓頭形式、侵入方法、岩石種類如何，圖中2β角一般保持在120°～150°之間。

表1-2-1是И.A.奧斯特洛烏什柯對各種岩石的侵入漏斗坑頂角的測定數據。

表1-2-2是下村彌太郎用不同沖擊功和刃角鑿入時的侵入坑寬和深的比值n，及所摺合的破碎角β（漏斗坑頂角）。

圖1-2-22 n與p、h關系

圖1-2-23 漏斗頂角

圖1-2-24 破碎坑結構

表1-2-1 漏斗坑頂角

表1-2-2 n與β的比值

破碎坑的結構基本一致，如圖1-2-24所示。破碎坑的形成過程大致相同；先是表面產生裂紋，然後形成壓實體（密實核）；隨著載荷增加，壓實體四周岩石產生剪崩（剪切體），最後在破碎坑底生成密實核，在壓實體與密實核之間為鬆散粉末。

二、壓頭壓入岩石的破碎發展過程

不同形狀壓頭壓入時的破碎機理是有差異的，但差異點較小，共同點則是基本的。

下面僅簡述兩種觀點：一是傳統經典觀點（即俄國的奧斯特洛烏什柯觀點，簡稱奧氏觀點）；二是東北工學院的觀點，簡稱東工觀點。

（一）奧斯特洛烏什柯（簡稱奧氏）觀點

奧氏把球形壓頭壓在脆性或塑脆性岩石上的破碎過程劃分為如下幾個階段：

1.彈性變形階段

奧氏認為：當作用在壓頭上的載荷p較小時（當p＜0.4σ_壓入，σ_壓入為岩石的抗壓入強度）岩石發生彈性變形，見圖1-2-25（a），這時在壓力面的a、b點產生兩組裂隙，當P力取消時，裂隙也消失。

圖1-2-25 岩石壓碎過程

圖1-2-26 形成主壓力體外載

2.壓皺壓裂階段

當p繼續增加（0.4～0.6）σ_壓入，a、b組裂隙向深部發展，匯交於O點，形成aob角錐體（又稱主壓力體）；自a、b處又出現ac、bd裂隙，見圖1-2-25（b）。

此階段為疲勞破碎階段，p力反復作用，表面就能破碎；p力消除，野梁裂隙已不能消失。

奧氏認為，根據剪切理論，形成主壓力體所需外載p圖1-2-26可根據作用力求得：

碎岩工程學

式中：p為外載；F為主壓力體表面積；σ₀為各向壓縮時岩石的抗剪強度；f₁為岩石內摩擦系數。

3.體積破碎階段

當p力繼續增加（至p≥σ_壓入），球體與岩石接觸面上產生壓碎變形；ao、bo組裂隙自o點，ac、bd組裂隙自C、D點，均向自由面A、B擴展，使裂隙串通，所形成的剪切體Aoa、Bob開始崩離，aob主應力體被壓皺壓碎，形成AoB破碎坑，而完成體積破碎階段，見前圖1-2-25（c），剪切體AoB被剪切產生位移時，沿錐面總的阻力等於：

碎岩工程學

式中：F₁為AoB體積的表面積；σ₀為岩石各向壓縮時的抗剪強度；α₀為aob與AoB表面所夾的角度；f₁為岩石內摩擦系頌辯運數。

4.過程重復

破碎坑形成後，當載荷重新上升時，上述三個過程重復產生，如此循環不已，不斷產生新的破碎坑。

綜上所述，奧氏是以剪切強度理論作為判定岩石碎體發生的准則，它能夠解釋岩石岩屑顆粒大於侵深這一體積破碎現象。所以，奧氏觀點雖屬壓碎學說，但計算依據是剪切體理論。

（二）東工觀點

試驗時採用的是YY-206A型壓力機和彈頭齒壓頭（圖1-2-27）為了便於觀察，試樣採用石英玻璃，其規格是壓頭的15～20倍以上（看作為半無限體）；用一個加力夾具使試塊有一定側壓；載入速度為100～150kg/min。破碎過程採用普通照相機照相。

在彈頭齒作用下，破碎的基本規律如下：

1.赫茲裂紋產生階段

壓頭作用在石英玻璃上，當載荷還很小時（大約50～60kg），在接觸邊界上產生裂紋，近似於圓台的錐面，稱赫茲裂紋，其長度可達4～5mm。此階段屬脆性破壞，見圖1-2-28（a）。

圖1-2-27 彈頭齒

圖1-2-28 彈頭齒壓碎石英玻璃過程

2.形成粉碎區階段

當壓頭上載荷增加至150～200kg時，在壓頭尖部下面石英玻璃板內1mm左右處產生一白點（玻璃在最大剪應力處開始破壞）；隨外載增加，這一破壞繞這一白點呈封閉曲面擴展，直至壓頭底部形成一個粉碎區，此階段屬塑性破壞，見圖1-2-28（b）。

3.出現初始張（拉）裂紋階段

在粉碎區形成後，當載荷增加至600kg，在粉碎區尖部邊界上，沿載荷作用線方向出現張（拉）裂紋，稱為初始裂紋；當載荷增加時，它沿裂紋平面擴展，見圖1-2-28（c）。這種裂紋不會形成破碎漏斗（坑）。

4.出現第一組張裂紋階段

當載荷增加至800～900kg時，初始裂紋兩側產生新的張裂紋，如果載荷對稱，張裂紋是對稱於作用線的。這種張裂紋在載荷增加時不連續地擴展，開始向斜下方擴展，然後逐漸向上彎曲，見圖1-2-28（d）。

5.形成破碎漏斗階段

當載荷增加到一定值時，又在第一組張裂紋上面，從粉碎區邊界上又產生另一組張裂紋，當載荷再增加時，它的擴展規律與第一組張裂紋相同；當載荷增加至1300～1400kg左右時，上面的張裂紋擴展到表面形成破碎漏斗，發生第一次躍進式破壞，見圖1-2-28（e）（f）；隨之載荷急劇下降，侵深突然增加。裂紋擴展到表面附近時，其傾角逐漸趨於零，即漏斗的母線趨近於與表面相切。從斷裂體的形狀看來，它有長長的，而且薄薄的邊緣，即沒有剪切角（Ψ=π/4-φ/2）；有時，斷裂體的長而薄的邊緣還與試塊相互聯著。這一階段屬於斷裂破壞。

6.過程重復

發生第一次躍進式破壞後，載荷重新上升時粉碎區恢復，初始裂紋擴展；載荷再次達到1300kg時，原裂紋擴展，並出現新的張裂紋；載荷增加到1600～1700kg左右時，又有張裂紋擴展到表面，形成破碎漏斗，出現第二次躍進式破壞，斷口形狀與第一次相近。

從上述過程的分析不難從東工觀點獲得如下結論：

（1）東工觀點引進了近代斷裂力學的主要論據：即物體的斷裂是由於其內部裂隙尖端所受拉應力超過其極限應力所造成的；

（2）赫茲裂紋的產生和擴展，是拉應力作用的結果；

（3）粉碎區的形成是剪應力作用結果；

（4）粉碎漏斗的形成，是拉應力作用的結果，而且形成破碎漏斗的張裂紋在擴展過程中並非單一存在的；

（5）存在時間效應，即：玻璃板從壓機卸下後，仍能聽到玻璃碎裂的響聲。說明卸載後裂紋仍在擴展。

三、影響壓頭壓入效果的因素

影響壓頭壓入效果的因素較多，如：外載大小、自由面多少、碎岩工具形狀、載入速度、圍壓、溫度、潤濕程度等。

1.外載大小

隨著外載的增加，侵深是增加的，曲線呈躍進式，如圖1-2-29所示。

圖1-2-29 躍進式曲線

圖1-2-30 存在自由面的壓頭壓入

2.自由面的影響

假如在壓頭附近存在自由面（裂隙），見圖1-2-30，侵入時將產生側旁破碎，這有利於壓頭壓入。有資料表明：

當t/d=1～2，所測硬度下降60%；t/d＞4，沒有影響；t/d＜1，壓痕重疊，硬度增大。

在設計鑽頭時，經常要考慮布齒間距，見圖1-2-31。有人做過試驗：當兩個切削工具距離大於或等於（D₁+D₂）／2，則圖中O₁CO₂部分有可能不被壓碎；適宜的間距應當是在（D₁+D₂）／3與（D₁+D₂）／2之間。

通過試驗，發現破碎坑的直徑與岩石性質有關。對於脆性岩石：D₁∶d₁=5～8；對於塑脆性岩石D₁∶d₁=3～4（D₁—破碎坑直徑；d₁—壓頭直徑）。

3.碎岩工具

碎岩工具的形狀、規格、刃角等都對壓入效果產生影響，且影響很復雜；例如俄國巴甫洛夫的試驗表明：平端圓柱壓頭的比功小；而另一名學者巴朗證明：方形壓頭比功最小，錐形壓頭比功大；直徑大的比直徑小的圓柱壓頭比功小等。

圖1-2-31 雙壓頭碎岩

圖1-2-32 溫度的影響

常規做法是：硬岩採用球形齒；軟岩採用楔形切削具，這樣既考慮了碎岩效率，又考慮了碎岩工具的使用壽命。

4.載入速度

所謂動載、靜載，是指的載入方式，實際是指載入速度，動載載入速度快，靜載載入速度慢；前者適用於脆性岩石，後者適用於塑性岩石。

5.圍壓

隨著圍壓的增加，破碎難度增加。據俄國布拉托夫試驗：當最大水壓力為1000kg/cm²時，硬度大、塑性小的白雲岩的硬度增加35%；軟泥灰岩的硬度增加206%。

6.溫度影響

溫度的影響，如圖1-2-32所示。開始由於晶體受熱膨脹把裂紋擠死，增大了抗壓縮強度P_W，並不增加抗拉強度；隨著溫度增加，由於顆粒之間膨脹系數不同，相互之間聯系遂之削弱而降低了強度。

7.潤濕的影響

對某些岩石，潤濕能降低其強度，如石灰岩被1%的油酸鈉溶液潤濕，其硬度降26%，其塑性提高62%。

一般而言，潤濕能降低岩石硬度，但要全面評價。例如，礦山上採用濕式鑿岩，降低了鑽眼速度，它主要為了防塵。