滾壓破巖破碎體的成因

滾壓破巖時(shí)，刀具對(duì)巖面的推力 和侵深、滾動(dòng)力和侵深都存在躍進(jìn)式的規(guī)律，也存在密 實(shí)核和溝槽側(cè)面崩裂等現(xiàn)象。滾壓破巖形成的破碎體，由粉碎體、碎斷體和斷裂體三部分組成。它們 各自包含不同破碎塊度的巖石： 粉碎體為0.03～ 2.5mm; 碎斷體為2.5～20mm; 斷裂體大于20mm。

粉碎體是剪切錯(cuò)動(dòng)的產(chǎn)物。因巖石的抗剪強(qiáng)度比 抗壓強(qiáng)度低得多，巖石易被剪切破碎。形成粉碎體后， 巖體內(nèi)的應(yīng)力分布不再服從赫茲(Hertz)理論。刀具 通過粉碎體向尚未破碎的巖體部分施加作用力。在此 過程中，粉碎體被壓實(shí)和積蓄能量，向其周圍的巖體均 勻地傳力，使之產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，逐漸形成徑向裂紋。 粉碎體中的巖粉侵入裂紋，使裂紋擴(kuò)張，形成碎斷體， 碎斷體的體積膨脹，把靠近自由面的巖體部分劈開，形 成斷裂體。

牙輪和盤形滾刀都是用軸向壓力壓碎巖面，牙輪鉆鉆桿和盤形滾刀的扭矩，使牙輪和盤形滾刀在巖面上滾動(dòng)從而碾碎巖面。盤刀滾壓在巖面 上造成連續(xù)破碎(圖1a)，牙輪滾壓(圖1b)使巖面造 成不連續(xù)破碎，都是基于沖擊壓碎和剪切碾碎的綜合作用。

滾壓破巖沖擊壓碎作用

巖石具有各向異性和不均質(zhì)性， 大多數(shù)中硬和堅(jiān)硬巖石更具有脆性。滾壓時(shí)，在巖面上 軟的地方刀具壓入得較深，而在硬的地方壓入得較淺。 因而，滾壓過程伴隨有刀具的上下跳動(dòng)，不斷地沖擊巖 面。嵌齒的牙輪滾壓時(shí)，交替地以一個(gè)齒尖或兩個(gè)齒尖 接觸巖面，它們的上下跳動(dòng)和對(duì)巖面的沖擊就更大。嵌 齒與巖面一次接觸的時(shí)間(沖擊周期)決定于齒數(shù)和轉(zhuǎn) 速，它應(yīng)大于破碎巖石所需的時(shí)間。在相同的條件下， 脆性巖石沖擊破碎所需要的時(shí)間比塑性巖石短得多。

滾壓破巖剪切碾碎作用

滾壓時(shí)，刀具與巖面接觸處的摩 擦力，刀具沿圓周滾動(dòng)其內(nèi)側(cè)對(duì)巖石的擠壓，以及設(shè)計(jì) 時(shí)人為造成刀具對(duì)巖面的滑動(dòng)，使得牙輪和盤刀具有 剪切和碾碎巖石的作用。刀具對(duì)巖面的滑動(dòng)可以產(chǎn)生 類似切削的作用，把沖擊壓碎形成的凹陷破碎掉，因而 擴(kuò)大巖石的破碎面積，提高破碎效率。牙輪鉆設(shè)計(jì)中， 用各種辦法人為造成刀具對(duì)巖面的滑動(dòng)，比如使牙輪 軸心與鉆頭不重合(稱為移軸)，使牙輪有兩個(gè)錐頂角 (稱為復(fù)錐)，使牙輪錐頂超出鉆頭中心(稱為超頂)，或 使牙輪錐頂縮在鉆頭中心以內(nèi)(稱為退頂)等，可以使 牙輪的運(yùn)動(dòng)速度和牙輪與被破碎巖面的接觸速度不一 致，達(dá)到產(chǎn)生滑動(dòng)和剪切作用的目的。滾壓破巖的過程相當(dāng)復(fù)雜，至今仍有許多問題有待研究。

由實(shí)驗(yàn)得到盤刀參數(shù)對(duì)巖石破碎量的影響規(guī)律如下：

軸向推力必須超過被破碎巖石相應(yīng)的臨界值，刀具才能侵入巖面。軸向推力越大，刀具侵入越深。

刀刃角必須小于被破碎巖石相應(yīng)的臨界值，刀具才能侵入巖面。刀刃角越大，刀具侵入越淺。

軸向推力一定時(shí)，盤刀直徑越大，破碎量越少，刀刃圓角半徑越大，破碎量越少，且軟巖的破碎量比硬巖的破碎量減少得多。

盤刀相鄰軌跡的徑向間距，稱為刀間距。對(duì)于巖石，在一定的軸向推力下，有一個(gè)破碎量最多的最佳刀間距。大于或小于這個(gè)最佳值的刀間距，都使破碎量減 少。刀間距超過最大臨界值，則各盤刀的滾壓破巖過程互不影響，和單刀的破巖效果一樣。

牙輪鉆穿孔的主要參數(shù)為軸壓、扭矩、轉(zhuǎn)速和排渣風(fēng)量。軸壓不但影響鉆速， 還影響破巖的機(jī)理。當(dāng)軸壓很小時(shí)，巖石是靠摩擦力引 起的表面磨損破碎的，鉆頭磨損嚴(yán)重，鉆速低。當(dāng)軸壓 較大，但牙輪對(duì)巖石的接觸壓力仍未達(dá)到巖石極限強(qiáng) 度時(shí)，牙輪使巖石產(chǎn)生微裂紋并使裂紋增多后，才形成 大顆粒巖屑。軸壓足夠大，接觸壓力達(dá)到巖石的極限強(qiáng) 度后，才產(chǎn)生破巖效果的躍進(jìn)。鉆速與鉆頭轉(zhuǎn)速呈線性 關(guān)系。扭矩的影響比較小，基本不隨轉(zhuǎn)速變化。排渣風(fēng) 量對(duì)鉆速和鉆頭使用壽命影響很大。增大風(fēng)量可以有 效排渣，改善破巖條件，降低能耗，提高鉆速。但風(fēng)速 過高引起的噴砂作用，會(huì)加速鉆桿和鉆具的磨損。故鉆 桿與鉆孔壁之間的排渣風(fēng)速大約在15.3～25.4m/s 為宜。2100433B

剪壓破壞是一個(gè)物理概念，剪壓破壞衡量的是受彎構(gòu)件斜截面承載能力，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件斜截面承載力的計(jì)算公式便是根據(jù)剪壓破壞建立的。

這種破壞一般發(fā)生在剪跨比適中（1≤γ≤3），箍筋配置數(shù)量適當(dāng)，截面尺寸也合適的梁中。首先在剪彎段的受拉區(qū)出現(xiàn)一些垂直裂縫和細(xì)微斜裂縫，當(dāng)荷載增加到一定強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一條又寬又長(zhǎng)的主裂縫，稱為臨界斜裂縫。 這條臨界斜裂縫雖向斜上方延伸，但仍保留一定的剪壓區(qū)混凝土截面而不裂通，直到斜裂縫頂端壓區(qū)的混凝土在剪應(yīng)力和壓應(yīng)力共同作用下被壓碎而破壞。其特點(diǎn)是破壞過程比較緩慢，破壞荷載明顯高于斜裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載。剪壓破壞的形成主要與箍筋的布置有關(guān)。可以通過受剪承載力的計(jì)算配置箍筋以及彎起鋼筋來防止。2100433B