【摘要】：從理論分析和數(shù)值模擬兩方面研究楔形鉆齒侵入巖石過程中徑向裂紋和側(cè)向裂紋的擴展情況。首先根據(jù)Marshall的試驗研究,分析考慮鉆井液壓力、側(cè)壓作用下巖石在楔形鉆齒侵入過程中徑向裂紋與側(cè)向裂紋的極限長度公式和最佳齒間距公式,討論鉆井液壓力、側(cè)壓和齒間距對裂紋擴展的影響;然后利用離散單元方法(PFC2D)研究楔形鉆齒侵入過程中巖石的失效以及裂紋擴展情況。研究表明:隨著側(cè)壓增大,臨界侵入深度變大;鉆齒下方的損傷區(qū)域變小,并且損傷區(qū)域變得相對比較平坦,不再凸入巖石內(nèi)部;鉆井液壓力增大對徑向裂紋的擴展以及損傷區(qū)域的擴大有促進作用,徑向裂紋長度以及損傷區(qū)域隨鉆井液壓力的增大而增大,但損傷區(qū)域隨著鉆井液壓力的增大越來越凸入巖石內(nèi)部;鉆井液壓力對側(cè)向裂紋的萌生和擴展有抑制作用;合理的齒間距可以產(chǎn)生側(cè)向裂紋重疊區(qū),促進巖石的破碎,提高破巖效率;理論分析結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果較一致。
【圖文】：

，分析在考慮鉆井液壓力、側(cè)壓情況下巖石在楔形鉆齒侵入過程中徑向裂紋與側(cè)向裂紋的極限長度公式和最佳的齒間距公式，以及鉆井液壓力、側(cè)壓和齒間距對裂紋擴展的影響;然后利用離散單元方法(PFC2D)研究楔形鉆齒侵入過程中巖石的失效以及裂紋擴展情況。1侵入斷裂形態(tài)及分析1.1侵入斷裂形態(tài)對壓頭侵入脆性材料的研究結(jié)果表明，彈性侵入和彈脆性侵入的區(qū)別主要在于壓頭形狀和被侵入材料性質(zhì)。彈脆性侵入時一般在損傷區(qū)外產(chǎn)生徑向、中間和側(cè)向裂紋，除了產(chǎn)生這3種裂紋外，還在壓頭下方產(chǎn)生密實核，如圖1所示。圖1靜態(tài)侵入斷裂形態(tài)Fig．1Staticfracturemorphology1.2侵入斷裂分析建立侵入載荷與裂紋長度的關(guān)系對研究被侵入材料中裂紋的擴展范圍、強度衰減、損傷所致的程度以及脆性材料的侵入破碎機制有重要意義。根據(jù)Swain［29］拉脆侵入理論得到侵入載荷與徑向裂紋長度的關(guān)系為P∝C3/2r。Marshall［30-32］根據(jù)前人大量的試驗和理論研究結(jié)果，提出了適用于各種壓頭彈脆性侵入斷裂的分析方法。其分析基于兩個普遍的試驗現(xiàn)象:彈脆性侵入產(chǎn)生的裂紋最終形態(tài)在壓頭離開材料表面完成，即殘余應(yīng)力場在形成裂紋最終形態(tài)方面起到了很大作用;壓痕下不可逆變形區(qū)的形狀近似半球形。最后提出了與徑向裂紋產(chǎn)生密切相關(guān)的應(yīng)力強度因子的概念:Kr=β(EH)1/2(δV)2/3/C3/2r．(1)式中，β為常數(shù);E為巖石彈性模量，MPa;H為被侵入材料的硬度，HRC;δV為壓痕體積，mm3。同時通過試驗測定巖石的平面應(yīng)變斷裂韌度Kc，當(dāng)Kr≥Kc，即產(chǎn)生徑向裂紋擴展，P/C3/2r=Kc/Xb．(2)其中Xb=β(E/H)1/2(acotψ)2/3/a0．式中，ψ為

為壓頭特征角，(°);a為牙齒接觸長度，mm;a0為牙齒幾何參數(shù)。鑿巖中最關(guān)鍵的裂紋是側(cè)向裂紋，試驗說明側(cè)向裂紋在壓頭卸載時擴展，因而殘余應(yīng)力起主要作用。假定側(cè)向裂紋平行于自由面，且同時忽略多層開裂的影響，建立簡化的側(cè)向裂紋分析模型，如圖2所示。假設(shè)把側(cè)向裂紋以上的巖石當(dāng)成厚度為h的板，殘余應(yīng)力Pr1與其引起的位移ur呈線性關(guān)系:Pr1Pro=1－ururo．(3)式中，Pro為最大殘余應(yīng)力，MPa;uro為Pr1=0時的初始位移，mm;ur為殘余力Pr1引起的位移，mm。圖2側(cè)向裂紋系統(tǒng)Fig．2Lateralcrackssystem聯(lián)立平面應(yīng)變應(yīng)力強度因子方程，塑性區(qū)及壓痕體積的幾何尺寸方程為Kc=［A/2π(1－ν2)］1/2Pr1/h3/2，(4)Pr1=Pr0/(1+APr0C2L/Eur0h3)．(5)式中，ν為泊松比;A為與壓頭幾何形狀相關(guān)的常數(shù);h為側(cè)向裂紋以上巖石的厚度，，mm。最大殘余應(yīng)力、初始位移及側(cè)向裂紋以上巖石的厚度為Pro∝(E/H)1/2(cotψ)2/3P，(6)uro∝［(H/E)/H1/2］(cotψ)1/3P1/2，(7)第41卷第1期祝效華，等:楔形鉆齒作用下巖石破碎及微觀劣化過程·91·

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