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一、压头压入岩石的基本现象
首先，压头压入岩石时，在它的前方总要出现一个袋状或球状的核，它是物体在承受巨大压力作用下发生局部粉碎或显著塑性变形而形成的，一般称之为密实核（图1-2-20）。它的普遍性在于：不论什么样的工具（尖的、平的、圆的等）、载荷（静的、冲击的）、材料（从岩石到石蜡，从土壤到钢铁）无一例外，都在压头侵入的前方出现有密实核的现象。
图1-2-20 压头下的密实核
图1-2-21 跃进式侵入
其次，压头压入岩石的一个普遍的明显特点是：侵深不随载荷增长而均衡地增加，而是在载荷p增加之初，侵深h按一定比例增加；当达到某一临界值时，便发生突然地跃进现象。这时，密实核旁侧的岩石出现崩碎，载荷暂时下跌，压头继续侵入到一个新的深度之后，载荷再度上升，侵深和载荷又恢复到某种比例关系（图1-2-21）。
如此循环不已，p-h曲线呈现波浪形。越是脆性岩石，这种跃进式侵入特点越明显；塑性岩石则较缓和但同样存在与前面所述相同的普遍性。另外，p-h曲线各次上升段的斜率大体相同，也就是说增加单位载荷所增加的侵深近于常数。曲线下降部分情况和加载机构的刚性有关，不全取决于被侵入的岩石。
通过研究，认为：载荷p与压入深度h的n次方成正比，即p=khn。式中：k为压入系数，反映压入难易程度；指数n与压头形状和岩石性质有关，见图1-2-22。对于圆柱形或圆锥形压头，n=1～2；对于长条形或楔形压头，n≌1；对于塑性岩石，n＜1。
第三，破碎角变化不大、破碎坑的结构基本一致。即岩石在压头作用下发生跃进式侵入之后，崩碎的岩石坑似漏斗形状，这漏斗顶角的变化是不大的（图1-2-23）。不论压头形式、侵入方法、岩石种类如何，图中2β角一般保持在120°～150°之间。
表1-2-1是И.A.奥斯特洛乌什柯对各种岩石的侵入漏斗坑顶角的测定数据。
表1-2-2是下村弥太郎用不同冲击功和刃角凿入时的侵入坑宽和深的比值n，及所折合的破碎角β（漏斗坑顶角）。
图1-2-22 n与p、h关系
图1-2-23 漏斗顶角
图1-2-24 破碎坑结构
表1-2-1 漏斗坑顶角
表1-2-2 n与β的比值
破碎坑的结构基本一致，如图1-2-24所示。破碎坑的形成过程大致相同；先是表面产生裂纹，然后形成压实体（密实核）；随着载荷增加，压实体四周岩石产生剪崩（剪切体），最后在破碎坑底生成密实核，在压实体与密实核之间为松散粉末。
二、压头压入岩石的破碎发展过程
不同形状压头压入时的破碎机理是有差异的，但差异点较小，共同点则是基本的。
下面仅简述两种观点：一是传统经典观点（即俄国的奥斯特洛乌什柯观点，简称奥氏观点）；二是东北工学院的观点，简称东工观点。
（一）奥斯特洛乌什柯（简称奥氏）观点
奥氏把球形压头压在脆性或塑脆性岩石上的破碎过程划分为如下几个阶段：
1.弹性变形阶段
奥氏认为：当作用在压头上的载荷p较小时（当p＜0.4σ压入，σ压入为岩石的抗压入强度）岩石发生弹性变形，见图1-2-25（a），这时在压力面的a、b点产生两组裂隙，当P力取消时，裂隙也消失。
图1-2-25 岩石压碎过程
图1-2-26 形成主压力体外载
2.压皱压裂阶段
当p继续增加（0.4～0.6）σ压入，a、b组裂隙向深部发展，汇交于O点，形成aob角锥体（又称主压力体）；自a、b处又出现ac、bd裂隙，见图1-2-25（b）。
此阶段为疲劳破碎阶段，p力反复作用，表面就能破碎；p力消除，裂隙已不能消失。
奥氏认为，根据剪切理论，形成主压力体所需外载p图1-2-26可根据作用力求得：
碎岩工程学
式中：p为外载；F为主压力体表面积；σ0为各向压缩时岩石的抗剪强度；f1为岩石内摩擦系数。
3.体积破碎阶段
当p力继续增加（至p≥σ压入），球体与岩石接触面上产生压碎变形；ao、bo组裂隙自o点，ac、bd组裂隙自C、D点，均向自由面A、B扩展，使裂隙串通，所形成的剪切体Aoa、Bob开始崩离，aob主应力体被压皱压碎，形成AoB破碎坑，而完成体积破碎阶段，见前图1-2-25（c），剪切体AoB被剪切产生位移时，沿锥面总的阻力等于：
碎岩工程学
式中：F1为AoB体积的表面积；σ0为岩石各向压缩时的抗剪强度；α0为aob与AoB表面所夹的角度；f1为岩石内摩擦系数。
4.过程重复
破碎坑形成后，当载荷重新上升时，上述三个过程重复产生，如此循环不已，不断产生新的破碎坑。
综上所述，奥氏是以剪切强度理论作为判定岩石碎体发生的准则，它能够解释岩石岩屑颗粒大于侵深这一体积破碎现象。所以，奥氏观点虽属压碎学说，但计算依据是剪切体理论。
（二）东工观点
试验时采用的是YY-206A型压力机和弹头齿压头（图1-2-27）为了便于观察，试样采用石英玻璃，其规格是压头的15～20倍以上（看作为半无限体）；用一个加力夹具使试块有一定侧压；加载速度为100～150kg/min。破碎过程采用普通照相机照相。
在弹头齿作用下，破碎的基本规律如下：
1.赫兹裂纹产生阶段
压头作用在石英玻璃上，当载荷还很小时（大约50～60kg），在接触边界上产生裂纹，近似于圆台的锥面，称赫兹裂纹，其长度可达4～5mm。此阶段属脆性破坏，见图1-2-28（a）。
图1-2-27 弹头齿
图1-2-28 弹头齿压碎石英玻璃过程
2.形成粉碎区阶段
当压头上载荷增加至150～200kg时，在压头尖部下面石英玻璃板内1mm左右处产生一白点（玻璃在最大剪应力处开始破坏）；随外载增加，这一破坏绕这一白点呈封闭曲面扩展，直至压头底部形成一个粉碎区，此阶段属塑性破坏，见图1-2-28（b）。
3.出现初始张（拉）裂纹阶段
在粉碎区形成后，当载荷增加至600kg，在粉碎区尖部边界上，沿载荷作用线方向出现张（拉）裂纹，称为初始裂纹；当载荷增加时，它沿裂纹平面扩展，见图1-2-28（c）。这种裂纹不会形成破碎漏斗（坑）。
4.出现第一组张裂纹阶段
当载荷增加至800～900kg时，初始裂纹两侧产生新的张裂纹，如果载荷对称，张裂纹是对称于作用线的。这种张裂纹在载荷增加时不连续地扩展，开始向斜下方扩展，然后逐渐向上弯曲，见图1-2-28（d）。
5.形成破碎漏斗阶段
当载荷增加到一定值时，又在第一组张裂纹上面，从粉碎区边界上又产生另一组张裂纹，当载荷再增加时，它的扩展规律与第一组张裂纹相同；当载荷增加至1300～1400kg左右时，上面的张裂纹扩展到表面形成破碎漏斗，发生第一次跃进式破坏，见图1-2-28（e）（f）；随之载荷急剧下降，侵深突然增加。裂纹扩展到表面附近时，其倾角逐渐趋于零，即漏斗的母线趋近于与表面相切。从断裂体的形状看来，它有长长的，而且薄薄的边缘，即没有剪切角（Ψ=π/4-φ/2）；有时，断裂体的长而薄的边缘还与试块相互联着。这一阶段属于断裂破坏。
6.过程重复
发生第一次跃进式破坏后，载荷重新上升时粉碎区恢复，初始裂纹扩展；载荷再次达到1300kg时，原裂纹扩展，并出现新的张裂纹；载荷增加到1600～1700kg左右时，又有张裂纹扩展到表面，形成破碎漏斗，出现第二次跃进式破坏，断口形状与第一次相近。
从上述过程的分析不难从东工观点获得如下结论：
（1）东工观点引进了近代断裂力学的主要论据：即物体的断裂是由于其内部裂隙尖端所受拉应力超过其极限应力所造成的；
（2）赫兹裂纹的产生和扩展，是拉应力作用的结果；
（3）粉碎区的形成是剪应力作用结果；
（4）粉碎漏斗的形成，是拉应力作用的结果，而且形成破碎漏斗的张裂纹在扩展过程中并非单一存在的；
（5）存在时间效应，即：玻璃板从压机卸下后，仍能听到玻璃碎裂的响声。说明卸载后裂纹仍在扩展。
三、影响压头压入效果的因素
影响压头压入效果的因素较多，如：外载大小、自由面多少、碎岩工具形状、加载速度、围压、温度、润湿程度等。
1.外载大小
随着外载的增加，侵深是增加的，曲线呈跃进式，如图1-2-29所示。
图1-2-29 跃进式曲线
图1-2-30 存在自由面的压头压入
2.自由面的影响
假如在压头附近存在自由面（裂隙），见图1-2-30，侵入时将产生侧旁破碎，这有利于压头压入。有资料表明：
当t/d=1～2，所测硬度下降60%；t/d＞4，没有影响；t/d＜1，压痕重叠，硬度增大。
在设计钻头时，经常要考虑布齿间距，见图1-2-31。有人做过试验：当两个切削工具距离大于或等于（D1+D2）／2，则图中O1CO2部分有可能不被压碎；适宜的间距应当是在（D1+D2）／3与（D1+D2）／2之间。
通过试验，发现破碎坑的直径与岩石性质有关。对于脆性岩石：D1∶d1=5～8；对于塑脆性岩石D1∶d1=3～4（D1—破碎坑直径；d1—压头直径）。
3.碎岩工具
碎岩工具的形状、规格、刃角等都对压入效果产生影响，且影响很复杂；例如俄国巴甫洛夫的试验表明：平端圆柱压头的比功小；而另一名学者巴朗证明：方形压头比功最小，锥形压头比功大；直径大的比直径小的圆柱压头比功小等。
图1-2-31 双压头碎岩
图1-2-32 温度的影响
常规做法是：硬岩采用球形齿；软岩采用楔形切削具，这样既考虑了碎岩效率，又考虑了碎岩工具的使用寿命。
4.加载速度
所谓动载、静载，是指的加载方式，实际是指加载速度，动载加载速度快，静载加载速度慢；前者适用于脆性岩石，后者适用于塑性岩石。
5.围压
随着围压的增加，破碎难度增加。据俄国布拉托夫试验：当最大水压力为1000kg/cm2时，硬度大、塑性小的白云岩的硬度增加35%；软泥灰岩的硬度增加206%。
6.温度影响
温度的影响，如图1-2-32所示。开始由于晶体受热膨胀把裂纹挤死，增大了抗压缩强度PW，并不增加抗拉强度；随着温度增加，由于颗粒之间膨胀系数不同，相互之间联系遂之削弱而降低了强度。
7.润湿的影响
对某些岩石，润湿能降低其强度，如石灰岩被1%的油酸钠溶液润湿，其硬度降26%，其塑性提高62%。
一般而言，润湿能降低岩石硬度，但要全面评价。例如，矿山上采用湿式凿岩，降低了钻眼速度，它主要为了防尘。
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