外部载荷作用下岩石的破碎和发展过程。
首先，当压头压入岩石时，其前方总会出现一个袋状或球状的核，这是物体在巨大压力作用下发生局部挤压或明显的塑性变形而形成的，一般称为致密核(图1-2-20)。它的普遍性在于，无论什么工具(尖的、平的、圆的等。)、载荷(静态、冲击)和材料(从岩石到石蜡、从土壤到钢铁)，压头前方存在密芯现象。
图1-2-20压力水头下的致密岩心
图1-2-21跳跃入侵
其次，压头压入岩石的一个共同而明显的特点是，穿透深度并不随载荷的增加而均匀增加，而是在载荷P增加的初期，穿透深度H按一定比例增加；当达到临界值时，会发生突然的跳跃。此时致密核心附近的岩石崩塌，载荷暂时下降。压头继续侵入到新的深度后，载荷再次上升，贯入深度和载荷回到一定的比例关系(图1-2-21)。
如此循环往复，p-h曲线呈波浪形。岩石越脆，这种跃进式侵入的特征越明显；塑性岩石是温和的，但也具有与上述相同的普遍性。此外，p-h曲线各上升段的斜率几乎相同，也就是说，增加单位载荷增加的穿透深度接近常数。曲线的下降部分与加载机制的刚性有关，并不完全取决于侵入的岩石。
通过研究认为，载荷P与穿透深度H的n次方成正比，即p=khn。其中:k为压入系数，反映压入的难易程度；指数n与压头的形状和岩石性质有关，如图1-2-22所示。对于圆柱形或圆锥形压头，n = 1 ~ 2；N ≌ 1用于长条形或楔形压头；对于塑性岩石，n < 1。
第三，破碎角变化不大，破碎坑结构基本相同。即岩石在压头的作用下飞跃式侵入后，破碎的岩石坑看起来像一个漏斗，漏斗顶角变化不大(图1-2-23)。无论压头形式、侵入方式、岩石类型如何，图中2β角一般保持在120 ~ 150之间。
表1-2-1是и A .奥斯特洛·吴世科侵入各种岩石的实测数据。
表1-2-2给出了下村雅太郎使用不同冲击功和切削角时侵入坑的宽深比n，以及换算后的破碎角β(漏斗坑顶角)。
图1-2-22n与p和h的关系
图1-2-23漏斗顶角
图1-2-24破坑结构
表1-2-1漏斗坑顶角
表1-2-2n与β的比值
破碎坑的结构基本相同，如图1-2-24所示。破碎坑的形成过程大致相同；先是表面出现裂纹，然后形成致密(致密核)；随着载荷的增加，压实体周围的岩石产生剪切坍塌(剪切体)，最终在破碎坑底部形成致密的核心，压实体与致密核心之间形成松散的粉末。
二、压头挤压岩石的破碎发展过程
不同形状压头的破碎机理不同，但差别不大，共同点是基本的。
下面只简单描述两种观点:一种是传统古典观点(即俄罗斯奥斯特洛·乌什科观点，简称奥斯威辛观点)；第二种是东北理工的观点，简称东工的观点。
(一)奥斯特洛·吴世科(简称奥斯威辛)的观点
奥氏体将球形压头在脆性或塑性脆性岩石上的破碎过程分为以下几个阶段:
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(P < 0.4σ压痕为岩石抗压强度时)，岩石发生弹性变形，如图1-2-25(a)所示。此时压力面上的A点和B点产生两组裂纹，当P力取消时，裂纹也消失。
图1-2-25岩石破碎过程
图1-2-26形成主要压力的外部载荷
2.褶皱和断裂阶段
当P继续增大(0.4 ~ 0.6) σ压力时，A组和B组裂缝发展深入，在O点交汇，形成aob金字塔(也称主压力体)；从A、B再次出现Ac、bd裂纹，如图1-2-25(b)所示。
这个阶段是疲劳破碎阶段，经过P力的反复作用，表面可以破碎。当P力消除后，裂纹无法消失。
奥氏认为，根据剪切理论，根据作用力可以得到形成主压力体积所需的外载荷P图1-2-26:
岩石破碎工程
其中:p为外载荷；f是主压力体积表面积；σ0为岩石在各向同性压缩下的抗剪强度；F1为岩石的内摩擦系数。
3.体积破碎阶段
当P力继续增大(直到p≥σ被压入)时，球体与岩石的接触面发生压溃变形；ao组和bo组的裂纹从O点开始，ac组和bd组的裂纹从C点和D点开始，都延伸到自由面A和B，使裂纹汇合，形成的剪切体Aoa和Bob开始坍塌，aob的主应力体被压溃，形成AoB压溃坑，从而完成体积压溃阶段，如前图1-2-25(c)，剪切体。
岩石破碎工程
其中:F1为AoB体积的表面积；σ0为岩石在各向同性压缩下的抗剪强度；α0是aob与AoB表面之间的角度；F1为岩石的内摩擦系数。
4.重复该过程
破碎坑形成后，当载荷再次上升时，重复上述三个过程，以此类推，不断产生新的破碎坑。
综上所述，奥氏以抗剪强度理论作为判断岩屑产状的判据，可以解释岩屑颗粒大于侵入深度的现象。所以奥斯威辛的观点虽然属于压溃理论，但它的计算基础是剪切体理论。
(二)东宫观点
试验中使用了YY-206A压力机和子弹齿压头(图1-2-27)。为便于观察，样品采用应时玻璃，其规格大于压头(视为半无限体)的15 ~ 20倍。用力夹具使试块有一定的侧压力；加载速度为100 ~ 150 kg/min。粉碎过程由普通相机拍摄。
在弹齿的作用下，破碎的基本规律如下:
1.赫兹裂纹产生阶段
当压头作用在应时玻璃上时，当载荷还很小(约50 ~ 60 kg)时，接触边界上出现裂纹，类似于圆台的圆锥面，称为赫兹裂纹，其长度可达4 ~ 5 mm，这一阶段属于脆性破坏，如图1-2-28(a)所示。
图1-2-27子弹齿
图1-2-28子弹齿粉碎应时玻璃的过程
2.破碎带形成阶段
当压头上的载荷增加到150 ~ 200 kg时，在压头尖端下方约1mm处的应时玻璃板中产生了一个白点(玻璃在最大剪切应力时开始破裂)。随着外载荷的增加，这种破坏在围绕这个白点的闭合曲面中扩展，直到在压头的底部形成压碎区。这一阶段属于塑性破坏，如图1-2-28(b)所示。
3.初始拉伸(拉伸)裂纹阶段出现
压溃区形成后，当载荷增加到600kg时，压溃区尖端边界沿载荷线出现拉(张)裂纹，称为初始裂纹。当载荷增加时，它沿裂纹面扩展，如图1-2-28(c)所示。这种裂纹不会形成破碎漏斗(坑)。
4.第一组拉伸裂纹出现了。
当载荷增加到800 ~ 900 kg时，初始裂纹两侧产生新的拉伸裂纹。如果载荷是对称的，拉伸裂纹相对于作用线是对称的。当载荷增加时，这种拉伸裂纹不连续扩展，开始斜向下扩展，然后逐渐向上弯曲，如图1-2-28(d)所示。
5.形成破碎漏斗阶段
当载荷增加到一定值时，在第一组拉伸裂纹上从压溃区边界会产生另一组拉伸裂纹。当载荷再次增加时，其扩展规律与第一组拉伸裂纹相同。当载荷增加到约1300 ~ 1400 kg时，其上的拉伸裂纹扩展到表面形成压溃漏斗，发生第一次跃进式破坏，如图1-2-28 (e) (f)所示；然后载荷急剧下降，穿透深度突然增加。当裂纹在表面附近扩展时，其倾角逐渐趋于零，即漏斗的母线趋于与表面相切。从断层体的形态来看，它具有细长的边缘，即没有剪切角(ψ=π/4-φ/2)；有时，骨折体的细长边缘也与试块相连。这个阶段属于断裂失效。
6.过程重复
第一次跃进式破坏后，当载荷再次上升时，压溃区恢复，初始裂纹扩展。当载荷再次达到1300kg时，原裂纹扩展，出现新的拉伸裂纹。当载荷增加到约1600 ~ 1700 kg时，又有一条拉伸裂纹扩展到表面，形成一个压溃漏斗，发生第二次跃进式破坏，断口形状与第一次相似。
从以上过程分析，站在东宫的角度，不难得出以下结论:
(1)东宫的观点介绍了现代断裂力学的主要论点:即物体的断裂是由于其内部裂纹尖端的拉应力超过其极限应力所致；
(2)赫兹裂纹是拉应力的结果；
(3)破碎带的形成是剪切应力的结果；
(4)破碎漏斗的形成是拉伸应力的结果，形成破碎漏斗的拉伸裂纹在膨胀过程中不是单独存在的；
(5)有时间效应，即玻璃板从压机上卸下后，仍能听到玻璃破碎的声音。说明卸载后裂纹仍在扩展。
三、影响压头压痕效果的因素
影响压头压入效果的因素很多，如外载荷的大小、自由面的数量、岩石破碎工具的形状、加载速度、围压、温度、润湿程度等。
1.外部负载大小
随着外载荷的增加，穿透深度增加，曲线呈跳跃状，如图1-2-29所示。
图1-2-29跳跃曲线
图1-2-30带有自由表面的缩进
2.自由表面的影响
如果压头附近存在自由面(裂纹)，如图1-2-30所示，侵入时会发生侧向挤压，有利于压头的压入。一些数据表明:
当t/d = 1 ~ 2时，测得的硬度下降60%；T/d > 4，无影响；T/D < 1，压痕重叠，硬度增加。
设计钻头时，经常要考虑齿距，如图1-2-31。有人做过实验:当两个刀具之间的距离大于或等于(D1+D2)/2时，图中O1CO2的部分可能不会被压碎；合适的间距应该在(D1+D2)/3和(D1+D2)/2之间。
通过实验发现，破碎坑的直径与岩石性质有关。对于脆性岩石:d 1∶d 1 = 5 ~ 8；对于塑性脆性岩石d 1:d 1 = 3 ~ 4(d 1-破碎坑直径；d 1-头部直径)。
3.岩石破碎工具
破岩工具的形状、规格、刃角都对压紧效果有影响，而且影响很复杂。比如巴甫洛夫在俄罗斯的实验表明，平头圆柱形压头的比功小；另一位学者Baron证明了方形压头的比功最小，锥形压头的比功最大。直径较大的圆柱形压头比直径较小的压头具有较小的比功等。
图1-2-31双头破岩
图1-2-32温度的影响
常规做法是:硬岩采用球形齿；在软岩中使用楔形刀具，既要考虑破岩效率，又要考虑破岩刀具的使用寿命。
4.加载速率
所谓动载荷和静载荷指的是加载方式，实际指的是加载速度。动载荷快，静载荷慢。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。根据俄罗斯布拉托夫试验，当最大水压为1000kg/cm2时，高硬度低塑性的白云岩硬度增加35%；软泥灰岩的硬度增加了206%。
6.温度效应
温度的影响如图1-2-32所示。起初，裂纹被晶体的热膨胀压碎，增加了抗压强度PW，但没有增加抗拉强度。随着温度的升高，由于颗粒之间的膨胀系数不同，颗粒之间的连接减弱，强度降低。
7.润湿效应
对某些岩石来说，润湿会降低它们的强度。例如，当石灰石被1%油酸钠溶液润湿时，其硬度下降26%，塑性增加62%。
一般来说，润湿会降低岩石的硬度，但要综合评价。比如矿山用湿式钻孔，降低钻孔速度，主要是为了防尘。