中国科大计算力学实验室揭示准静态流体驱动断裂振荡不稳定性
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近日，中国科学技术大学吴恒安教授研究团队在裂纹不稳定扩展领域取得重要进展，深入揭示了多孔材料中流体驱动断裂的准静态振荡失稳物理机制，突破了裂纹振荡失稳发生于动态扩展的传统认知，提出了定量预测准脆性材料裂尖振荡、分叉等复杂模式演化的渐近稳定性分析理论。相关研究成果于2026年2月24日以“Oscillatory Instability of Quasistatic Fluid-Driven Fracturing in Porous Materials”为题发表于国际著名期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
裂纹扩展失稳和路径演化决定了材料最终的失效模式与能量耗散形式，是断裂力学及相关交叉领域的重要问题。根据经典线弹性断裂理论，均质材料中的裂纹扩展路径在局部对称性原理作用下保持直线，只有当裂纹扩展速度增至接近材料瑞利波速时，裂尖材料的动态硬化与惯性效应将破坏应力状态对称性，进而诱发裂纹的振荡失稳与波状扩展轨迹。
流体驱动断裂常见于油气压裂开发、生物组织破裂、地下熔岩流动等领域。尽管经典理论预言了直裂纹路径，但实验观测表明，准静态流体驱动裂纹依然会呈现明显的波状振荡轨迹。研究团队前期针对超临界二氧化碳注入页岩储层的工程场景建立了基于多孔弹性效应的渗-断耦合断裂相场模型，数值分析发现流体渗入产生的孔隙压力梯度改变了传统意义上流体驱动断裂的I型张拉破坏模式，在准静态扩展条件下出现了I-II型张拉-剪切混合断裂模式，从而诱发非对称分叉。这些反常的实验现象与数值线索共同指向一个关键问题，即准静态下的流体驱动断裂存在不稳定扩展因素，然而其固有失稳模式和机制尚不清楚。
图1 渗流-断裂耦合下的裂纹尖端不稳定应力场与断裂模式转化
为深入剖析流体驱动断裂的准静态失稳现象，研究团队推导了考虑多孔弹性效应的准脆性材料裂尖解析解，开展了失稳裂尖的渐近稳定性分析并结合相场断裂模拟结果和实验数据进行验证。结果表明，在缺乏动态惯性效应的准静态条件下，渗流-断裂耦合产生的竞争机制成为打破裂尖对称性的主导因素：一方面，流体侵入多孔基体导致局部孔隙压力升高，削弱材料的剪切强度（Mohr-Coulomb准则），侧向的剪切应力扰动迫使裂纹偏离原始扩展路径，构成失稳因素；另一方面，断裂过程区内的内聚力起到稳定作用，驱动偏转的裂尖再次回到原始路径。这种裂尖尺度的“偏离-回归”竞争，形成了波状的裂纹振荡扩展模式。
研究进一步定义了流体驱动多孔材料断裂的无量纲Péclet数(Pe)，成功量化了裂纹扩展速度（对流效应）与流体侵入速度（扩散效应）之间的动态竞争关系，构建了系统的流体驱动断裂稳定性相图，实现对裂纹直线扩展、周期振荡以及分叉等不同模式的准确刻画。
图2 准静态流体驱动断裂的振荡失稳模式相图
该研究工作不仅突破了断裂力学理论中不稳定裂纹扩展的传统认知，也为水力压裂等工程问题提供了裂缝形貌演化判据，作为流体泵注压力、粘性、排量等工程参数对裂缝扩展调控的量化依据，可以实现对裂缝形貌的主动控制，以达到预期压裂改造效果，如促使裂纹分叉产生缝网或保持直线扩展提高穿层能力。
近年来，计算力学实验室围绕页岩油气开发国家重大能源需求，深耕页岩压裂多场多尺度力学模型和高效计算方法：提出了岩石不可逆损伤的非局部损伤模型(J. Mech. Phys. Solids 2025, 203, 106262)及全局-局部空间自适应方法(Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2025, 438, 117846)，建立了渗流、化学损伤耦合的页岩失效准则(Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2022, 399, 115366)和热力学一致多相场模型(J. Mech. Phys. Solids 2025, 200, 106148)，揭示了水力裂缝穿层统一标度的时-空演化规律 (J. Mech. Phys. Solids 2026, 206, 106367)并发展了岩层各向异性断裂三维扩展有限元方法(Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2025, 441, 117963)。研究成果支撑了大庆古龙页岩油国家级示范区“控近扩远”压裂工艺和吉林油田致密油藏CO2注入封存增产一体化技术。
工程科学学院近代力学系博士研究生徐文龙为论文第一作者，吴恒安教授和余昊副教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金基础科学中心、企业创新发展联合基金集成项目和教育部学科突破先导项目等资助。
论文链接DOI:https://doi.org/10.1103/6fks-qtvp
（工程科学学院、科研部）
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