岩石损伤破裂过程理论研究现状

本文摘要：（由ai生成）

岩石在外载作用下微裂缝扩张影响承载能力。岩石损伤力学研究微裂缝演化及其对力学性能的影响。损伤模型分宏观、细观和宏观唯像三种，各有特点。宏观模型基于连续介质理论，细观模型从岩石结构出发，而宏观唯像模型结合二者优点，既具物理机制又实用。损伤模型对描述岩石性能劣化和微裂缝演化至关重要，但准确描述损伤演化扩展过程复杂，需进一步研究。

岩石发生破坏的过程是指岩石在外载作用下（包括应力，液体压力，温度以及化学作用等）诱发的岩石内部微裂缝不断扩张演化，进而导致岩石整体发生承载能力逐渐减弱的一种现象^[31]。岩石的损伤破裂是造成井壁失稳的根本原因。研究岩石发生损伤破裂的过程，对于科学准确地预测及评价井壁稳定性，实现安全、高效、优质和低成本钻井具有极为重要的理论和工程意义。但是，由于岩石损伤破裂问题的复杂性，关于损伤问题的研究已成为物理学、固体力学以及诸多相关学科的跨世纪难题^[32]。  

岩石损伤力学是研究岩石介质中的微裂缝、微孔隙的演化规律及其对应力、应变和岩石破坏产生的影响。实际上岩石内部包含着大量的孔隙和微裂缝等缺陷结构，试图根据断裂力学的方法逐一地描述每一条微裂缝的变形形态和断裂扩展演化的过程是不可行的，也是不现实的。损伤力学的发展为解决这一问题提供了一种新的思路。现有的岩石损伤模型基本上可以分为三类^[33]，即宏观损伤力学模型、细观损伤力学模型和基于细观力学的宏观唯像损伤模型。宏观损伤力学又被称为连续损伤力学或宏观唯像损伤力学，它基于宏观尺度上的连续介质理论，将包含各种微观缺陷结构的岩石材料近似地看作一种连续体，引入标量、矢量或张量形式的损伤变量来描述岩石材料的损伤程度，并根据实验获得的岩石全应力—应变曲线来构造与拟合损伤本构演化方程，如曹文贵等提出的岩石破裂过程的统计损伤模型^[34]。宏观损伤力学模型的目的在于能够预测材料的宏观力学行为以便符合实验结果和现实情况，而不去考察材料损伤演化的细观物理与力学过程，所以其难以解释岩石微裂缝如何发生演化及损伤引起的一些复杂现象。  

细观损伤力学模型则是从岩石介质内部的真实细观结构（如微裂缝、微孔洞、晶界等）出发，通过对不同的细观损伤演化机制进行区分，运用断裂力学等理论来研究岩石细观结构演化的物理与力学过程，并且通过细观力学的平均化方法得到岩石的宏观力学性质。由于细观损伤力学模型是从岩石材料内部真实的细观结构出发去描述物理与力学过程，因此通过其建立的损伤演化本构方程具有很强的物理背景，可以揭示岩石材料的宏观力学行为与细观损伤演化扩展之间的联系，能够很好地解释岩石材料复杂的损伤破坏行为。但是，由于细观损伤机制过于复杂，同时影响损伤演化扩展的因素很多，要对损伤演化扩展过程进行准确定量的描述非常困难，所以细观损伤力学模型一般较为复杂，难以在实际工程中应用。  

以上两种损伤模型均存在一些不足之处，因此近年来一些学者将宏观损伤力学模型与细观损伤力学模型的优点相结合，提出了基于细观力学的宏观唯像损伤模型，其基本思路是在细观力学研究的尺度上建立损伤本构模型，同时也引入连续介质力学的概念和方法，从而得到既有清晰的损伤物理机制的损伤本构模型同时具有简单实用且精度较好的模型^[33]。Valko等^[35]在1994年利用Kachanov损伤模型深入研究了岩石在水力压裂过程中的损伤开裂过程；Lyakhovsky等^[36]在2007年基于Biot孔隙弹性理论和唯像流变损伤模型研究了岩石的裂隙扩展与流体渗流之间的耦合行为；卞康等^[37]在2010年基于弹性损伤理论和线弹性断裂理论，建立了水工隧洞衬砌在水力压裂过程中的渗流—损伤—应力耦合模型；贾善坡等^[38]在2009年基于连续损伤力学理论，建立了塑性损伤演化及渗流相互耦合作用的损伤模型，引入了Mohr-Coulomb破坏准则，并且分析了在孔隙压力和塑性损伤演化共同作用下岩石损伤演化机制。以上这些学者的损伤模型大都是基于宏观连续损伤力学模型，导出的损伤耦合方程形式简单，可以较为方便地用于分析岩石工程结构的损伤，但是其中的缺点是忽略了岩石在变形过程中细观微结构的演化，难以真实地描述岩石的力学性能劣化以及微裂缝演化的物理机制。  

另外，Shao等^[39-40]在1998年和2005年发表了一个基于微裂缝演化的岩石各向异性损伤模型，并且以细观力学为基础得到了岩石细观微裂缝损伤演化与宏观弹性刚度矩阵和渗透率张量之间的联系；Oda等^[41]在2002年通过实验研究了岩石损伤变量及损伤模型的相关参数，并通过微裂缝几何张量分析了岩石的渗透率张量的变化规律；卢应发等^[42]在2007年基于吉布斯自由能函数建立了一种正交各向异性的损伤模型，该模型可以分别描述岩石材料的弹性变形、损伤演化以及其他不可逆变形能，并将其用于岩石的流固耦合研究；韦立德等^[43-45]在2005年到2007年之间基于细观力学分别研究了拉应力和三轴压缩应力条件下的各向异性岩石损伤本构模型和渗流模型，分析了岩石的微裂缝扩展演化和渗流过程的细观本构模型和渗透率张量。以上这些学者的损伤模型大都是基于细观损失力学模型，因此具有较为清晰的物理背景，通过建立岩石内部微裂缝扩展演化与岩石力学性能和渗透率之间的关系，描述了岩石损伤效应的影响。