Ma Zhengkuo, Zhang Chunshun*, Yiwei Liu** , Haizeng Pan. Damage Characterization of Laser-Fractured Granite: Experimental Validation and Numerical Modeling. (Engineering Geology: 2025)

激光辅助破岩是一种有前景的岩石破碎方案，可用于减少硬岩隧道施工中的刀具磨损。然而，关于激光破碎花岗岩的损伤特征研究仍较为有限，特别是微观损伤过程和矿物颗粒的影响。为此，本研究探讨了激光照射（高斯光束，100-500 W，30 s）下花岗岩的热裂纹、温度分布及力学性能。研究开发了基于颗粒的模型（GBM）、内聚区模型（CZM）和热力损伤（TMD）耦合模型，用于模拟激光破碎花岗岩。实验数据证实了该模型的准确性，其在模拟热破碎坑形成以及热裂纹的生成和扩展方面优于其他模型。结果表明，热裂纹随激光功率和照射时间增加而增大。激光诱导的花岗岩损伤分为两个阶段：第一阶段与温度相关，而第二阶段与激光参数呈线性关系（R² = 0.9）。超过2/3的损伤发生在晶界处，损伤率大小遵循以下顺序：绿泥石 > 黑云母 > 钠长石 > 石英 > 微斜长石。这些发现，特别是晶界处的高损伤率，加深了我们对激光破碎花岗岩性能及其矿物颗粒影响的理解，为优化激光破岩技术提供了理论依据，并暗示了隧道开挖过程中潜在的成本节约和效率提升方式。

图 1 激光破岩试验台

图 2 激光破岩试验结果

图 3 激光破岩试验温度场

图 4 GBM-CZM-TMD数值建模流程

图 5 五种矿物晶粒形态

图 6 不同激光功率和照射时间下花岗岩的破坏形式，以及cohesive单元的应力和损伤

图 7 激光照射花岗岩损伤规律