推送原文：佳文速递|TOP期刊EG-武汉大学张春顺教授激光破碎花岗岩的损伤表征——实验验证与数值模拟 (qq.com)
文章信息
文章标题： Damage characterization of laser-fractured granite: experimental validation and numerical modeling
来源期刊：Engineering Geology（中科院1区，TOP期刊，IF=7.4）
文章作者: Zhengkuo Ma, Chunshun Zhang* , Yiwei Liu，Haizeng Pan
合作单位：武汉大学
DOI：https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2025.108244
1 研究背景及意义
花岗岩作为硬岩隧道工程中常见的岩石类型，其高强度特性导致传统机械破碎方法存在工具磨损严重、施工效率低等问题。激光辅助破岩技术因其非接触、高精度、高效率等优势，在隧道工程和矿物开采中展现出巨大潜力。然而，目前对激光破碎花岗岩的损伤特性，特别是微观损伤过程、矿物颗粒结构效应等方面的研究仍存在不足。本研究通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了激光破碎花岗岩的热断裂、温度分布和强度特性，为优化激光破岩技术提供了理论支持。
2 论文创新点
1.开发了耦合晶粒模型(GBM)、内聚区模型(CZM)和热机械损伤(TMD)模型的数值模拟方法，首次实现了对激光破碎花岗岩微观损伤过程的精确模拟。
2.揭示了激光功率和照射时间对花岗岩热损伤的两阶段影响规律：温度主导的快速损伤阶段和线性增长的稳定损伤阶段。
3.量化分析了不同矿物颗粒(绿泥石、黑云母、钠长石、石英、微斜长石)及其晶界在激光损伤中的差异性响应。
4.发现超过三分之二的损伤发生在晶界区域，为激光参数优化提供了关键依据。
3 研究方案
研究采用四川二郎山隧道附近的中粗粒花岗岩样品，主要矿物组成为白云石(57.66%)、微斜长石(12.09%)、石英(7.26%)、蒙脱石(7.26%)和绿泥石(0.98%)。样品制备为标准尺寸：单轴抗压强度(UCS)试样(直径50mm，高100mm)和巴西拉伸强度(BTS)试样(直径50mm，高25mm)。
激光破岩试验台包括：
三自由度移动平台(精度0.02mm)；
FLIR A615热像仪(IR分辨率640×480像素，测温范围100-2100°C，精度±1°C)；
RFL-C3000S连续光纤激光系统(最大功率3000W，中心波长1080±5nm，光斑直径2mm)。
4 研究内容
激光照射下花岗岩表面形成热坑和热裂纹网络(图5)。随着激光功率增加(100-500W)，表面热裂纹的宽度和数量增加，裂纹网络更复杂。温度场分析(图6-9)显示：
峰值温度在照射初期(5s内)迅速上升，随后趋于稳定；
300W激光功率下，热坑边缘出现最大温度梯度(743.50°C/mm)；
温度变化率在前5s达到峰值(415.01°C/s)，之后稳定在约40°C/s。
图10展示了不同激光功率下热坑和热裂纹参数的变化：
热坑面积(A_c)占热损伤区面积(A_d)的20-40%；
质量去除率(MRR)与激光功率呈正相关，而修正比能(MSE)在400W时最低(75.00J/mg)；
热裂纹总长度(L)和平均宽度(W)随功率增加而增大，曲折度(r_c)在达到一定功率后趋于稳定。
间接拉伸试验(ITT)结果显示(图11)：
热坑深度(D)在100-300W区间增长较快，300-500W区间增速减缓；
强度衰减(SD)与激光功率呈线性正相关，500W照射后强度衰减达60.5%；
激光照射后花岗岩表现出脆-韧性复合破坏特征。
研究开发了GBM-CZM-TMD耦合模型(图16-20)，关键创新包括：
基于Voronoi镶嵌和晶粒生长算法构建花岗岩矿物颗粒模型；
引入内聚单元模拟晶内和晶界损伤；
采用顺序热力耦合分析模拟激光热效应和机械响应。
通过UCS和BTS试验验证模型参数(图21，表2-6)：
模拟与实验的应力-位移曲线高度吻合；
单轴抗压强度误差仅0.65%，拉伸强度误差0.72%；
确定1mm网格尺寸为最优计算参数。
图22-24对比了实验结果与数值模拟：
模拟准确再现了热坑形成和裂纹扩展过程；
温度场分布的RMSE为111.03°C，R²达0.9316；
质量去除、损伤区面积、热坑深度和间接拉伸强度的模拟与实验相关性高(R²=0.85-0.95)。
数值模拟揭示了(图25，表8)：
热裂纹周围形成明显高应力区，裂纹尖端存在应力集中
损伤率随激光功率和照射时间增加呈两阶段变化(图26)：
阶段I(0-5s)：损伤率快速上升，主要由温度驱动；
阶段II(5-30s)：损伤率与激光参数呈线性关系(z=0.03671+0.00145x+0.00137y，R²=0.8969)。
研究发现(图26-27)：
晶界损伤占总损伤的三分之二以上；
矿物颗粒损伤率排序：绿泥石(C)>黑云母(B)>钠长石(A)>(石英(Q)，微斜长石(M))；
晶界损伤率排序：异相晶界(OUT)>绿泥石(C)>黑云母(B)>钠长石(A)>石英(Q)>微斜长石(M)。
5 原文摘要
Laser-assisted rock-breaking is a promising solution to reduce tool wear in hard rock tunneling.
激光辅助破岩是降低硬岩隧道掘进中刀具磨损的有效解决方案。
However, research on damage characterization of laser-fractured granite, particularly microscopic damage processes and the effects of mineral grain structures, remains limited.
然而，关于激光破碎花岗岩损伤特征的研究，尤其是微观损伤过程及矿物颗粒结构影响的研究仍然有限。
Therefore, this study investigated thermal fracture, temperature distribution, and strength properties of granite under laser irradiation (Gaussian beam, 100–500 W, 30 s).
因此，本研究探究了激光辐照（高斯光束，100-500W，30秒）下花岗岩的热断裂、温度分布及强度特性。
A coupled grain-based model (GBM), cohesive zone model (CZM), and thermo-mechanical damage (TMD) model was developed to simulate laser-fractured granite.
开发了基于颗粒的模型（GBM）、内聚力模型（CZM）和热机械损伤（TMD）模型的耦合模型来模拟激光破碎花岗岩。
Experimental data confirmed the model's accuracy, which outperformed other models in simulating thermal crater formation and the generation and expansion of thermal cracks.
实验数据验证了模型的准确性，该模型在模拟热坑形成及热裂纹生成扩展方面优于其他模型。
Results showed that thermal fracture increased with laser power and irradiation duration.
结果表明，热断裂随激光功率和辐照时间增加而加剧。
Laser-induced damage to granite occurs in two stages: Stage I is temperature-dependent, while Stage II shows a linear relationship with laser parameters (R²=0.9).
激光导致的花岗岩损伤分为两个阶段：第一阶段与温度相关，第二阶段与激光参数呈线性关系（R²=0.9）。
Over two-thirds of the damage occurs at grain boundaries, with the damage率 following the order: Chlorite > Biotite > Albite > Quartz > Microcline.
超过三分之二的损伤发生在晶界处，损伤率依次为：绿泥石 > 黑云母 > 钠长石 > 石英 > 微斜长石。
These findings, particularly the high damage rate at grain boundaries, enhance our understanding of laser-fractured granite properties and the impact of its mineral grains...
这些发现，尤其是晶界处的高损伤率，深化了我们对激光破碎花岗岩特性及其矿物颗粒影响的理解...
...providing theoretical support for optimizing laser rock-breaking technology and suggesting potential cost savings and efficiency improvements in tunnel excavation.
...为优化激光破岩技术提供理论支持，并有望降低隧道开挖成本、提升施工效率。
6 关键结论
1.实验发现：激光照射花岗岩形成热坑和裂纹网络，表面温度在5s内达到峰值。随着激光功率和照射时间增加，热损伤区扩大，裂纹密度增加。热坑尺寸在400W左右达到最大。较高功率导致内部损伤增加，间接拉伸强度线性降低。优化激光参数可提高硬花岗岩的破碎效果和经济效益。激光技术可减少隧道和采矿中的工具磨损，提高效率并降低维护成本。
2.数值结果：GBM-CZM-TMD模拟通过更准确地表示花岗岩的矿物分布，优于Poisson-Voronoi模型。验证了激光诱导应力与损伤随激光功率和照射时间增加的进展。模拟揭示了热裂纹周围的高应力区、裂纹尖端的应力集中以及显著的应力波动。特别值得注意的是，模拟显示热裂纹不仅出现在矿物颗粒内部，还沿晶界扩展，为激光破碎花岗岩提供了微观视角。
3.损伤率：激光功率和照射时间与花岗岩的损伤率呈正相关。激光破碎花岗岩的损伤率呈现两个不同阶段。在阶段I，损伤率随照射时间急剧增加，主要受温度影响，激光功率的影响很小。大部分岩石损伤发生在阶段I。在阶段II，损伤率与激光功率和照射时间呈现线性关系。通过建立描述激光破岩损伤率与激光参数关系的模型，可优化激光参数以提高效率和降低成本。
4.矿物颗粒效应：矿物颗粒的损伤率排序为C>B>A>(Q,M)，可能由于C和B的层状结构和较高的热敏感性。超过三分之二的损伤集中在晶界区域，主要因为其强度相对较低且热膨胀系数差异导致的较大热应力。晶界损伤率排序为：OUT>C>B>A>Q>M，异相晶界由于热膨胀失配而遭受更多损伤。这一分析填补了关于矿物颗粒如何影响激光破碎花岗岩的研究空白。
7 工程启示
1.激光参数优化：研究揭示的损伤率两阶段特征和400W左右的热坑尺寸极值，为隧道工程中激光辅助破岩的参数选择提供了科学依据，建议在实际应用中采用300-400W功率范围以获得最佳能效比。
2.工具设计改进：晶界作为主要损伤区域的发现提示，在TBM刀具设计中可考虑针对矿物晶界的弱化特性进行优化，通过预激光照射弱化晶界后再进行机械破碎，有望显著降低刀具磨损。
3.施工工艺创新：两阶段损伤模型为开发"高功率短时预裂+低功率持续扩展"的复合破岩工艺提供了理论支持，这种工艺有望在硬岩隧道施工中实现效率提升和成本降低的双重目标。