锚杆锚固技术是提升岩土体稳定性并改善承载韧性的重要手段，其应用场景横跨土木、交通、矿山、电力、水利、海洋、文物、能源等诸多领域，具体形式包括但不限于边坡/基坑支护锚杆、隧道/巷道/石窟支护锚杆、古塔/输电塔基础加固锚杆、坝基/导流洞加固锚杆、地下室/船坞抗浮锚杆，以及兼具地层稳定和浅层地热提取作用的能源锚杆等。上述应用场景中的锚杆处于不同类型岩土体之中，锚杆承载力的设计计算需要明确锚杆相应单元节段在所处地层中的锚固界面（锚固体-岩土体界面）粘结强度参数；根据不同单元节段锚固界面粘结强度进行积分求和而获得全长锚固段的锚杆承载力，如图1所示。
图1 单元节段锚固界面粘结强度与锚杆承载力关系示意
表1列出了当前锚杆设计实践中所采用的主流规范/标准以及对应的锚固界面粘结强度参数的建议取值区间；根据表1可以绘制出不同岩土体类型下锚固界面粘结强度取值区间以及区间范围占区间均值的比例，如图2所示。可以看出，全长锚杆在不同单元节段的锚固界面粘结强度设计参数一般只能根据所处地层的岩土体类别在一定区间内进行模糊取值，区间范围最低可以达到区间均值的70%，最高则可超过160%。锚固界面粘结强度的区间取值面临较大程度的主观性和不确定性问题，导致当前无法对锚杆承载力进行兼顾经济性和科学性的精细化设计。
表1 锚杆主流设计规范中锚固界面粘结强度模糊取值区间
图2 现有规范下锚固界面粘结强度的取值区间范围占区间均值比例
为什么各类岩土体剪切强度指标可以做到精准量化表征，锚固界面粘结强度参数（本质上也是岩土体-锚杆界面剪切带岩土体）却只能长期依靠区间内的半主观判断？症结在于，岩土体剪切强度指标可以通过直/单/扭剪试验、三轴压缩试验等标准化室内试验技术进行测试，但缺乏针对锚固界面特性的标准化室内测试技术。那么，锚固界面粘结强度参数能否通过剪切带处岩土体剪切强度指标进行换算求得呢？事实上很难，主要存在以下阻碍：（1）锚固界面法向围压在锚孔成孔后得到释放，并在压力注浆后有所恢复，无法明确界面真实法向压力；（2）锚固界面剪切带不是单纯的岩土体，而是由劈裂进入的浆体和岩土体的混合材料，没有明显的材料分界；（3）锚固界面多呈类似柱面的形状，对于土层锚杆而言，界面附近岩土体存在明显的土拱效应，岩土体剪切强度测试中无法考虑此类效应影响。
为此，申请人针对锚固界面特性标准化测试技术开展了多年持续研究工作，研发了模拟锚杆施工-服役-加固全寿命周期环境工况演化的锚固界面特性室内测试成套装置和方法，开展了不同应用场景下各类型锚杆的锚固界面特性的单元体测试以及服役特性的足尺物理/数值模型试验，建构了适配各类型锚杆的从单元体锚固界面测试到足尺锚杆承载响应预测的通用型荷载传递分析方法。
研发过程得到了申请人所主持的多项纵向研究基金资助，包括：
（1）国家自然科学基金（青年基金项目和面上项目）、湖南省自然科学基金（青年基金项目和面上项目）、科技部高端外国专家项目、湖南省科技特派员服务乡村振兴项目、湖南省教育厅科学研究重点项目等。
相关研究成果通过各类形式向业界做了汇报，包括：
（2） 第一/通讯作者发表的30余篇学术论文（包括业内权威期刊Acta Geotechnica、Geotechnical Testing Journal、Geosynthetics International、International Journal of Geomechanics、Ocean Engineering、Transportation Geotechnics等）；
（3） 12件专利/软著/工法（发明专利6件，软著5件，国家级协会工法1件）；
（4） 9次学术会议报告（例如International Conference on Innovative Production and Construction、中国岩石力学与工程学术年会、全国岩石力学与工程试验及测试学术大会、全国青年岩土力学与工程会议等）；
（5）主/参编的3项锚杆相关的地方/行业标准（包括主编湖南省可回收锚杆工程技术标准）。
值得指出的是，申请人所研发的锚固界面测试系列装置中已有两件经成果转化后，成为商用土工测试仪器产品，分别为模拟地压作用岩土锚固界面力学特性测试仪和拉-扭联合作用岩土锚固界面力学特性测试仪（如图3所示）。
图3 申请人所研发并成果转化的锚固界面测试装置
下面对申请人在锚固界面测试方面取得的学术成绩和创新成果进行具体介绍：
学术成绩一：研发了模拟锚杆施工-服役-加固全寿命周期环境工况演化的锚固界面特性室内测试成套装置，建立了考虑多源工况参数影响的锚固界面粘结滑移模型。
锚杆锚固体系在全寿命周期内历经施工、承载、加固等分阶段工况，面临天气和时间等多源环境因素作用；锚杆设计计算中如何准确把握锚固界面特性随上述环境工况变化的演化过程，需要借助具备多源工况模拟的锚固界面特性室内测试技术。
主要创新点总结如下：
创新点1：自主研制了精准模拟施工-服役-加固分阶段工况模拟的单元体锚杆制样装置、多源环境作用加载装置、多场响应量测装置，形成了锚杆锚固界面特性室内测试成套技术。
锚杆施工通常采用钻孔注浆工艺，锚杆所处地层压力有所变化，如钻孔引起锚孔孔周围压释放，压力注浆引起孔周围压部分回升。锚杆服役过程经历降雨、干旱等季节性变化引起锚孔所处地层岩土体密实度和含水条件等变化；集成浅层地热提取等功能的能源锚杆经历地层温度、换热液温度等热力作用；随着服役时间增长，引起锚杆发生蠕变、松弛等时变特性。锚杆承载力弱化后，对其进行生物、化学等注浆加固，经历生物矿化等作用。为了准确模拟上述锚杆全寿命周期内的工况变化，申请人在单元体锚杆试样制备、环境作用加载、响应量测三方面进行了针对性的装置研发和方法建构，形成了锚杆锚固界面特性室内测试成套技术（如图4所示）。
图4 申请人所研发的锚杆锚固界面特性室内测试成套技术
创新点2： 建立了可以综合考虑材料参数、施工参数、服役参数以及加固参数等多源工况参数影响的锚杆锚固界面粘结滑移模型。
应用上述锚固界面特性室内测试技术，可以得到锚杆全寿命周期内的多源工况参数作用下的锚杆锚固界面粘结-滑移模型，揭示出具体模型参数随工况参数的演化规律。多源工况参数主要包括材料参数（如砂浆配合比、养护龄期、筋体表面特征）；施工参数（如注浆压力）；服役参数（如地层压力、岩土体干密度和饱和度、锚头预应力、循环荷载、换热温度、服役时间）；加固参数（如生物胶结液浓度）等。
主要成果
锚固界面特性测试成套技术相关装置和方法获得了4项发明专利授权（如图5所示），具体包括：一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置及方法（ZL 201811578677 .8）；模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试方法及系统（ZL201811462789.7）；一种锚或桩与土的界面摩阻性能试验系统及试验方法（ZL201410176977.9）；一种用于锚或桩与土界面摩阻试验性能的试样制作装置及方法（ZL201811462789.7）。上述装置研发以及分阶段多源工况参数对锚固界面特性影响的论文发表在诸多岩土工程顶级和权威期刊：Acta Geotechnics（锚固界面蠕变的土体含水量影响）；Canadian Geotechnical Journal（土层锚杆的应力松弛特性）；Computers and Geotechnics（红层锚杆的蠕变特性）；Geosynthetics International（GFRP水泥土锚杆的蠕变特性）；Construction and Building Materials（水泥土锚杆的材料配比影响，ESI高被引论文）；Geotechnical Testing Journal（膨胀土锚杆的土体物性影响）。
图5 申请人开发的锚固界面测试成套技术相关发明专利
学术成绩二：面向机器学习等算法融合，开展了多类型锚杆规模工况组合下锚固界面测试和数据采集，提出了物理-数据协同驱动的锚固界面性能-经济等多目标智能优化设计方法。
申请人采用上述自主研发的锚固界面特性室内测试成套技术实现了现有主流锚杆类型规模工况组合下的锚固界面测试，将所获取的巨量数据集用于机器学习，建立了物理-数据协同驱动的锚固界面性能-经济多目标智能优化设计方法。
主要创新点总结如下：
创新点1：基于材料组构、岩土物性、服役时间、试样设置等多维参数对主流锚杆类型锚固界面测试进行试验设计，获取了试验变量-响应参数的巨量数据集，通过机器学习算法的适配性优选，建立了各类锚杆锚固界面性能指标智能预测模型。
锚杆在全寿命服役周期内，其锚固界面力学性能指标受到材料、环境、时间、人工设置等多维参数影响，传统数理方法无法综合考虑上述多维参数并得到可解析的理论模型。基于当前人工智能时代的算法算力提升背景，应用申请人研发的锚固界面特性测试技术，发挥其对不同锚杆类型的通用性以及工况模拟的精准可控性等优势，开展了数以千计的多维参数组合下锚固界面测试，获取了试验变量-响应参数的巨量数据集。试验变量涵盖锚杆材料配合比和养护龄期、岩土体含水量和密实度、锚杆服役时长、应力水平、单元体试样设置条件等多源多维工况参数，响应参数包括锚固界面的粘结强度、粘结刚度、蠕变速率、长期强度、预应力损失率等力学性能指标。根据试验所获取的数据集特征，对当前主流机器学习算法进行适配性评估，得到不同试验变量-响应参数适配的优选算法，进一步引入锚固界面承载物理机理约束，建构出各类锚杆类型的锚固界面力学性能指标的智能预测模型（如图6所示）。
创新点2：针对锚固界面力学性能指标、经济成本指标等多维指标之间的相互约束特性，融合机器学习和仿生寻优等人工智能算法，建构了适配具体锚杆类型的性能-成本等多目标优化的锚固界面组构设计方法。
锚固界面力学性能指标本身就包含剪切（粘结）强度、剪切刚度等不同类别，剪切强度又进一步包含极限强度、残余强度、长期强度等；不同性能指标之间往往存在相互约束，约束关系又会随工况参数变化而变化。此外，锚固界面材料组构作为对界面力学性能有重要影响的工况参数，其构成情况也受制于工程经济方面的约束，即要考虑力学性能和造价成本之间的均衡。由此，锚固界面的组构设计成为一个涉及力学指标和经济指标的多目标优化设计问题。在前述锚固界面力学性能指标实现智能预测的基础上，引入蚁群、蜂群等仿生寻优算法，并在预测-寻优两阶段算法的协同上进一步做适配性评估，优选得到具体锚杆类型在具体环境工况下性能-经济多目标优化的锚固界面组构设计方法（如图6所示）。
图6 物理-数据协同驱动的锚固界面性能-经济等智能预测和优化
主要成果
关于锚固界面力学性能指标智能预测方面的工作发表在岩土相关领域权威期刊：Transportation Geotechnics（土层含水条件对锚杆蠕变特性影响预测）；Ocean Engineering（锚杆试样设置条件对锚固界面测试结果影响）；Geomechanics and Engineering（GFRP筋-水泥土界面粘结强度预测）。关于锚固界面性能-经济多目标智能优化设计方面的工作发表在建筑材料领域权威期刊：Construction and Building Materials（力学指标-材料成本多目标优化的锚固界面组构设计）；Journal of Materials Research and Technology（水泥土锚杆材料配合比优化设计）。
学术成绩三：建构了适配各类型锚杆的从单元体锚固界面测试结果到足尺锚杆承载响应预测的通用型荷载传递分析框架，通过开展锚杆承载足尺物理模型试验对该框架的有效性进行了验证。
申请人综合分析各类型锚杆锚固界面测试结果的共性特征，从粘结强度的粘结力和摩擦力的二元组构特点出发，开发了可适配所有锚固界面测试结果的通用型锚固界面粘结滑移模型，进一步建构了通用型锚杆荷载传递分析框架，实现了对足尺锚杆力学响应的有效预测。
主要创新点总结如下：
创新点1：从锚杆受力变形机理出发，将单元体试样室内试验得到的锚固界面测试结果融入微元力学分析，建立锚杆荷载传递通用型分析框架并开发相应分析程序，实现对足尺锚杆的不同承载响应指标的预测。
锚杆承载性能的发挥在于利用锚固界面粘结强度，将锚头（拉力型锚杆）/锚底（压力型锚杆）荷载经由锚固界面剪切带传递至岩土体深部，形成从锚头至锚底的锚杆轴力非线性分布（拉力型锚杆为衰减分布；压力型锚杆为增强分布）。申请人基于粘结-摩擦二元视角建立了可适配所有锚固界面测试结果的通用型界面粘结滑移模型，通过锚杆受力变形微元分析，将该通用型界面模型嵌入锚杆受力变形微分方程，建立起适配所有锚杆类型的锚杆荷载传递通用型分析框架，从而实现了对锚杆轴力和界面剪切力等各类承载响应指标的预测（如图7所示）。
创新点2：设计并开展了主流锚杆类型长短期承载的足尺物理模型试验，揭示了锚杆荷载传递过程中各受力变形响应指标的演化规律，验证了所建立的锚杆荷载传递通用型分析框架的有效性。
为了验证上述锚杆荷载传递通用型分析框架在单元体尺度的界面测试结果和足尺度的锚杆承载响应之间的衔接有效性，设计开展了多类足尺锚杆试验（如图8所示），包括水泥土锚杆短期拉拔室内物理模型试验、红层锚杆长期承载（蠕变和松弛）室内物理模型试验以及边坡能源锚杆现场拉拔试验，监测得到了足尺度下锚杆受力变形等响应指标演化规律。基于各类型锚杆锚固界面测试结果，采用上述锚杆荷载传递通用型分析框架，有效预测了足尺试验所量测的力学响应分布。
图7 申请人所提出的锚杆荷载传递通用型分析框架示意图
图8 申请人所开展的多类型足尺度锚杆试验
主要成果
关于锚固界面通用型粘结滑移模型的开发已获得2项软件著作权登记，具体包括：锚桩与岩土体界面长-短期剪切模型的有限元二次开发子程序软件V1.0（登记号2025SR0294524）；基于单元体拉拔试验锚固界面力学参数辨识的锚杆传荷特性分析系统V1.0（登记号2025SR0244048）。关于边坡能源锚杆的现场拉拔试验获得中国电力建设企业协会的电力建设二等工法，具体为边坡锚索浅层地热能利用施工工法（证书编号DJGF-E-206-2025）。（如图9所示）。
图9 锚杆荷载传递通用分析框架相关软著和足尺度锚杆现场试验相关工法
总结来看，以上三项学术成绩推动了锚杆锚固界面特性室内测试技术和表征方法的标准化进程，促进了行业对环境-材料-时间多源因素作用下锚杆服役性能演化规律的认识，提升了锚杆锚固体系设计计算的精细化和智能化水平，为锚杆锚固体系创新发展奠定了重要基础。