交通荷载作用下土层锚杆锚固界面动力特性的室内测试及数值模拟

High-speed railway construction develops rapidly in mountainous area of China along with the proceeding 13th National Five-Year Plan of Transportation. A large number of anchored slopes adjacent to the railway immerge during this process. The working performance of such anchored slopes depends essentially on the dynamic behavior of anchoring interface subjected to the impact of traffic load. Therefore, the following works were carried out in this project: firstly, dynamic loaded model test of anchored slope was conducted to confirm the actual force state variation of anchoring interface and other dynamic response parameters; secondly, element anchor specimen preparation setup with capability of simulating confined drilling−pressure grouting procedure, pullout shear and torsional shear apparatus were specially designed and used in dynamic characterization of anchoring interface subjected to the actual force state variation; thirdly, dynamic characterization method was developed to analyze the test results aiming to obtain interface dynamic parameters and interface dynamic damage model; eventually, this customized interface dynamic damage model was secondly developed into the numerical model for dynamic analyses of anchored slopes, and used specifically to simulate the anchored slope in aforementioned model test. Dynamic response of anchored slope calculated in numerical analyses were compared with that measured in model test to validate the reliability and effectiveness of the presented interface dynamic characterization methods and interface dynamic damage model. Research achievements are expected to provide critical insight into the dynamic design and calculation of anchored slopes under the impact of traffic loads.

随着国家交通运输十三五规划的深入推进，我国的山区高速铁路建设快速发展，形成了数量巨大的铁路沿线锚固边坡。此类锚固边坡的承载性能很大程度上取决于锚固界面在交通荷载作用下的动力特性。为此，本项目拟首先通过锚固边坡的动载模型试验确定交通荷载作用下锚固界面的实际受力状态变化和其他锚固边坡动力响应参数；然后基于自主开发的可模拟围压钻孔−压力注浆等操作的单元锚杆制样装置、单元锚杆拉拔剪切装置和扭转剪切装置进行锚固界面在实际受力状态加载模式下的动力特性测试；其次通过建立界面动力特性表征方法对界面动力特性测试结果进行分析，得到锚固界面的动力特性参数及锚固界面动力损伤模型；最后通过数值软件的二次开发将锚固界面动力损伤模型引入锚固边坡的动力分析数值模型，并对锚固边坡动载模型试验进行数值模拟。通过锚固边坡动力响应的数值分析结果与模型试验量测结果的对比分析以验证界面动力测试方法和界面动力损伤模型的可靠性和有效性。

山区交通基础设施建设产生了巨量的沿线锚固边坡，其服役过程涉及交通荷载和环境荷载等组合工况作用。针对此类锚固边坡承载性能的设计计算需要准确把握锚固界面在上述复杂工况下的静动剪切特性，并在此基础上建立适配的锚杆锚固体荷载传递分析模型。本项目融合应用室内试验、理论建模、数值仿真、拓扑优化和智能算法等方法针对上述问题开展了较系统深入的研究，取得了以下方面的研究成果。.（1）自主设计研制了多源工况锚固界面剪切特性综合测试系统，该系统可对锚杆地层压力变化、锚杆地层物性参数变化、锚固界面剪切类型、锚杆成孔过程、锚杆注浆压力变化、锚杆组构材料变化、锚杆服役时间效应等工程锚杆从施工到服役的全过程实际工况进行有效模拟和精准调控，实现了锚固系统界面特性室内测试技术的整体性升级。.（2）开展了交通荷载作用下锚固边坡动力承载特性数值模型试验，着重分析了锚杆空间布局和荷载控制参数对锚固界面剪切行为和锚杆预应力演化特性的影响规律，建立了考虑时空效应和群锚效应的锚固界面粘结强度动力损伤模型，实现了交通沿线锚固边坡服役性能设计计算方法的优化。.（3）自主设计研制了锚杆锚固体系长期服役行为物理模型试验系统，应用该系统分别开展了土层锚杆拉拔蠕变和预应力损失等锚杆时变特性试验研究，建构了锚杆锚固体系荷载传递分析通用型分析框架，实现了不同工况下基于单元体尺度界面测试结果对工程尺度锚杆承载响应的有效预测。.（4）通过视觉测量和数值仿真对锚固界面承载过程中剪切带演化过程开展了试验研究，揭示了锚杆不同组构材料对锚固界面粘结强度产生和发挥过程的影响机制，建立了锚固界面强度随锚杆组构参数变化的演化模型。.（5）融合应用机器学习与拓扑优化等计算机辅助方法研究了多工况组合下锚杆组构参数对锚固界面力学特性发展演化的影响机制，实现了面向多元功能要求的锚杆组构材料孔隙结构自适应设计以及面向力学性能和工程造价等多目标控制的锚杆组构材料智能优化设计。.上述研究成果提高了锚固界面测试技术对多源复杂工况的适配性，揭示了工程锚杆在动力作用和时间效应等实际工况作用下的荷载传递机理，促进了面向多元功能需求的工程锚杆组构材料智能设计计算理论发展。