软地钻孔沉降可视化及预测新方法

软土地基是由黏土、粉砂等细小颗粒构成的，在沿海地区尤为常见，对水坝及建筑物的安全性、稳定性有较大影响，因此需要采用提高安全性、强度、承载力的技术。

在日本，软地面和很常见，因此实施了各种地基和地基改进方法来减轻此类灾害的有害影响。

其中一种方法是建造现浇混凝土桩，即在开挖过程中使用钻井泥浆填充钻孔。这种泥浆利用其造壁特性和压力保护孔壁，并在混凝土浇筑过程中充当置换液，钻井泥浆尽可能地被回收利用。

施工过程中，由于混土、基质流失等原因，钻孔泥浆的性质可能会变差，因此，为了保证混凝土桩的质量，必须管理其比重、粘度、成壁性等性质。

即使控制了这些特性，仍可能出现诸如沙子堵塞钢筋或底部残留沙子等问题，影响混凝土填充。因此，在混凝土浇筑前，有必要了解钻孔泥浆中土壤颗粒的沉降行为。

然而，在实际施工现场直接观察这一过程极具挑战性。此外，在预测沉积过程中沙粒的沉降时间时，传统使用的斯托克斯方程只能捕捉单个粒子的一维运动，无法捕捉真实的现象。

为了解决这个问题，由日本芝浦工业大学工程学院教授 Shinya Inazumi 领导的一支研究团队开发了一种开创性的方法来可视化钻井泥浆中沙子的沉积过程。

Inazumi 教授解释说：“我们采用了基于移动粒子半隐式 (MPS) 方法的数值模拟方法，可以详细而准确地显示钻井泥浆中砂颗粒的三维沉降行为，这直接影响地基的强度和耐久性。”

他们的研究成果发表在《工程成果》杂志上。

在他们的研究中，研究人员使用 MPS 方法模拟了钻井泥浆和砂粒，以三维方式再现沉降过程。钻井泥浆和砂粒被视为宾汉流体，这是一种非牛顿流体，在低应力下表现为刚体，但在高应力下流动为粘性流体。

该模型准确地捕捉了新鲜混凝土的流动行为。研究人员还使用专为 MPS 方法设计的计算机辅助工程 (CAE) 工具对该模型进行了视觉评估，统称为 MPS-CAE。

利用MPS-CAE对钻井泥浆中75μm和150μm砂粒的沉降过程进行直观评估，并比较两者的沉降时间，评估75μm砂粒的沉降过程以预测最长沉降时间，评估150μm砂粒的沉降过程以预测最短沉降时间。

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