Модельные центрифужные исследования характеристик консолидации насыпного грунта на песчаной основе при импульсно-индуцированном водяном мешке + вакуумном предварительном уплотнении

Более прочный грунт для растущих прибрежных городов

По мере расширения прибрежных городов инженеры часто создают новую землю, перекачивая песок и илы с морского дна в мелководные бухты. Сверху такой насыпной грунт выглядит плотным после просушки, но в глубине он может вести себя как пудинг — мягким, насыщенным водой и неспособным нести здания, дороги или порты. В данной работе изучается более эффективный способ упрочнения такого искусственного грунта с меньшими сроками и большей надежностью — с помощью сочетания водяных мешков, вакуума и тщательно дозированных импульсов воздуха.

Почему новая земля может вести себя как зыбучий песок

Освоенные прибрежные площадки из дноуглубленного песка и ила обычно имеют очень высокое водосодержание и множество мелких пустот между зернами. Это приводит к низкой прочности и склонности к медленной осадке под нагрузкой. Чтобы сделать такой грунт безопасным для строительства, инженеры стараются вытеснить воду и уплотнить грунт — процесс, известный как консолидация. Распространённые методы предполагают нагружение поверхности большими весами или применение вакуумных систем в сочетании с вертикальными дренажами, которые отводят воду вверх. Однако со временем мелкие частицы могут закупоривать дренажи, замедляя отвод воды и удлиняя сроки работ.

Миниатюрная Земля в вращающемся барабане

Исследователи сосредоточились на реальном проекте осушения в г. Дунгуань на юго-восточном побережье Китая. Там инженеры уже применяют водяные мешки как недорогой и регулируемый способ нагружения мягкого грунта вместе с вакуумными системами. Чтобы испытать улучшения без риска для реального объекта, команда использовала геотехническую центрифугу. Вращая небольшую модель грунта с ускорением, в 50 раз превышающим земное, они могли воспроизвести напряжённо-деформированное состояние и дренажное поведение полноценного фундамента за часы вместо месяцев. В своей модельной коробке они разместили участки с разным числом дренажных щитов, добавили имитированный водяной мешок и вакуумную нагрузку сверху, а также следили за осадками, давлением воды в порах и изменениями прочности.

Встряхивание скрытых закупорок

Ключевая новизна исследования — использование импульсного воздушного давления. В одном комплексе испытаний команда работала с комбинацией водяного мешка и вакуума как обычно. В другом варианте периодически останавливали центрифугу, подключали к дренажным щитам компрессор и подавали серии коротких импульсов высокого давления воздуха. Датчики, погружённые в грунт, регистрировали развитие порового давления, напряжений в грунте и поверхностных осадок эквивалентно примерно 100 дням полевого воздействия. Данные показали, что примерно через две недели моделируемого времени дренажи забивались настолько, что поровое давление и скорость осадки выравнивались. Каждый раз при подаче импульса воздуха поровое давление кратковременно повышалось, затем быстрее падало по мере восстановления путей тока и ухода воды.

Больше дренажей — суше грунт — прочнее основание

Сравнение участков с одним, двумя и большим числом дренажных щитов выявило очевидную закономерность: больше дренажей обеспечивали больший отвод воды, большую величину осадки и заметное повышение прочности грунта. Измерения влагосодержания после испытаний показали, что области с несколькими щитами оказались значительно суше. Испытания на сдвиг, как простые полевые замеры, так и лабораторные трехосные испытания на нетронутых образцах, показали, что сопротивление грунта деформации увеличивалось по мере выхода воды из пор и более плотной упаковки зерен. В зонах, где применяли импульсный воздух, прирост был ещё более заметным: такие участки давали большую осадку и развивали более высокую прочность по сравнению с аналогичными зонами без воздушных импульсов.

Что это значит для прибрежного строительства

Для неспециалистов вытекающий вывод прост: исследование демонстрирует, что сочетание нагрузки водяным мешком, вакуумной откачки и периодических воздушных импульсов может превратить мягкое, недавно созданное морское дно в более плотный и безопасный грунт быстрее. Результаты центрифужных испытаний указывают на то, что дренажи в таких грунтах могут закупориваться примерно в течение двух недель, и что регулярное «прочищение» их импульсным воздухом восстанавливает дренаж и ускоряет консолидацию. Увеличение числа дренажных щитов дополнительно усиливает эффект, подсушивая грунт и повышая его прочность. В совокупности эти выводы указывают на более быстрое и надежное подготовление отвоёванных прибрежных территорий, что помогает городам возводить порты, дороги и здания на более новом и более устойчивом основании.

Цитирование: Chen, Q., Xu, X., Wang, G. et al. Centrifuge model study on consolidation characteristics of sand-based fill soil subjected to pulse-induced water bag + vacuum preloading. Sci Rep 16, 12777 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41306-8

Ключевые слова: освоение прибрежных территорий, вакуумное предварительное уплотнение, засыпной грунт из дноуглубленного материала, улучшение грунтов, центрифужное моделирование