在脉冲诱导水袋+真空预压作用下针对砂质回填土固结特性的离心模型试验研究

为不断扩张的海滨城市打造更坚实的地基

随着海滨城市扩张，工程师常通过把海底的沙和淤泥泵入浅湾来创造新土地。这些新填土表面干燥后看起来很坚实，但深处往往像布丁一样——软、含水量高，无法支撑建筑、道路或港口。本文研究提出了一种更智能的方法，通过水袋、真空压力和经时控制的脉冲空气组合，更快更可靠地加固这种人工土地。

为何新土地会表现得像流沙

由疏浚沙和淤泥形成的填海土地通常含水量很高，颗粒间有许多微小空隙。这意味着强度低，受荷时会缓慢压缩。为了使其达到建设要求，工程师需要排出水分并密实土体，这一过程称为固结。常见方法包括施加重载或使用与垂直排水板相连的真空系统将水抽上来。然而，随着时间推移，细颗粒可能堵塞这些排水通道，减缓排水速度并延长施工工期。

旋转鼓内的缩小版“地球”

研究人员以中国东南沿海东莞市的一处填海工程为背景。在该工程中，工程队已将水袋作为经济且可调的下压手段，与真空系统配合使用。为在不影响现场的情况下测试改进措施，研究团队使用了一个强力工具：岩土离心机。通过以相当于50倍重力加速度旋转小型土模型，他们能够在数小时内模拟全尺寸地基数月的应力与排水行为。在离心模型箱中，研究者布置了不同数量排水板的区域，加入模拟水袋和真空荷载，监测沉降、水压及强度变化。

用脉冲“抖落”隐蔽堵塞

本研究的关键在于采用脉冲空气压力。在一组试验中，团队按常规运行水袋与真空系统；在另一组中，他们周期性停止离心机，将空气压缩机接到排水板上，输入高压气体脉冲。埋置在土体内的传感器记录了等同于约100天现场处治时间内孔隙水压、土体应力和地表沉降的演变。数据显示，在模拟时间约两周后，排水板已有明显堵塞，导致水压与沉降速率趋于平稳。每次施加脉冲空气时，水压短暂上升，然后随着排水通道被疏通而更快下降，水分被排出。

更多排水、更干燥的土、更坚固的地基

通过比较装有一块、两块和多块排水板的区域，研究团队发现了明确规律：排水板越多，排水越充分，沉降越大，土体强度显著提高。试验结束后的含水率测量表明，多板区域明显更干。不扰动样品的原位简易抗剪试验和实验室三轴试验均显示，随着孔隙水排出、颗粒更紧密地堆积，抗变形能力增强。在采用脉冲空气的区域，增益更明显；这些区域的沉降更多，强度高于未采用脉冲空气的同类区。

对沿海建设的意义

对非专业读者而言，结论很直观：研究表明将水袋荷载、真空系统与定时气体脉冲结合使用，能更快地把软弱的新填海土转变为更坚实、更安全的地基。离心试验提示此类土体的排水板可能在约两周内发生堵塞，定期用脉冲空气“清理喉道”可恢复排水并加速固结。增加排水板数量则能进一步增强效果，使土体变干、强度提升。综合来看，这些发现有助于更快速、更可靠地准备填海地面，支持港口、道路和建筑在更新且更稳固的土地上建设。

引用: 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

关键词: 海岸填海, 真空预压, 疏浚回填土, 地基改良, 离心模型试验