黄土中气体射流渗流压力分布规律及其在气动振动探针压实(PVPC)技术中的应用研究

为解决黄土湿陷性导致的地基不稳定问题，研究人员通过室内模型试验研究了气动振动探针压实(PVPC)技术中气体射流在非饱和黄土中的渗流机制与压力分布规律。研究建立了渗流压力分布模型，揭示了气体射流通过黄土优势通道时的动态衰减特性，为优化PVPC参数提供了理论依据，推动了该技术在黄土地区地基处理中的工程应用。

　　

黄土作为一种广泛分布于全球约十分之一陆地面积的特殊沉积物，因其高孔隙性、结构脆弱性和遇水湿陷性，常导致地基不均匀沉降和工程灾害。传统地基处理方法如强夯法、换填法等虽有一定效果，但存在能耗高、工期长等局限。气动振动探针压实(PVPC)技术作为结合深层垂直振动压实(DVVC)与气体射流的新型工法，兼具高效、低碳优势，但其核心环节——气体射流在黄土中的渗透机制尚不明确。

针对这一科学问题，研究人员通过精心设计的室内模型试验，系统探究了连续气体射流作用下非饱和黄土的渗流压力分布特征。试验采用几何相似比为1:10的模型装置，配置高精度硅扩散压力传感器(MIK-P310)，监测不同土层厚度(20/40/70 mm)下的气体压力响应。基于达西定律(Darcy's law)和球形渗流假设，建立了考虑黄土大孔隙特性的渗流压力分布模型，并通过参数敏感性分析揭示了关键影响因素。

关键技术方法
研究采用相似理论设计模型试验，通过调节气体压力(18 kPa)和土层厚度模拟实际工况；利用工业细盐与石膏粉复配制备类黄土材料，控制含水率(10%)和干密度(1.32 g/cm³)；采用24位AD芯片的数字记录仪采集压力数据；基于气体渗透系数(k_a)和空气填充孔隙率(η_a)的定量关系，构建渗流压力时空演化方程。

研究结果

1. 土壤形态变化：气体射流在喷嘴附近形成直径5 mm、深10 mm的破碎坑，并诱发垂向与环状裂隙，证实脉冲动压对土体结构的剪切破坏作用。
2. 压力响应特征：70 mm土层中，中部测点压力12秒后出现，56秒稳定于105 Pa；上部测点压力(70 Pa)显著高于下部(20 Pa)，反映气体优先沿优势通道垂向渗透。
3. 模型验证：理论计算与试验数据的决定系数(R²)达0.955，证实模型对k_a=2×10^-4 m/s、η_a=0.35的黄土具有良好适用性。
4. 参数敏感性：初始渗流半径(r₀)从0.01 m增至0.05 m时，相同时间(t=1 s)的渗流距离提升40%；渗透系数(k_a)提高66%可使渗流压力衰减速率降低25%。

结论与意义
研究表明，PVPC中气体射流的微观渗流效应虽有限（1秒内渗流距离<0.05 m），但其核心作用在于：①通过脉冲剪切破坏近喷嘴土体结构；②协同上覆压力增强土体水平压缩。这为优化射流压力(建议0.8 MPa)和振动参数提供了科学依据，解决了传统方法在黄土加固中的效率瓶颈。该成果发表于《Soils and Foundations》，不仅推动了PVPC技术的标准化应用，也为非饱和土气渗理论的发展提供了新思路。未来研究需进一步探明气体射流与探针振动的耦合机制，以全面提升黄土地区地基处理的安全性与经济性。