软土地基由粘土和淤泥等细小颗粒组成。它在沿海地区尤为普遍。它会严重影响大坝和建筑物的安全性和稳定性，因此需要提高安全性、强度和承载能力的技术。在日本，软土地基和地震很常见，为减轻此类灾害的有害影响，实施了各种地基和地基改良方法。其中一种方法是建造现浇混凝土桩，在挖掘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。
在施工过程中，由于土壤混合和基质流失，钻井泥浆的性质会恶化。因此，管理比重、粘度、成壁性等性质对于保持混凝土桩的质量至关重要。即使管理了这些性质，仍然可能发生诸如沙子堵塞钢筋或底部残留沙子等问题，从而影响混凝土填充。因此，有必要在混凝土浇筑前了解钻井泥浆中土壤颗粒的沉降行为。然而，在实时施工现场直接观察这一过程具有挑战性。此外，在预测沉降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颗粒的一维运动，无法捕捉真实现象。
为了解决这个问题，由芝浦工业大学工程学院 Shinya Inazumi 教授领导的日本研究小组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：“我们采用了一种基于移动粒子半隐式 (MPS) 方法的数值模拟方法，可以详细准确地可视化钻井泥浆中砂粒的三维沉积行为，这直接影响地基的强度和耐久性。”他们的研究于 2024 年 5 月 15 日在线发布，并于 2024 年 6 月发表在《工程成果》杂志上。
在他们的研究中，研究人员使用 MPS 方法对钻井泥浆和沙粒进行建模，以三维方式重现沉降过程。钻井泥浆和沙粒被视为宾汉流体，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 75 微米和 150 微米砂粒的沉降过程进行了直观评估，并比较了两者的沉降时间。评估了 75 微米砂粒的沉降过程以预测最长沉降时间，评估了 150 微米砂粒的沉降过程以预测最短沉降时间。为了测试 MPS 方法的有效性，将建模的分析结果与旨在模拟沉降过程的实验室圆柱形试验进行了比较。结果表明，两种情况下预测的沉降时间与实验数据一致。
结果还显示，与斯托克斯方程相比，MPS 方法可以更精确地呈现沉降过程的三维图像。此外，研究人员在实际施工现场进行的 Tone 钻孔桩法中，应用 MPS 方法对全尺寸钻孔泥浆的沉降进行了视觉评估，证明了其实用性。
这些发现揭示了该方法在预测施工现场沉降过程方面的实用性。“通过精确模拟和管理沉降过程，这项新技术显著提高了施工质量和效率。此外，这种方法最大限度地减少了对环境的影响，并可以带来新的先进建筑技术，” Inazumi 教授评论道。