潮汐作用下飽和軟粘土地基孔隙水壓力變化規律研究

張二林，張宇亭，黃玉龍

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津中心漁港開發有限公司，天津 300457）

潮汐作用下飽和軟粘土地基孔隙水壓力變化規律研究

張二林1，張宇亭1，黃玉龍2

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津中心漁港開發有限公司，天津 300457）

針對潮汐對濱海地區飽和軟粘土的影響，尤其是在無施工加載條件下，展開對飽和軟粘土中孔隙水壓力變化的研究。利用數學模型計算與現場實測相結合的方法，得到了較為一致的結果。通過總結潮汐對飽和軟粘土中孔隙水壓力變化的影響規律，提出了對施工加載和安全監測的建議。

潮汐；飽和軟粘土；孔隙水壓力

Biography：ZHANG Er-lin（1985-），male，assistant engineer.

淤泥類軟土的廣泛分布是沿海地區工程建設中普遍遇到的巖土工程問題。潮汐的變化引起的海水漲落及帶來的波浪影響，可以看做是淤泥質土上部的加載——卸載——加載的循環荷載作用。在港口工程建設當中，由于潮汐形成的海水荷載對施工的影響已被認識，但其對飽和軟土內孔隙水壓力影響規律的研究還不完善。因此在港口水工建筑物施工加載過程中，掌握潮汐對地基飽和軟粘土內孔隙水壓力變化影響的規律，對合理安排施工加載時間，控制施工進度有指導作用，另外了解潮汐對飽和軟粘土內孔隙水壓力的影響規律，也可對研究海相軟土變形特性、控制其破壞作用打開另一條思路。

1 潮汐變化原理、等同周期荷載或循環荷載機理

潮汐現象是指在引潮力作用下海水所產生的周期性運動。由于海水的漲潮和落潮，對于濱海地區沿海淤泥質灘面來說，可以看作海水加載——卸載——加載的循環往復過程。向先超等［1］在潮汐作用下淤泥路基固結變形特性研究中，利用有限元數學模型計算的方法分析了潮汐、反壓護道等對淤泥路基排水固結過程的顯著影響。李樹華［2］總結了國外研究波浪、潮汐、泥沙問題的數學模型，探究三者之間的關系。另外，一些學者認為可以將潮汐的變化作用，看做是周期荷載或者循環荷載來研究。潮汐作用等同于周期荷載或循環荷載機理，對于周期荷載白冰、周健［3］的周期荷載作用下粘性土變形及強度特性述評中曾總結了國內外的研究現狀。周期荷載作用下粘性土性狀的研究在國外己取得較多的成果，Andersen等［4］應北海重力式石油平臺建設的需要，曾對德勒門（Drammen）粘土進行了系統而廣泛的研究。Matsui等［5］的研究則較多地關注孔隙水壓力的發展變化，分析了殘余孔壓與剪應變之間的相互關系以及循環荷載作用歷史對剪切特性的影響。Baligh等［6］曾給出一個較為完善的循環荷載作用下的固結理論。

從上述的研究成果可以看出，這些研究多集中于室內試驗或者是交通荷載。對于潮汐來說，尚有幾點不同。

波浪荷載與地震、交通等動荷載相比具有以下主要特點：周期較長，波浪荷載周期通常達5～20 s荷載持續時間較長，一次大波浪期持續時間達數小時至數十小時；在大波浪荷載作用前己經經受多次小波浪荷載的作用。蔣敏敏等［7］在循環荷載后飽和海相軟粘土不排水靜力試驗研究中，研究了波浪循環荷載作用對飽和海相軟粘土不排水靜力特性的影響。

2 超孔隙水壓力增長引起的土體破壞

飽和軟粘土，如淤泥或淤泥質土，由于其含水率大，透水性差，受外力作用壓縮變形較大。在上部荷載作用下土體壓縮，超孔隙水壓力增大，而飽和軟土滲透性較差，水來不及排出，容易引起土體的剪切破壞。

而在海水自身重力的作用下，給地基土體施加了一個額外的壓力。隨著潮汐的變化，加載與卸載的反復進行，超孔壓的增長與消散同時變化。對于加載預壓施工來說，加載間隙時間的控制，應滿足孔隙水壓力的消散率達到70%（孔隙水壓力的消散率為各級荷載下孔隙水壓力消散量累計值與孔隙水壓力增量累計值之比）［8］。

從目前較為流行的圍堤充填袋施工技術來看，為方便充灌施工，加載多在漲潮至高潮時進行。由于圍堤兩側海水的側向壓力相當，地基不易滑動破壞。在退潮后，一方面圍堤兩側壓力不均，易引起破壞，而另一方面，地基內超孔壓來不及消散，地基有效應力較小，使得發生剪切破壞也是一個重要的原因。因此，在加載后的低潮時，是地基易發生滑動破壞的時刻。

因此在計算加載過程中，在控制加載速率與間隙時間上，應考慮潮汐引起的附加壓力在不同土體中帶來的超孔壓的變化。而潮汐引起的孔隙水壓力變化的特點與規律正是本文研究的內容。

3 試驗點潮汐變化及其等量至荷載

3.1 潮汐與對應水深變化

潮位是某點潮汐海面相對于某一基準面的鉛直高度，由于潮位的不停變化，對應海底某點的水深情況也在不停的變化。為了準確測試潮汐引起的海水變化對飽和軟粘土的影響，選取試驗點位于近海灘涂上，在低潮位時，灘面淤泥質土可完全露出水面。漲潮時，海水位上升，水深變化為0 m、1 m、2 m、3 m，最大水深可達到3 m；退潮時，海水位下降，水深變化為3 m、2 m、1 m、0 m。試驗點潮位與水深變化曲線見圖1。

3.2 潮汐變化等量至荷載

相對于試驗點的原海床土體來說，潮汐引起海水上升和下降的過程可以等量成荷載。由于海水上升和下降需一定過程，所以在試驗點選擇時，選取受風浪影響較小的港池區，這樣在數值計算過程中，不考慮波浪力帶來的作用，僅將海水等量成荷載，研究海水重力作用下對海床軟土體的影響作用。

根據實測資料，試驗點附近海水密度為1 024 kg/m3，換算為荷載，潮汐變化對軟土形成不同加載，最大值可達到約30 kPa。如果在施工期間，潮水達到最高值，這部分荷載相當于額外加載，其影響不可忽視。尤其在飽和軟粘土上作用，由于排水困難，超孔隙水壓力值增長將帶來危害。

圖1 試驗點潮位（水深）變化曲線圖Fig.1 Tidal level（water depth）variation curve of experimental sites

4 潮汐作用下土體內孔隙水壓力變化特點

4.1 潮汐作用下土體內孔隙水壓力數值模擬變化

4.1.1 數學模型的建立

軟土地基沉降、堤基土體固結、孔隙水的滲透三者密不可分，孔隙水的排出，超靜孔壓消散引起土體固結，進而導致地基沉降。因此，從力學本質上來說，海堤的固結、沉降、滲流應屬于流固耦合分析理論范疇。本次模擬由于試驗點附近受風浪影響較小，為了簡化計算，僅考慮水位上升和下降產生的靜水壓力變化帶來的影響。

基于Biot固結理論流固耦合分析理論，以孔壓作為未知量，統一從應力場和滲流場的角度來模擬實際加載、排水固結條件。

本次數值模擬土體采用修正劍橋本構模型，采用基于Biot固結理論流固耦合分析理論有限元進行分析，主要計算公式如下

Biot固結基本方程

修正劍橋軟粘土本構關系模型

利用伽遼金有限差分法可以將式（2）表現為有限元單元方程形式，再分別對時間積分，就構成了基于Biot固結理論二維平面有限元計算理論。

4.1.2 模型參數的選取

有限元數值模擬土體本構模型參數主要包括常規土體物理力學指標和推導換算參數兩類，修正劍橋模型除常規物理力學指標外，還包括M，Γ，λ，κ4個特征參數。對于修正劍橋模型，特征參數M，Γ，λ，κ計算公式如下

本次有限元數值模擬土體參數選取如表1所示。

表1 有限元計算模型參數表Tab.1 Finite element model parameters

4.1.3 計算結果演示與分析

本次有限元數值模擬工況為：土體不同深度（本次數值模擬選用3 m）在水位上升和下降的情況下土體的變形和孔隙水壓力的變化情況。計算選用水位變化如下0 m、1 m、2 m、3 m、2 m、1 m、0 m，根據實際潮位觀測，潮汐漲落歷時12 h，本次模擬每次潮位漲落均按線性考慮（表2）。

4.2 潮汐作用下土體內孔隙水壓力實測變化

為了準確測試潮汐作用引起的飽和軟粘土中孔壓的變化，選取試驗點位于濱海灘涂，靠近海堤位置，受潮水影響明顯，在深度3 m范圍內，土體性質為典型的濱海相淤泥質軟土。在退潮至最低潮位時，灘面可以露出；在漲潮至最高潮位時，水深可達到3 m，潮汐的變化對淤泥質土中的孔隙水壓力變化影響效果較為突出。

根據實測情況，將不同潮位變化下土體不同深度的孔隙水壓力進行統計（表3）。

表2 不同工況下最大孔壓計算值統計表Tab.2 Calculated maximum pore water pressure in different conditions

4.3 研究結果對比

深度為1 m、2 m、3 m的土體內孔隙水壓力，在不同潮汐引起的海水作用下發生變化，將計算值與實測值進行對比，對比曲線見圖3～圖8。

4.4 試驗結果分析

（1）漲潮與退潮作用影響帶來孔隙水壓力變化，其實測值與數值模擬計算值較為接近，曲線擬合較好。

（2）漲潮引起孔隙水壓力增長，退潮引起孔隙水壓力下降。

（3）漲潮初期孔隙水壓力增長較快，隨著漲潮至一定高度，孔壓增長速率減緩。而退潮后孔隙水壓力的消散，在時間上滯后。

（4）漲潮影響帶來的孔隙水壓力增長速率，明顯快于退潮影響帶來的孔隙水壓力消散速率。

（5）從土體深度上來看，淺層土體內的孔隙水壓力增長或消散的速率較大，而深層的則較小。

表3 不同工況下最大孔壓實測值統計表Tab.3 Measured maximum pore water pressure in different conditions

圖3 漲潮1 m時土體不同深度孔壓變化曲線Fig.3 Pore water pressure curve at different depths in the soil by flood tide 1 m

圖4 漲潮2 m時土體不同深度孔壓變化曲線Fig.4 Pore water pressure curve at different depths in the soil by flood tide 2 m

圖5 漲潮3 m時土體不同深度孔壓變化曲線Fig.5 Pore water pressure curve at different depths in the soil by flood tide 3 m

圖6 退潮1 m時土體不同深度孔壓變化曲線Fig.6 Pore water pressure curve at different depths in the soil by ebb tide 1 m

圖7 退潮2 m時土體不同深度孔壓變化曲線Fig.7 Pore water pressure curve at different depths in the soil by ebb tide 2 m

圖8 退潮3 m時土體不同深度孔壓變化曲線Fig.8 Pore water pressure curve at different depths in the soil by ebb tide 3 m

5 結論

（1）通過實測數據的分析，潮汐引起的海水變化對飽和軟粘土內孔隙水壓力變化影響明顯。

（2）利用有限單元法計算出的孔隙水壓力變化與實測值具有相同的變化規律，有較好的擬合性。

（3）將潮汐帶來的水深變化看做循環荷載或周期荷載，得出的潮汐作用下孔隙水壓力變化規律，對施工加載與同步監測具有指導作用。

（4）通過計算與試驗結果，可以看出潮汐在飽和軟粘土中引起的孔隙水壓力增長與消散較為明顯。因此，在設計及施工過程中，應充分考慮潮汐引起的超孔壓，合理安排施工加載量與加載時間。并且把握加載后第一個低潮位時的危險期，增加觀測工作。

（5）此外，由于在數值模擬計算過程中，為了簡化工況，將潮汐變化引起的水位上升與下降看做是線性變化，另外尚未考慮到波浪力的作用，因此計算的結果與實際情況有一定的差異。這在今后的研究中，需要進一步改進。

［1］向先超，侯劍舒，朱長歧.潮汐作用下淤泥路基固結變形特性研究［J］.巖土力學，2009（4）：1 142-1 146.

XIANG X C，HOU J S，ZHU C Q.Consolidation deformation properties of silt roadbed under effect of tide［J］.Rock and Soil Mechanics，2009（4）：1 142-1 146.

［2］李樹華，吳家虎.國外研究波浪、潮汐、泥沙等問題的數學模型［J］.水道港口，1980（3）：1-21.

LI S H，WU J H.Study abroad about the mathematical model of the waves，tides and sediment［J］.Journal of Waterway and Harbor，1980（3）：1-21.

［3］白冰，周健.周期荷載作用下粘性土變形及強度特性述評［J］.巖土力學，1999（3）：84-90.

BAI B，ZHOU J.Some Problems on Behaviour of Saturated Clay Under Cyclic Loading［J］.Rock and Soil Mechanics，1999（3）：84-90.

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［5］Matsui T.Cyclic stress-strain history and shear characteristics of clay［J］.Journal of the Geotechnical Engineering Division，ASCE，1980，106（10）：1 101-1 120.

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［7］蔣敏敏，蔡正銀，曹培.循環荷載后飽和海相軟粘土不排水靜力試驗研究［J］.水利水運工程學報，2010（2）：79-84.

JIANG M M，CAI Z Y，CAO P.Experimental study of post-cyclic undrained static behavior of saturated soft marine clay［J］.Hydro-Science and Engineering，2010（2）：79-84.

［8］CECS55-93，孔隙水壓力測試規程［S］.

Study on pore water pressure variation in saturated soft clay foundation caused by tide

ZHANG Er-lin1，ZHANG Yu-ting1 ，HUANG Yu-long2
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Tianjin300456，China；2.Tianjin Central Fishery Base Development Co.，Ltd.，Tianjin300457，China）

Aiming at the effect of the tide on the saturated soft clay，the variation of the pore water pressure without construction loading was studied in this paper.With the method of the mathematical model and field measurement,the consistent conclusions were obtained.The suggestion of the construction loading and the safety monitoring were also presented though summarizing the variation of the pore water pressure caused by the tide.

tide；saturated soft clay；pore water pressure

U 641.3；TV 142

A

1005-8443（2012）03-0231-05

2011-09-10；

2012-03-19

天津濱海新區“十大戰役”重大科技項目（2010-BK140001）

張二林（1985-），男，河北省保定人，助理工程師，主要從事巖土工程地基處理監測方面的研究。