潮汐作用下飽和軟粘土地基孔隙水壓力變化規(guī)律研究

張二林，張宇亭，黃玉龍

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津中心漁港開發(fā)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(guī)律研究

張二林1，張宇亭1，黃玉龍2

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

針對(duì)潮汐對(duì)濱海地區(qū)飽和軟粘土的影響，尤其是在無施工加載條件下，展開對(duì)飽和軟粘土中孔隙水壓力變化的研究。利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，得到了較為一致的結(jié)果。通過總結(jié)潮汐對(duì)飽和軟粘土中孔隙水壓力變化的影響規(guī)律，提出了對(duì)施工加載和安全監(jiān)測(cè)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(qū)工程建設(shè)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(zhì)土上部的加載——卸載——加載的循環(huán)荷載作用。在港口工程建設(shè)當(dāng)中，由于潮汐形成的海水荷載對(duì)施工的影響已被認(rèn)識(shí)，但其對(duì)飽和軟土內(nèi)孔隙水壓力影響規(guī)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(duì)地基飽和軟粘土內(nèi)孔隙水壓力變化影響的規(guī)律，對(duì)合理安排施工加載時(shí)間，控制施工進(jìn)度有指導(dǎo)作用，另外了解潮汐對(duì)飽和軟粘土內(nèi)孔隙水壓力的影響規(guī)律，也可對(duì)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(huán)荷載機(jī)理

潮汐現(xiàn)象是指在引潮力作用下海水所產(chǎn)生的周期性運(yùn)動(dòng)。由于海水的漲潮和落潮，對(duì)于濱海地區(qū)沿海淤泥質(zhì)灘面來說，可以看作海水加載——卸載——加載的循環(huán)往復(fù)過程。向先超等［1］在潮汐作用下淤泥路基固結(jié)變形特性研究中，利用有限元數(shù)學(xué)模型計(jì)算的方法分析了潮汐、反壓護(hù)道等對(duì)淤泥路基排水固結(jié)過程的顯著影響。李樹華［2］總結(jié)了國(guó)外研究波浪、潮汐、泥沙問題的數(shù)學(xué)模型，探究三者之間的關(guān)系。另外，一些學(xué)者認(rèn)為可以將潮汐的變化作用，看做是周期荷載或者循環(huán)荷載來研究。潮汐作用等同于周期荷載或循環(huán)荷載機(jī)理，對(duì)于周期荷載白冰、周?。?］的周期荷載作用下粘性土變形及強(qiáng)度特性述評(píng)中曾總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。周期荷載作用下粘性土性狀的研究在國(guó)外己取得較多的成果，Andersen等［4］應(yīng)北海重力式石油平臺(tái)建設(shè)的需要，曾對(duì)德勒門（Drammen）粘土進(jìn)行了系統(tǒng)而廣泛的研究。Matsui等［5］的研究則較多地關(guān)注孔隙水壓力的發(fā)展變化，分析了殘余孔壓與剪應(yīng)變之間的相互關(guān)系以及循環(huán)荷載作用歷史對(duì)剪切特性的影響。Baligh等［6］曾給出一個(gè)較為完善的循環(huán)荷載作用下的固結(jié)理論。

從上述的研究成果可以看出，這些研究多集中于室內(nèi)試驗(yàn)或者是交通荷載。對(duì)于潮汐來說，尚有幾點(diǎn)不同。

波浪荷載與地震、交通等動(dòng)荷載相比具有以下主要特點(diǎn)：周期較長(zhǎng)，波浪荷載周期通常達(dá)5～20 s荷載持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一次大波浪期持續(xù)時(shí)間達(dá)數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)；在大波浪荷載作用前己經(jīng)經(jīng)受多次小波浪荷載的作用。蔣敏敏等［7］在循環(huán)荷載后飽和海相軟粘土不排水靜力試驗(yàn)研究中，研究了波浪循環(huán)荷載作用對(duì)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(zhǎng)引起的土體破壞

飽和軟粘土，如淤泥或淤泥質(zhì)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(gè)額外的壓力。隨著潮汐的變化，加載與卸載的反復(fù)進(jìn)行，超孔壓的增長(zhǎng)與消散同時(shí)變化。對(duì)于加載預(yù)壓施工來說，加載間隙時(shí)間的控制，應(yīng)滿足孔隙水壓力的消散率達(dá)到70%（孔隙水壓力的消散率為各級(jí)荷載下孔隙水壓力消散量累計(jì)值與孔隙水壓力增量累計(jì)值之比）［8］。

從目前較為流行的圍堤充填袋施工技術(shù)來看，為方便充灌施工，加載多在漲潮至高潮時(shí)進(jìn)行。由于圍堤兩側(cè)海水的側(cè)向壓力相當(dāng)，地基不易滑動(dòng)破壞。在退潮后，一方面圍堤兩側(cè)壓力不均，易引起破壞，而另一方面，地基內(nèi)超孔壓來不及消散，地基有效應(yīng)力較小，使得發(fā)生剪切破壞也是一個(gè)重要的原因。因此，在加載后的低潮時(shí)，是地基易發(fā)生滑動(dòng)破壞的時(shí)刻。

因此在計(jì)算加載過程中，在控制加載速率與間隙時(shí)間上，應(yīng)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(diǎn)與規(guī)律正是本文研究的內(nèi)容。

3 試驗(yàn)點(diǎn)潮汐變化及其等量至荷載

3.1 潮汐與對(duì)應(yīng)水深變化

潮位是某點(diǎn)潮汐海面相對(duì)于某一基準(zhǔn)面的鉛直高度，由于潮位的不停變化，對(duì)應(yīng)海底某點(diǎn)的水深情況也在不停的變化。為了準(zhǔn)確測(cè)試潮汐引起的海水變化對(duì)飽和軟粘土的影響，選取試驗(yàn)點(diǎn)位于近海灘涂上，在低潮位時(shí)，灘面淤泥質(zhì)土可完全露出水面。漲潮時(shí)，海水位上升，水深變化為0 m、1 m、2 m、3 m，最大水深可達(dá)到3 m；退潮時(shí)，海水位下降，水深變化為3 m、2 m、1 m、0 m。試驗(yàn)點(diǎn)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(duì)于試驗(yàn)點(diǎn)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(yàn)點(diǎn)選擇時(shí)，選取受風(fēng)浪影響較小的港池區(qū)，這樣在數(shù)值計(jì)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(duì)海床軟土體的影響作用。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，試驗(yàn)點(diǎn)附近海水密度為1 024 kg/m3，換算為荷載，潮汐變化對(duì)軟土形成不同加載，最大值可達(dá)到約30 kPa。如果在施工期間，潮水達(dá)到最高值，這部分荷載相當(dāng)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(zhǎng)將帶來危害。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)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(nèi)孔隙水壓力變化特點(diǎn)

4.1 潮汐作用下土體內(nèi)孔隙水壓力數(shù)值模擬變化

4.1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

軟土地基沉降、堤基土體固結(jié)、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(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致地基沉降。因此，從力學(xué)本質(zhì)上來說，海堤的固結(jié)、沉降、滲流應(yīng)屬于流固耦合分析理論范疇。本次模擬由于試驗(yàn)點(diǎn)附近受風(fēng)浪影響較小，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮水位上升和下降產(chǎn)生的靜水壓力變化帶來的影響。

基于Biot固結(jié)理論流固耦合分析理論，以孔壓作為未知量，統(tǒng)一從應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的角度來模擬實(shí)際加載、排水固結(jié)條件。

本次數(shù)值模擬土體采用修正劍橋本構(gòu)模型，采用基于Biot固結(jié)理論流固耦合分析理論有限元進(jìn)行分析，主要計(jì)算公式如下

Biot固結(jié)基本方程

修正劍橋軟粘土本構(gòu)關(guān)系模型

利用伽遼金有限差分法可以將式（2）表現(xiàn)為有限元單元方程形式，再分別對(duì)時(shí)間積分，就構(gòu)成了基于Biot固結(jié)理論二維平面有限元計(jì)算理論。

4.1.2 模型參數(shù)的選取

有限元數(shù)值模擬土體本構(gòu)模型參數(shù)主要包括常規(guī)土體物理力學(xué)指標(biāo)和推導(dǎo)換算參數(shù)兩類，修正劍橋模型除常規(guī)物理力學(xué)指標(biāo)外，還包括M，Γ，λ，κ4個(gè)特征參數(shù)。對(duì)于修正劍橋模型，特征參數(shù)M，Γ，λ，κ計(jì)算公式如下

本次有限元數(shù)值模擬土體參數(shù)選取如表1所示。

表1 有限元計(jì)算模型參數(shù)表Tab.1 Finite element model parameters

4.1.3 計(jì)算結(jié)果演示與分析

本次有限元數(shù)值模擬工況為：土體不同深度（本次數(shù)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(jì)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(jù)實(shí)際潮位觀測(cè)，潮汐漲落歷時(shí)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(nèi)孔隙水壓力實(shí)測(cè)變化

為了準(zhǔn)確測(cè)試潮汐作用引起的飽和軟粘土中孔壓的變化，選取試驗(yàn)點(diǎn)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(nèi)，土體性質(zhì)為典型的濱海相淤泥質(zhì)軟土。在退潮至最低潮位時(shí)，灘面可以露出；在漲潮至最高潮位時(shí)，水深可達(dá)到3 m，潮汐的變化對(duì)淤泥質(zhì)土中的孔隙水壓力變化影響效果較為突出。

根據(jù)實(shí)測(cè)情況，將不同潮位變化下土體不同深度的孔隙水壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表3）。

表2 不同工況下最大孔壓計(jì)算值統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Calculated maximum pore water pressure in different conditions

4.3 研究結(jié)果對(duì)比

深度為1 m、2 m、3 m的土體內(nèi)孔隙水壓力，在不同潮汐引起的海水作用下發(fā)生變化，將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比曲線見圖3～圖8。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

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

（2）漲潮引起孔隙水壓力增長(zhǎng)，退潮引起孔隙水壓力下降。

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

（4）漲潮影響帶來的孔隙水壓力增長(zhǎng)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(nèi)的孔隙水壓力增長(zhǎng)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(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Measured maximum pore water pressure in different conditions

圖3 漲潮1 m時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jié)論

（1）通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，潮汐引起的海水變化對(duì)飽和軟粘土內(nèi)孔隙水壓力變化影響明顯。

（2）利用有限單元法計(jì)算出的孔隙水壓力變化與實(shí)測(cè)值具有相同的變化規(guī)律，有較好的擬合性。

（3）將潮汐帶來的水深變化看做循環(huán)荷載或周期荷載，得出的潮汐作用下孔隙水壓力變化規(guī)律，對(duì)施工加載與同步監(jiān)測(cè)具有指導(dǎo)作用。

（4）通過計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果，可以看出潮汐在飽和軟粘土中引起的孔隙水壓力增長(zhǎng)與消散較為明顯。因此，在設(shè)計(jì)及施工過程中，應(yīng)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(shí)間。并且把握加載后第一個(gè)低潮位時(shí)的危險(xiǎn)期，增加觀測(cè)工作。

（5）此外，由于在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，為了簡(jiǎn)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(jì)算的結(jié)果與實(shí)際情況有一定的差異。這在今后的研究中，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

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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?yàn)I海新區(qū)“十大戰(zhàn)役”重大科技項(xiàng)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(jiān)測(cè)方面的研究。