潮汐作用下饱和软粘土地基孔隙水压力变化规律研究

张二林，张宇亭，黄玉龙

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津中心渔港开发有限公司，天津 300457）

潮汐作用下饱和软粘土地基孔隙水压力变化规律研究

张二林1，张宇亭1，黄玉龙2

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津中心渔港开发有限公司，天津 300457）

针对潮汐对滨海地区饱和软粘土的影响，尤其是在无施工加载条件下，展开对饱和软粘土中孔隙水压力变化的研究。利用数学模型计算与现场实测相结合的方法，得到了较为一致的结果。通过总结潮汐对饱和软粘土中孔隙水压力变化的影响规律，提出了对施工加载和安全监测的建议。

潮汐；饱和软粘土；孔隙水压力

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

淤泥类软土的广泛分布是沿海地区工程建设中普遍遇到的岩土工程问题。潮汐的变化引起的海水涨落及带来的波浪影响，可以看做是淤泥质土上部的加载——卸载——加载的循环荷载作用。在港口工程建设当中，由于潮汐形成的海水荷载对施工的影响已被认识，但其对饱和软土内孔隙水压力影响规律的研究还不完善。因此在港口水工建筑物施工加载过程中，掌握潮汐对地基饱和软粘土内孔隙水压力变化影响的规律，对合理安排施工加载时间，控制施工进度有指导作用，另外了解潮汐对饱和软粘土内孔隙水压力的影响规律，也可对研究海相软土变形特性、控制其破坏作用打开另一条思路。

1 潮汐变化原理、等同周期荷载或循环荷载机理

潮汐现象是指在引潮力作用下海水所产生的周期性运动。由于海水的涨潮和落潮，对于滨海地区沿海淤泥质滩面来说，可以看作海水加载——卸载——加载的循环往复过程。向先超等［1］在潮汐作用下淤泥路基固结变形特性研究中，利用有限元数学模型计算的方法分析了潮汐、反压护道等对淤泥路基排水固结过程的显著影响。李树华［2］总结了国外研究波浪、潮汐、泥沙问题的数学模型，探究三者之间的关系。另外，一些学者认为可以将潮汐的变化作用，看做是周期荷载或者循环荷载来研究。潮汐作用等同于周期荷载或循环荷载机理，对于周期荷载白冰、周健［3］的周期荷载作用下粘性土变形及强度特性述评中曾总结了国内外的研究现状。周期荷载作用下粘性土性状的研究在国外己取得较多的成果，Andersen等［4］应北海重力式石油平台建设的需要，曾对德勒门（Drammen）粘土进行了系统而广泛的研究。Matsui等［5］的研究则较多地关注孔隙水压力的发展变化，分析了残余孔压与剪应变之间的相互关系以及循环荷载作用历史对剪切特性的影响。Baligh等［6］曾给出一个较为完善的循环荷载作用下的固结理论。

从上述的研究成果可以看出，这些研究多集中于室内试验或者是交通荷载。对于潮汐来说，尚有几点不同。

波浪荷载与地震、交通等动荷载相比具有以下主要特点：周期较长，波浪荷载周期通常达5～20 s荷载持续时间较长，一次大波浪期持续时间达数小时至数十小时；在大波浪荷载作用前己经经受多次小波浪荷载的作用。蒋敏敏等［7］在循环荷载后饱和海相软粘土不排水静力试验研究中，研究了波浪循环荷载作用对饱和海相软粘土不排水静力特性的影响。

2 超孔隙水压力增长引起的土体破坏

饱和软粘土，如淤泥或淤泥质土，由于其含水率大，透水性差，受外力作用压缩变形较大。在上部荷载作用下土体压缩，超孔隙水压力增大，而饱和软土渗透性较差，水来不及排出，容易引起土体的剪切破坏。

而在海水自身重力的作用下，给地基土体施加了一个额外的压力。随着潮汐的变化，加载与卸载的反复进行，超孔压的增长与消散同时变化。对于加载预压施工来说，加载间隙时间的控制，应满足孔隙水压力的消散率达到70%（孔隙水压力的消散率为各级荷载下孔隙水压力消散量累计值与孔隙水压力增量累计值之比）［8］。

从目前较为流行的围堤充填袋施工技术来看，为方便充灌施工，加载多在涨潮至高潮时进行。由于围堤两侧海水的侧向压力相当，地基不易滑动破坏。在退潮后，一方面围堤两侧压力不均，易引起破坏，而另一方面，地基内超孔压来不及消散，地基有效应力较小，使得发生剪切破坏也是一个重要的原因。因此，在加载后的低潮时，是地基易发生滑动破坏的时刻。

因此在计算加载过程中，在控制加载速率与间隙时间上，应考虑潮汐引起的附加压力在不同土体中带来的超孔压的变化。而潮汐引起的孔隙水压力变化的特点与规律正是本文研究的内容。

3 试验点潮汐变化及其等量至荷载

3.1 潮汐与对应水深变化

潮位是某点潮汐海面相对于某一基准面的铅直高度，由于潮位的不停变化，对应海底某点的水深情况也在不停的变化。为了准确测试潮汐引起的海水变化对饱和软粘土的影响，选取试验点位于近海滩涂上，在低潮位时，滩面淤泥质土可完全露出水面。涨潮时，海水位上升，水深变化为0 m、1 m、2 m、3 m，最大水深可达到3 m；退潮时，海水位下降，水深变化为3 m、2 m、1 m、0 m。试验点潮位与水深变化曲线见图1。

3.2 潮汐变化等量至荷载

相对于试验点的原海床土体来说，潮汐引起海水上升和下降的过程可以等量成荷载。由于海水上升和下降需一定过程，所以在试验点选择时，选取受风浪影响较小的港池区，这样在数值计算过程中，不考虑波浪力带来的作用，仅将海水等量成荷载，研究海水重力作用下对海床软土体的影响作用。

根据实测资料，试验点附近海水密度为1 024 kg/m3，换算为荷载，潮汐变化对软土形成不同加载，最大值可达到约30 kPa。如果在施工期间，潮水达到最高值，这部分荷载相当于额外加载，其影响不可忽视。尤其在饱和软粘土上作用，由于排水困难，超孔隙水压力值增长将带来危害。

图1 试验点潮位（水深）变化曲线图Fig.1 Tidal level（water depth）variation curve of experimental sites

4 潮汐作用下土体内孔隙水压力变化特点

4.1 潮汐作用下土体内孔隙水压力数值模拟变化

4.1.1 数学模型的建立

软土地基沉降、堤基土体固结、孔隙水的渗透三者密不可分，孔隙水的排出，超静孔压消散引起土体固结，进而导致地基沉降。因此，从力学本质上来说，海堤的固结、沉降、渗流应属于流固耦合分析理论范畴。本次模拟由于试验点附近受风浪影响较小，为了简化计算，仅考虑水位上升和下降产生的静水压力变化带来的影响。

基于Biot固结理论流固耦合分析理论，以孔压作为未知量，统一从应力场和渗流场的角度来模拟实际加载、排水固结条件。

本次数值模拟土体采用修正剑桥本构模型，采用基于Biot固结理论流固耦合分析理论有限元进行分析，主要计算公式如下

Biot固结基本方程

修正剑桥软粘土本构关系模型

利用伽辽金有限差分法可以将式（2）表现为有限元单元方程形式，再分别对时间积分，就构成了基于Biot固结理论二维平面有限元计算理论。

4.1.2 模型参数的选取

有限元数值模拟土体本构模型参数主要包括常规土体物理力学指标和推导换算参数两类，修正剑桥模型除常规物理力学指标外，还包括M，Γ，λ，κ4个特征参数。对于修正剑桥模型，特征参数M，Γ，λ，κ计算公式如下

本次有限元数值模拟土体参数选取如表1所示。

表1 有限元计算模型参数表Tab.1 Finite element model parameters

4.1.3 计算结果演示与分析

本次有限元数值模拟工况为：土体不同深度（本次数值模拟选用3 m）在水位上升和下降的情况下土体的变形和孔隙水压力的变化情况。计算选用水位变化如下0 m、1 m、2 m、3 m、2 m、1 m、0 m，根据实际潮位观测，潮汐涨落历时12 h，本次模拟每次潮位涨落均按线性考虑（表2）。

4.2 潮汐作用下土体内孔隙水压力实测变化

为了准确测试潮汐作用引起的饱和软粘土中孔压的变化，选取试验点位于滨海滩涂，靠近海堤位置，受潮水影响明显，在深度3 m范围内，土体性质为典型的滨海相淤泥质软土。在退潮至最低潮位时，滩面可以露出；在涨潮至最高潮位时，水深可达到3 m，潮汐的变化对淤泥质土中的孔隙水压力变化影响效果较为突出。

根据实测情况，将不同潮位变化下土体不同深度的孔隙水压力进行统计（表3）。

表2 不同工况下最大孔压计算值统计表Tab.2 Calculated maximum pore water pressure in different conditions

4.3 研究结果对比

深度为1 m、2 m、3 m的土体内孔隙水压力，在不同潮汐引起的海水作用下发生变化，将计算值与实测值进行对比，对比曲线见图3～图8。

4.4 试验结果分析

（1）涨潮与退潮作用影响带来孔隙水压力变化，其实测值与数值模拟计算值较为接近，曲线拟合较好。

（2）涨潮引起孔隙水压力增长，退潮引起孔隙水压力下降。

（3）涨潮初期孔隙水压力增长较快，随着涨潮至一定高度，孔压增长速率减缓。而退潮后孔隙水压力的消散，在时间上滞后。

（4）涨潮影响带来的孔隙水压力增长速率，明显快于退潮影响带来的孔隙水压力消散速率。

（5）从土体深度上来看，浅层土体内的孔隙水压力增长或消散的速率较大，而深层的则较小。

表3 不同工况下最大孔压实测值统计表Tab.3 Measured maximum pore water pressure in different conditions

图3 涨潮1 m时土体不同深度孔压变化曲线Fig.3 Pore water pressure curve at different depths in the soil by flood tide 1 m

图4 涨潮2 m时土体不同深度孔压变化曲线Fig.4 Pore water pressure curve at different depths in the soil by flood tide 2 m

图5 涨潮3 m时土体不同深度孔压变化曲线Fig.5 Pore water pressure curve at different depths in the soil by flood tide 3 m

图6 退潮1 m时土体不同深度孔压变化曲线Fig.6 Pore water pressure curve at different depths in the soil by ebb tide 1 m

图7 退潮2 m时土体不同深度孔压变化曲线Fig.7 Pore water pressure curve at different depths in the soil by ebb tide 2 m

图8 退潮3 m时土体不同深度孔压变化曲线Fig.8 Pore water pressure curve at different depths in the soil by ebb tide 3 m

5 结论

（1）通过实测数据的分析，潮汐引起的海水变化对饱和软粘土内孔隙水压力变化影响明显。

（2）利用有限单元法计算出的孔隙水压力变化与实测值具有相同的变化规律，有较好的拟合性。

（3）将潮汐带来的水深变化看做循环荷载或周期荷载，得出的潮汐作用下孔隙水压力变化规律，对施工加载与同步监测具有指导作用。

（4）通过计算与试验结果，可以看出潮汐在饱和软粘土中引起的孔隙水压力增长与消散较为明显。因此，在设计及施工过程中，应充分考虑潮汐引起的超孔压，合理安排施工加载量与加载时间。并且把握加载后第一个低潮位时的危险期，增加观测工作。

（5）此外，由于在数值模拟计算过程中，为了简化工况，将潮汐变化引起的水位上升与下降看做是线性变化，另外尚未考虑到波浪力的作用，因此计算的结果与实际情况有一定的差异。这在今后的研究中，需要进一步改进。

［1］向先超，侯剑舒，朱长歧.潮汐作用下淤泥路基固结变形特性研究［J］.岩土力学，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］李树华，吴家虎.国外研究波浪、潮汐、泥沙等问题的数学模型［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.周期荷载作用下粘性土变形及强度特性述评［J］.岩土力学，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.

［4］Andersen K H.Cyclic and static laboratory tests on drammen clay［J］.Journal of the Geotechnical Engineering Division，ASCE，1980，106（5）：499-529.

［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.

［6］Baligh M M.Consolidation theory for cyclic loading［J］.Journal of the Geotechnical Engineering Division，ASCE，1978，104（Gt4）：415-431.

［7］蒋敏敏，蔡正银，曹培.循环荷载后饱和海相软粘土不排水静力试验研究［J］.水利水运工程学报，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，孔隙水压力测试规程［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

天津滨海新区“十大战役”重大科技项目（2010-BK140001）

张二林（1985-），男，河北省保定人，助理工程师，主要从事岩土工程地基处理监测方面的研究。