Wave-induced pore pressures and effective stresses in a porous bed

Abstract

A general theory for the pore pressures and effective stresses induced in a porous bed by ocean waves is developed. The pore fluid as well as the soil skeleton are considered compressible and the flow in the porous bed is assumed governed by Darcy's Law for an anisotropic medium. The general solution methods for a homogeneous bed of arbitrary thickness as well as for a horizontally layered bed are presented. Explicit solutions for pore pressures and effective stresses are given for an infinite homogeneous bed. The nature of these solutions' dependency on relative compressibility of pore fluid and soil skeleton, soil permeability and hydraulic anisotropy is examined in detail and illustrated by example calculations. It is found that an extremely simple form of the general solution is appropriate in most cases when the bed consists of soils finer than medium sand. The geotechnical implications of the wave-induced effective stresses are discussed in some detail. It is found that storm waves may induce stresses in cohesionless soils as well as in normally consolidated clays approaching or exceeding failure conditions. Une théorie général est développée pour les pressions interstitielle et les contraintes effectives produites dans une couche poreuse par les vagues de l'océan. Le fluide du pore ainsi que le squelette du sol sont considérés comme compressibles et l'écoulement dans le lit poreux est gouverné par la Loi de Darcy pour un milieu anisotrope. Les méthodes de solution générale sont présentées pour un lit homogène d'une épaisseur arbitraire ainsi que pour un lit à couches horizontales. Des solutions explicites pour des pressions interstitielles et des contraintes effectives sont données pour un lit homogène infini. La nature de la relation de ces solutions avec la compressibilité relative du fluide du pore et du squelette du sol, la perméabilité du sol et l'anisotropie hydraulique est examinée en détail et illustrée par des exemples de calculs. On constate qu'une forme extrêmement simple de la solution générale est appropriée dans la plupart des cas où le lit est constitué par un sol plus fin qu'un sable moyen. Les conséquences géotechniques des contraintes effectives produites par les vagues sont présentées en détail. On constate que les vagues de tempête peuvent produire des contraintes dans des sols non cohérents aussi bien que dans des argiles normalement consolidées approchant ou dépassant les conditions de rupture.