Wave-induced stresses in unsaturated submarine sediments

Abstract

A simple method to solve the problem of pore pres-sure and effective stresses induced by harmonic waves in a poroelastic sediment is presented by using Biot's equation and a compatibility condition for elasticity. The sediment is assumed to obey the effective stress principle in the normal definition for saturated sedi-ments, although it may contain gas bubbles occluded in the porewater. The governing equation is a fourth-order partial differential equation in terms of pore pressure or effective mean normal stress. The solutions contain Skempton's pore pressure coefficient B. For unsaturated sediments, with B < 1, the pore pressure and effective stresses induced by wave action consist of two parts. One part depends only on the wavelength and the other part depends on both the sediment and the wave characteristics. The second part is out of phase with the wave. When the submarine sediment is unsaturated, the wave-induced negative effective nor- mal stresses become greater under the trough of waves. A zone where the in situ vertical effective normal stress or the in situ effective mean normal stress becomes zero is formed in a gas-laden sediment under certain wave conditions. The coefficient B plays a role in controlling the wave-induced instability of submarine sediments. Une methode tres simple pour résoudre le problème de la pression interstitielle et des contraintes effectives ind uites par des vagues harmoniques dans un sédiment poroétlastique est présentée à l'aide de l'equation de Biot et dune condition de compatibilité pour l'tlasticitt. On admet que le sediment obtit au prin-cipe de la contrainte effective dans la definition nor-male pour les sédiments saturts, bien qu'il puisse contenir des bulles de gaz incluses dans l'eau inter-stitielle. l'equation dominante est une équation par-tielle difftrentielle d'ordre 4 en termes de pression interstitielle ou de contrainte normale moyenne effec-tive. Les solutions contiennent le coefficient B de pression interstitielle de Skempton. Pour les sédiments non-saturés avec B < 1 la pression interstitielle et les contraintes effectives induite par l'action des vagues comportent en deux parties. Une partie ne dépend que de la longeur d'onde, tandis que l'autre partie dépend a la fois du sediment et des caracteristiques des vag-ues. La deuxieme partie est déphasée par rapport à la vague. Lorsque le sédiment est non-saturé les con-traintes normales effectives négatives induites par les vagues s'accroissent sous les points-bas des vagues. Sous de certaines conditions des vagues une zone se forme dans un sediment charge de gaz oti la contrainte normale effective verticale ou bien la contrainte nor-male moyenne effective en place est réduite à zéro. Le coefficient B jôue un role dans le contrôle de l'instabilité des sédiments sousmarins induite par les vagues.