<aside> 💡 В заметке рассматривается проблема получения параметров прочности в эффективных напряжениях. Эта проблема часто встречается в проектах пользователей PLAXIS, которые хотят использовать тип поведения Undrained A.

</aside>

При выполнении расчетов на основе анализа в эффективных напряжениях возникает потребность в определении эффективного (дренированного) угла внутреннего трения $φ'$. Получить его можно по результатам трехосных консолидированно-дренированных (КД) или консолидированно-недренированных (КН) испытаний. Но для слабых грунтов, у которых показатель текучести $I_L$ > 0.5, затруднительно получение эффективного угла трения на практике. Это связано с необходимостью приведения результатов испытаний в соответствие с таблицей СП 22.13330, что «требует» экспертиза. Однако в таблице СП приведены не эффективные параметры, а прочностные характеристики, которые зависят от влажности (через $I_L$) и плотности (через $e$), и они не являются эффективными параметрами.

Попробуем представить слабый грунт, который поместили в прибор трехосного сжатия и выполнили консолидированно-дренированное (КД) испытание. Это означает, что каждое небольшое увеличение давления на образец вызывало бы ответную реакцию — избыточное поровое давление, которое необходимо было исключить, то есть выждать достаточное для его рассеивания время. Опыт достаточно длительный и требует тщательного контроля отсутствия порового давления. Тогда после его завершения выжатый таким медленным обжатием образец превратится в «камень», то есть твердый материал. Полученное при обработке результатов значение угла внутреннего трения $φ'$ (дренированного в эффективных напряжениях) соответствует трению в таких сухом и твердом образцах! Естественно, коэффициент трения $f$ = tg($φ'$) достаточно высокий. Это наглядно видно на рисунке ниже, где поверхность разрушения образца (справа) проходит под углом, близким к $φ'$.

<aside> 💡 Отметим, что такое сопоставление наклона главной площадки и угла трения достаточно условное и приводится исключительно для иллюстрации факта, который сложно принять без подготовки (речь о высоком угле трения у слабых грунтов). Однако строгий теоретический подход покажет, что угол наклона площадки среза может быть гораздо выше эффективного угла трения.

</aside>

Общепринятое представление об угле трения в слабом грунте относится к его нестабилизированному состоянию (слабый грунт), а эффективный угол трения характеризует стабилизированное состояние (твердый, уплотненный консолидацией грунт).

Принципиальная разница двух вариантов интерпретации результатов испытаний прочностных характеристик показана на рисунке ниже.

В таблицах СП и нормативных документах на испытания так или иначе заложен принцип плотности-влажности, т. е. прочностные характеристики зависят от влажности или, как в СП, от коэффициента пористости (плотности) и показателя текучести (влажности). В таком случае сцепление и трение — это переменные величины в зависимости от консистенции грунтов.

Интерпретация результатов в эффективных напряжениях показывает, как правило, достаточно высокие значения угла трения и относительно низкое сцепление. Этот подход предполагает постоянные значения $φ'$ и $c'$.

Необходимо помнить:

Этот факт вызывает ряд практических проблем:

• Использование «неправильных» исходных данных ($c_w$ и $φ_w$) из таблиц СП или ($c_{нач}$ и $φ_{нач}$) из результатов быстрого (неконсолидированного) среза в типе поведения Undrained A, который основан на эффективных дренированных параметрах прочности $φ'$ и $с'$.
• Заложенное в программу автоматическое определение параметра природного напряженного состояния $K_{0NC}$, который определяется по формуле Jaky в зависимости от эффективного дренированного угла трения $φ'$, а не табличных значений СП. См. подробнее — Природное напряжённое состояние. Расчёт Initial phase.
• Проблема использования традиционной прочности в виде параметров трения и сцепления в зависимости от влажности (таблицы нормативных документов) вместо описанных вариантов анализов в полных и эффективных напряжениях кратко на примере показана здесь: Практическая проблема использования прочности по теории плотности-влажности вместо недренированного сопротивления сдвигу.

О том, как можно, задав значения эффективной дренированной прочности $φ'$ и $c'$, получить в расчете нестабилизированное состояние (т. е. вернуться от «камня» к слабому грунту) можно посмотреть в заметке Undrained A. Механизм работы.

Как выполнить проверку корректности такого перехода, показано в видеоролике: Калибровка параметров прочности моделей при численном моделировании слабых оснований

Необходимость выполнять анализ в эффективных напряжениях связана с возможностью универсального типа поведения по условиям дренирования Undrained (А) учесть изменения прочности до консолидации (нестабилизированное состояние), после консолидации (стабилизированное состояние) и в любой момент времени в процессе консолидации. Следует отметить, что аналитический подход предполагает отдельную оценку каждого состояния и не связанный с ними расчет времени консолидации. Обычно выполняется расчет устойчивости до консолидации с низкими значениями прочностных характеристик, затем расчет в стабилизированном состоянии (в транспортной отрасли с нагрузкой) с использованием уже высоких параметров прочности и отдельный независимый (только параметры жесткости и скорости фильтрации) расчет времени консолидации. См. также: Вебинар «PLAXIS как инструмент расчёта грунтовых сооружений на слабых основаниях» и ответы на вопросы (24.03.2021).

Однако такой подход весьма условный — он не позволяет учесть влияние прочности на процесс консолидации, подобрать темп строительства и получить контрольные значения для мониторинга отсыпки. Решить эти проблемы можно с помощью универсального типа поведения Undrained A. Но тип поведения Undrained (А) требует введения эффективной прочности в виде $φ'$ и $c'$.