В теории известно, что полные напряжения складываются из порового давления и эффективных напряжений в скелете грунта. Изменение порового давления определяет изменение эффективных напряжений, при этом полные остаются неизменными. Таким образом, выполнение расчетов на основе эффективных напряжений считаются более достоверным способом оценки.
В практике геотехнических расчетов используют два подхода к оценке слабых оснований:
Оба подхода позволяют учесть упрочнение грунта при консолидации — см. Учёт упрочнения грунтов при консолидации в PLAXIS. В нашей стране в силу использования упрощенного подхода к испытаниям в приборах одноплоскостного среза (упразднено в ГОСТ 12248 редакции 2020 г.) нестабилизированное состояние принято оценивать через результаты быстрого среза ($c_{нач}$ и $φ_{нач}$) вместо более корректной величины недренированной прочности $C_u$.
В механике грунтов (геотехнике) существуют различные гипотезы, на основании которых построены теории расчетов. Рассмотрим одну их них подробнее. Она основана на эффективных напряжениях (напряжения в скелете грунта) и оперирует дренированной прочностью: Эффективный (дренированный) угол внутреннего трения.
Как пишет в своей статье Andrew Schofield, один из корифеев современной механики грунтов, профессор Кембриджского университета и один из основателей механики грунтов критического состояния (CSSM), которая все больше внедряется в практику: «... можно ли использовать теорию К. Терцаги (1943 г) сегодня в 21 веке? Революционная для механики грунтов и геотехники идея о том, что сцепление является фиктивной величиной (для переуплотненных грунтов — зацепление), а Терцаги и Хврослев неверно истолковали полученные данные...». Профессор Schofield уверен в механике критического состояния и подтверждает своё мнение многолетними испытаниями на центрифуге.
Статья Schofield
В основе механики критического состояния грунтов лежит идея о фундаментальном (универсальном) свойстве — прочности в критическом состоянии, которая не зависит от плотности сложения. Точка остановки опыта принимается по графику взаимной зависимости объемной и осевой деформации, который показывает постоянство объема, что и соответствует критической пористости грунта.
Критерии для определения прочности в трехосном испытании: в ГОСТ 12248 принято 15% осевой деформации. Кроме того, есть критерии по максимуму девиатора (пиковая прочность) или по максимуму соотношения главных напряжений
Интерпретированный таким образом угол трения критического состояния не зависит от плотности сложения грунта и потому является универсальной величиной, обеспечивающей возможность описания более широкого диапазона работы грунтового основания.
Наглядное преимущество интерпретации прочности в эффективных напряжениях показано в статье P.W. Mayne: Поведение геоматериалов и геотехнические испытания.
Испытания глин показывают, что в обычном представлении в виде графика зависимости осевой деформации от сопротивления сдвигу влияние параметров отбора образцов (высококачественный грунтонос JPN; стандартный грунтонос ELE; диаметр керна) приводит к разбросу величины сопротивления сдвигу: пиковая прочность от 30–42 кПа до 22–30 кПа, соответственно.
Результаты анизотропно-консолидированных трехосных испытаний для глин: слева — Bothkennar (Tanaka 2000); справа — Lierstrande (Lunne et al. 2006)
В то же время интерпретация этих результатов в эффективной системе напряжений показывает, что все траектории для каждого из опытов стремятся к одной и той же предельной огибающей, определенной эффективным углом внутреннего трения $φ’$.
Траектории эффективных напряжений для глины: слева — Bothkennar; справа — Lierstrande
Эффективный дренированный угол внутреннего трения показывает более стабильные результаты и не зависит от скорости деформаций, а чаще всего является функцией числа пластичности. Таким образом, использование эффективной системы напряжений позволяет в какой-то мере компенсировать низкое качество образцов и результатов их результатов, что в реалиях выполнения инженерных изысканий является весьма важным аспектом.
Наглядно результаты трех основных типов трехосных испытаний показаны на рисунке в виде кругов Мора разного диаметра. При этом круги в полных напряжениях, полученные в результате недренированных испытаний по схеме НН и КН, могут быть транспонированы (смещены) в круги эффективных напряжений (смещение на величину порового давления). В такой постановке (системе эффективных координат) все круги могут быть описаны одной предельной огибающей с эффективными параметрами прочности $φ'$ и $c'$.
Трехосные испытания