A COMPARISON OF FINITE ELEMENT SLOPE STABILITY ANA

ACOMPARISONOFFINITEELEMENTSLOPESTABILITYANALYSISWITHCONVENTIONALLIMIT-EQUILIBRIUMINVESTIGATIONReginaldHammah,RocscienceInc.,Toronto,CanadaThamerYacoub,RocscienceInc.,Toronto,CanadaBrentCorkum,RocscienceInc.,Toronto,CanadaJohnCurran,LassondeInstitute,UniversityofToronto,Toronto,CanadaABSTRACTIntheassessmentofslopes,factorofsafetyvaluesstillremaintheprimaryindexesfordetermininghowcloseorfarslopesarefromfailure.Traditionallimit-equilibriumtechniquesarethemostcommonly-usedanalysismethods.Recently,however,thesignificantcomputingandmemoryresourcestypicallyavailabletothegeotechnicalengineer,combinedwithlowcosts,havemadetheFiniteElementMethod(FEM)apowerful,viablealternative.TheShearStrengthReduction(SSR)techniqueenablestheFEMtocalculatefactorsofsafetyforslopes.Themethodenjoysseveraladvantagesincludingtheabilitytopredictstressesanddeformationsofsupportelements,suchaspiles,anchorsandgeotextiles,atfailure.DespitetheSSRfiniteelementtechnique’smanybenefits,ithasnotreceivedwidespreadadoptionamonggeotechnicalengineersforroutineslopestabilityanalysis.Thiscouldbeprobablyduetotheverylimitedexperienceengineershavehadwiththetoolforslopestabilityanalysis,andlimitedpublishedinformationonthequality/accuracyofitsresults.Tohelpchangethissituationthispaperwillcomparethemethod’sperformancetothoseofthemostwidelyusedlimit-equilibriummethodsonabroadrangeofslopecases.TheSSR’sperformancewillbetestedonabout30slopeexamples,whichhavebeenreportedinliteratureandhavebeenusedbysoftwaredeveloperstoverifytheresultsoftraditionalslopestabilityprograms.RÉSUMÉDansl'évaluationdesrisquesd’instabilitédespentes,onutiliseencoreaujourd’huidesindexesempiriquesdesûretépourdéterminerlacriticitéetlarupture.Lestechniquestraditionnelles,fondéessurlanotiondelimited’équilibre,sontlesméthodesd'analyselesplusgénéralementutiliséespourcefaire.Cependant,lespouvoirsdecalculnumériquesengénéraldisponiblesàl'ingénieurgéotechnique,combinéavecdebascoûts,ontrécemmentpermisauxméthodesfondéessurlescalculsd’élémentsfinis(FEM)dedevenirunealternativepuissanteetviable.Latechniquedelaréductionderésistanceaucisaillement(SSR)permetauFEMdecalculerdesfacteursdesûretépourunepente.Laméthodecomporteplusieursavantages,commeparexemplelacapacitédeprévoirlescontraintesetlesdéformationsdesélémentsdesoutien,telsquelespiliers,lesancresouautregéotextilesaumomentdelarupture.EndépitdesnombreuxavantagesdescalculsfondéssurlesélémentsfinisetdelatechniqueSSR,cettedernièren’aétéadoptéquepartrèspeud’ingénieursgéotechniquesdanslecasdel’évaluationdelastabilitédespentes.Cecipeutprobablementêtremissurlecompted’uneexpériencetrèslimitéedesingénieursaveclesméthodesnumériquesd'analysedestabilitédepente,etlepeud'informationpubliéesurlaqualitéoul’exactitudedeleursrésultats.C’estdanslebutderemédieràcettesituationquecetarticlecomparelaméthodeSSRàcellesdelimite-équilibrelespluslargementrépandues.CettecomparaisonportesurunelargegammedepenteetlesrésultatsdelaméthodeSSRsontexaminéssurenviron30exemplesdifférentsdepente,rapportéesdanslalittérature.Cesexemplesontpermisauxinformaticiensprogrammateursdevérifierlesrésultatsdesprogrammesdestabilitédepentetraditionnels.1.INTRODUCTIONIntheassessmentofslopes,engineersprimarilyusefactorofsafetyvaluestodeterminehowcloseorfarslopesarefromfailure.Conventionallimit-equilibriumtechniquesarethemostcommonly-usedanalysismethods.Recently,however,thesignificantcomputingandmemoryresourcesavailabletothegeotechnicalengineer,combinedwithlowcosts,havemadetheFiniteElementMethod(FEM)apowerful,viablealternative.TheShearStrengthReduction(SSR)technique[Dawsonetal,1999,GriffithandLane,1999,Hammahetal,2004]enablestheFEMtocalculatefactorsofsafetyforslopes.Themethodenjoysseveraladvantagesincludingtheabilitytopredictstressesanddeformationsofsupportelements,suchaspiles,anchorsandgeotextiles,atfailure.Aswellthetechniquemakesitpossibletovisualizethedevelopmentoffailuremechanisms.Advancesinprograminterfacesandcompetitivecomputationaltimeshelpaccountforthemethod’sattractiveness.DespitetheSSRfiniteelementtechnique’smanybenefits,ithasnotreceivedwidespreadadoptionamonggeotechnicalengineersforroutineslopestabilityanalysis.Intheauthors’opinionthisisprimarilyduetotheverylimitedexperienceengineershavehadwiththetoolforslopestabilityanalysis,andthelimitedpublishedinformationonthequality/accuracyofitsresults.ToimproveconfidenceintheSSRtechnique,thispaperwillcomparethemethod’sperformancetothoseofwell-establishedlimit-equilibriummethodsonabroadrangeofslopecases.Thesecaseshaveallbeenreportedinliterature,andhavebeenusedtoverifytheresultsofsomeslopestabilityprograms{Rocscience2003].SinceFEMslopestabilityanalysisisnotverycommoningeotechnicalengineering,thepaperwilldiscusstheimpactofYoung’smodulus,Poisson’sratio,anddilationangleoncomputedfactorofsafetyvalues.Aswellitwillexaminethechoiceofconvergencecriterion,numberofiterationsandtolerancethatleadtoaccuratecalculationofslopefactorofsafety.Allthefiniteelementmodelsdevelopedduringtheresearchforthispaperemploysix-nodedtriangularelements.2.PARAMETERSOFSSRANALYSISANDTHEIRINFLUENCEONCO