An Effective Stress Based Model for Undrained Slope Stability Analyses in Anisotropic Clay

Abstract

Direkte skjærtester (DSS) utført på naturlig myk leire indikerer at skjærstyrken vil øke dersom leiren konsolideres under en skjærspenning (Andersen, 2009). Formålet med denne studien er å avgjøre om anisotrop skjærstyrke forårsaket av konsoliderte skjærspenning på horisontale og vertikale plan representerer en signifikant økning i sikkerhetsfaktoren ved vurdering av udrenert skråningsstabilitet.

En effektivspenningsbasert konstitutiv jordmodell (ADPX3) er utviklet. Modellen er formulert for en generell 3D-situasjon med et Matsuoka-Nakai-basert flytekriterium som er modifisert for å reflektere udrenert oppførsel og anisotrop skjærstyrke. Modellen bereg¬ner anisotrop skjærstyrke på grunnlag av effektivspenningstilstanden som er tilstede i forkant av udrenert belastning og tillater brukeren å kontrollere i hvilken grad denne effekten kan opptre. Modellen er implementert som en brukerdefinert jordmodell i elementmetodeprogrammet PLAXIS 2D. Modellen er anvendt i ca. 400 sikkerhetsfaktor¬analyser av idealiserte skråninger med varierende geometri, hvor materialparameterne er tilfeldig generert innenfor antatte statistiske fordelinger.

Resultatene viser at økningen i sikkerhetsfaktor på grunn av anisotrop skjærstyrke, forårsaket av konsoliderte skjærspenninger på horisontale og vertikale plan, er positivt korrelert til terrenghellingen og leirens kontraktans. Denne økte kapasiteten bør alltid vurderes i analyser hvor materialets styrke er redusert av hensyn til progressivt brudd og hvor terrenghelningen overskrider omtrent .

Videre arbeid bør sammenligne sikkerhetsfaktorer beregnet med ADPX3 med sikkerhetsfaktorer som er beregnet med kommersielt tilgjengelige materialemodeller som vanligvis anvendes i bransjen, f.eks. NGI-ADP-modellen. Laboratorieundersøkelser bør også utføres for å fastslå hva som er realistiske verdier for materialparameterne i ADPX3.

Direct simple shear tests (DSS) performed on natural soft clay indicates that the shear strength will increase if the clay is consolidated under a shear stress (Andersen, 2009). The purpose of this study is to determine whether anisotropic shear strength caused by consolidated shear stresses on horizontal and vertical planes represents a significant increase in safety factor when considered in undrained slope stability analyzes.

An effective stress based constitutive model (ADPX3) is established. The model is formulated for a general 3D situation with a Matsuoka-Nakai based yield criterion which is modified in order to reflect undrained behavior and anisotropic shear strength. The model determines anisotropic shear strength based on the effective stress state prior to undrained loading and allows to control the magnitude of this effect through user input. The model is implemented in an implicit backward Euler integration scheme as a user defined soil model (UDSM) in the finite element program PLAXIS 2D. The model is applied in approximately 400 safety factor analyzes of idealized slopes with varying geometry, where the material parameters are randomly generated within assumed statistical distributions.

The results indicate that the increase in safety factor due to anisotropic shear strength caused by consolidated shear stresses on horizontal and vertical planes are positively correlated to the terrain inclination and to the materials’ tendency to contract during shearing. This increased capacity should always be considered in undrained slope stabil-ity analysis where the material strength is reduced to compensate for strain-softening and where the terrain inclination is steeper than approximately .

Further work should compare the safety factors obtained with ADPX3 to safety factors obtained with commercially available material models used in the industry, e.g. the NGI-ADP model. Laboratory investigation should also be performed in order to determine realistic values for the input parameters of ADPX3.