Effekten av konkave og konvekse kurvaturer i horisontalplanet for stabilitetsanalyser

Abstract

2D-analyser er ofte foretrukne fremfor 3D-analyser ved vurdering av skråningsstabilitet i den geotekniske bransjen. Årsaken for dette er at 2D-analyser ofte er konservative, i tillegg til at de er enkle i bruk. Imidlertid er analysene basert på antagelsen om plan tøyningstilstand, og er eksempelvis ikke representative for skråninger med kurvatur. I slike tilfeller kan det oppstå 3Deffekter på grunn av kurvatur. Slike kurvatureffekter kan gi økt stabilitet, men det er usikkerheter knyttet til hvilke aspekter som er mest utslagsgivende. For å etablere en bedre forståelse av hvordan kurvatureffekten påvirker stabiliteten, er det ønskelig å studere ulike kurvaturformer i horisontalplanet, med variasjon av radius og bruddflatens dybde. Dette er to av flere mulige parametre som påvirker stabiliteten til skråninger med kurvatur.

For å undersøke kurvatureffekten ble det først gjort en litteraturstudie for å kartlegge påvirkningen av kurvatur basert på tidligere studier. Deretter har bedrifter i bransjen blitt kontaktet for å undersøke hvordan generelle 3D-effekter benyttes i praksis. Videre er det utført en case-studie med tolkninger av grunnundersøkelser, samt 2D- og 3D-analyser for å undersøke stabilitetsforholdene og kurvatureffektene i en ravinedal på Tofte. I tillegg er det blitt gjort 2D- og 3D-analyser av flere idealiserte skråninger for å undersøke hvordan radius og bruddflatens dybde påvirker kurvatureffekten, samt når de kan være utslagsgivende for stabiliteten.

Tidligere litteratur sier at kurvatur kan gi en stabiliserende effekt. Resultatene i oppgaven samsvarer med dette og viser opp til 23 % økning av sikkerheten som følge av konkav kurvatur. Økningen er imidlertid mindre for konveks, som på det meste gir 15,5 % økning av sikkerheten. Videre er det vist at avtagende radius fører til økt kurvatureffekt, mens reduksjon i bruddflatens dybde fører til redusert kurvatureffekt ved lave radier. Når det gjelder ravinedalen på Tofte, viser resultatene at stabiliteten ikke er tilstrekkelig selv ved inkludering av kurvatureffekter.

Analyser i oppgaven er basert på en rekke forenklinger, slik at det er usikkerheter knyttet til anvendeligheten av resultatene. Likevel kan økt sikkerhet ved enkle aksesymmetriske eller 3Danalyser brukes som en innledende vurdering av kurvatureffektene, og kan indikere om det bør utføres mer omfattende 3D-analyser. I tilfeller hvor kurvaturen er fremtredende og 2Dstabiliteten er rett under sikkerhetskravet, kan kurvatureffekten brukes som et argument for å friskmelde skråningen, gitt at det er utført beregninger som dokumenterer dette.

2D slope stability analyses are regularly favored over 3D analyses in geotechnical engineering. This is because 2D analyses are conservative and easy to implement.However, such analyses are based on the assumption of a plane strain geometry, and thus not representative for slopes with curvature. In such cases, significant curvature effects may occur, and therefore increase the stability. Despite the increasement of stability, there are uncertainties related to which aspects are most influential for the curvature effects. Therefore, it is necessary to study different curvature shapes in the horizontal plane, with variation of curvature radius and slip surface depth.

The effects of curvature were first investigated through a literature study. Furthermore, several geotechnical consulting companies were contacted in order to map how 3D-effects in general are used in practice. As part of a case study, interpretations of ground investigations, as well as 2D and 3D analyses were conducted to investigate the stability conditions and curvature effects in a ravine valley at Tofte. Moreover, several 2D and 3D analyses of idealized slopes have been carried out to investigate how radius and slip surface depth affect the curvature effect, and to study the magnitude of their impact on the stability.

Previous literature indicate that curvature can enhance the stability of a slope. The results in the present thesis correspond to this and indicate up to 23%increased stability due to concave curvature. The increase is smaller for convex, which is maximum 15,5 %.Moreover, it is shown that decreasing radius leads to increased curvature effect, whereas reduction in the depth of slip surface leads to decreased 3D-effect at small curvature radii. Lastly, the analysis based on the ravine valley at Tofte indicate insufficient stability even when the curvature effects are considered.

The conducted analyses are based on several simplifications. Hence, there are uncertainties related to the usefulness of the results. Simple safety analyses based on axisymmetric or 3Dmodels can yet be used as an initial assessment of the curvature effects. Such analyses can also indicate if more comprehensive 3D-analyses should be considered. In cases where the curvature of a slope is prominent, the curvature effects can be used as a argument to determine the safety of the slope as sufficient. However, such assessments should only be applied for slopes with safety factor just underneath the requirement.