Short-term Stability for Natural Slopes with Quick Clay

Abstract

Udrenerte totalspennings- og drenerte effektivspenningsanalyser er geotekniske analyser som ofte brukes til å beregne korttids- og langtidsstabilitet. Når en skråning står til brudd, bør begge analyser vise en sikkerhetsfaktor på F = 1,0. Imidlertid opplever bransjen ofte tilfeller der korttidsstabiliteten indikerer brudd, mens langtidsstabiliteten viser betydelig høyere sikkerhet for naturlige skråninger. Leire i naturlige skråninger er konsolidert også i helningsretningen, noe som fører til spenningsindusert anisotropisk undrenert skjærstyrke. Direkte skjærtester på skjærkonsolidert naturlig bløt leire tyder på økt udrenert skjærstyrke (Andersen, 2009), og analyser av idealiserte skråninger som tar hensyn til spenningsindusert anisotropi har vist til en positiv korrelasjon mellom sikkerhetsøkning og terrenghelning (Aamodt et al., 2021). Likevel behandles naturlige skråninger likt som skråninger gravd ut fra flatt terreng i dagens geotekniske praksis.

En naturlig skråning på Halsnøy er et tilfelle med sprikende korttids- og langtidsstabilitet. Denne masteroppgaven studerer korttidsstabiliteten for skråningen ved bruk av den kommersielt tilgjengelige og totalspenningsbaserte modellen NGI-ADP og den effektivspenningsbaserte konstituve ADPX3. Resultatene fra begge modellene er studert og sammenlignet for å finne en justering av den konvensjonelle metoden basert på terrenghelningen.

Resultatene indikerer at sikkerheten til naturlige skråninger er mer kompleks enn å bare basere seg på terrenghelningen. Uten korrelasjon til terrenghelning, gir ADPX3-modellen i gjennomsnitt 34% høyere sikkerhet enn den konvensjonelle metoden, og 15% økning fra isotropisk til fullt spenningsindusert anisotropisk forskjøvet tilstand. Andre faktorer i realistiske naturlige skråninger, som skråningstopografi, drenerte lag og formen på berggrunnen, påvirker også utviklingen av anisotropi og økningen i sikkerhet.

NGI-ADP-modellen må forkastes for naturlige skråninger, og en ny kommersielt tilgjengelig totalspenningsbasert ADP-modell må utvikles. Vinklet prøvetaking eller en retningsbestemt skjærapparat er nødvendig for å verifisere udrenert skjærstyrke for representative skjærmoder i naturlige skråninger.

Undrained total stress and drained effective stress analyses are geotechnical analyses commonly used to calculate short-term and long-term stability. When a slope is at the point of failure, both analyses should indicate a safety factor of F = 1.0. However, the industry frequently encounters scenarios where short-term stability indicates failure while long-term stability shows significantly higher safety for natural slopes. Clay in natural slopes consolidates in the direction of gravity and the slope inclination, resulting in stress-induced anisotropic undrained shear strength. Direct Simple Shear tests on shear-consolidated natural soft clay suggest increased undrained shear strength (Andersen, 2009), and analyses on idealised slopes considering stress-induced anisotropy have demonstrated a positive correlation between safety factor and terrain inclination (Aamodt et al., 2021). Nevertheless, in contemporary geotechnical practice, natural slopes are treated similarly to slopes excavated from horizontal terrain.

A natural slope in Halsnøy is a case of diverging short-term and long-term stability. This Master’s Thesis studies short-term stability for this natural slope using the commercially available total stress-based NGI-ADP and the effective stress-based constitutive ADPX3 models. The results from both models are studied and compared to find an adjustment to the conventional method based on the terrain inclination. The results indicate that the safety of natural slopes is more complex than relying on terrain inclination. Without correlation to the terrain inclination, the ADPX3 model provides an average of 34% higher safety than the conventional method and a 15% increase from isotropic to full stress-induced anisotropic shifted states. Other factors in realistic natural slopes, such as slope topography, drained layers, and the shape of bedrock, also affect the development of stress-induced anisotropy and the increase in safety factors.

The NGI-ADP model must be discarded for natural slopes, and a new commercially available total stress-based ADP model must be developed. Inclined sampling or a directional shear device is necessary to verify the undrained shear strength for representative shear modes in natural slopes.