Probabilistic slope stability analysis of unreinforced and geosynthetic reinforced slopes using Monte Carlo simulation

Sina Javankhoshdel, Richard J. Bathurst

In the proceedings of: GeoRegina 2014: 67th Canadian Geotechnical Conference

Session: Geosynthetics

ABSTRACT: A steep slope or embankment with horizontal layers of geosynthetic reinforcement can be designed to have the same deterministic factor of safety as a shallower unreinforced slope with the same soil properties. However, the same probability of failure assuming the same random variability in soil properties for the same pair of reinforced and unreinforced slopes cannot be assumed. The paper is focused on the calculation of probability of failure of simple unreinforced and geosynthetic reinforced slopes and the influence of the magnitude of cross-correlation between soil parameters on numerical outcomes. Negative cross-correlations between cohesion and friction angle, and positive cross-correlations between cohesion and unit weight, and friction angle and unit weight are reported in the literature and are thus considered in the current study. Comparisons of probabilities of failure for reinforced and unreinforced slopes with the same value of deterministic factor of safety are presented for a range of reinforcement and soil properties. The factors of safety and probabilities of failure for the unreinforced slopes are obtained using the probabilistic slope stability design charts by Javankhoshdel and Bathurst (2014). Results from these charts are compared to reinforced slope cases using coupled circular slip analysis and Monte Carlo simulation. The results of analysis demonstrate that the effect of variability of reinforcement properties on probability of failure is negligible compared to the influence of random variability in soil properties. Thus variability in reinforcement tensile strength can be ignored for practical probabilistic design of reinforced slopes and the reinforcement strength treated as deterministic.

RÉSUMÉ: Une pente ou un remblai accentué muni de couches horizontales de renforcement en géosynthétique peut être conçu pour avoir le même facteur de sécurité déterministe qu™une pente plus douce non-renforcée ayant les mêmes propriétés de sol. Par contre, la même probabilité de rupture pour la même variabilité aléatoire des propriétés du sol ne peut pas être supposée pour la même paire de pentes renforcées et non-renforcées. Cet article est axé sur le calcul de la probabilité de rupture de pentes simples renforcées et non-renforcées et sur l™influence de la magnitude de la corrélation croisée entre les paramètres du sol sur les résultats numériques. Les corrélations croisées négatives entre la cohésion et l™angle de frottement et les corrélations croisées positives entre la cohésion et le poids volumique et entre l™angle de frottement et le poids volumique sont rapportées dans la littérature et sont de ce fait considérées dans cette étude. Des comparaisons de probabilités de rupture pour des pentes renforcées et non-renforcées ayant les mêmes valeurs de facteur de sécurité déterministe sont présentées pour une gamme de propriétés de sols et de renforcements. Les facteurs de stabilité et les probabilités de rupture sont obtenus en utilisant les abaques de design de stabilité de pente probabiliste de Javankhoshdel et Bathurst (2014). Les résultats de ces abaques sont comparés à des cas de pentes renforcées utilisant une analyse de rupture circulaire couplée à une simulation Monte-Carlo. Les résultats de l™analyse démontrent que l™effet de la variabilité des propriétés du renforcement sur la probabilité de rupture est négligeable comparé à la variation aléatoire des propriétés du sol. Il en découle que la variabilité de la résistance en traction du renforcement peut être ignorée pour le design probabiliste pratique des pentes renforcées et que la résistance du renforcement peut être traitée comme déterministe.

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