Assessment of Local Factor of Safety Field for Variably Saturated Embankments due to Climate Change Using In-Situ Stress Finite Element Analysis

ABSTRACT: Climate change is expected to continue over this century and beyond with important impact on currently stable soil embankments. Soil response to precipitation pattern variation, due to climate change is directly related to pore water pressure and stress state changes. To accurately assess the behavior of embankments under changing climate, a deformation assessment using coupled hydro-mechanical analysis, with an appropriate elasto-plastic constitutive law may be required. However, priority in current engineering assessments is to identify the factor of safety against local, shallow or global failures, whereas deformation assessments are of a minor concern. In this research, the effect of climate change on the stability of embankments was quantified by estimating a field of Local Factor of Safety (LFS) using a coupled in-situ stress finite element analysis and variably unsaturated flow analysis. In this method, the effect of moisture content variation on the effective stress was taken into account using suction stress state. For a case study, the effects of climate change on the stability of a typical highway embankment consisting of sandy or silty soils in cities of Toronto and Niagara Falls in Ontario was considered. The study results demonstrate that the proposed simplified assessment approach is capable of identifying global and local failure zones without the use of advanced elasto-plastic simulations.

RÉSUMÉ: Le changement climatique devrait se poursuivre au cours de ce siècle et au-delà, avec un impact important sur les remblais de sol actuellement stables. La réaction du sol à la variation du régime de précipitation en raison du changement climatique, est directement liée à la pression interstitielle de l'eau et aussi aux changements de l'état de contraintes. Afin de mieux évaluer le comportement des remblais sous le changement climatique, une évaluation de la déformation en utilisant une analyse hydro-mécanique couplée, avec une loi de comportement élasto-plastique approprié peut être nécessaire. Cependant, la priorité dans les évaluations techniques actuelles est d'identifier le facteur de sécurité lié aux ruptures locales, superficielles ou globales, alors que les évaluations de déformation sont une préoccupation mineure. Dans cette recherche, l'effet du changement climatique sur la stabilité des remblais a été quantifié en estimant un champ de facteur de sécurité local (LFS) en utilisant une analyse par éléments finis de contraintes couplées in situ et une analyse d'écoulement insaturée de manière variable. Dans cette méthode, l'effet de la variation de la teneur en humidité sur la contrainte effective a été pris en compte en utilisant l'état de contrainte d'aspiration. Pour une étude de cas, les effets des changements climatiques sur la stabilité d'un remblai routier typique composé de sols sableux ou silteux dans les villes de Toronto et de Niagara Falls en Ontario, en Ontario, ont été considérées. Les résultats de l'étude démontrent que l'approche d'évaluation simplifiée proposée est capable d'identifier les zones de ruptures globales et locales sans utiliser des simulations élasto-plastiques avancées.