Three-dimensional numerical analysis for rock slope stability using shear strength reduction method

Abstract

Existing numerical modeling of three-dimensional (3D) slopes is performed mainly by using the shear strength reduction (SSR) technique based on the linear Mohr–Coulomb (MC) criterion, whereas the nonlinear failure criterion for rock slope stability is seldom used in slope modeling. However, it is known that rock mass strength is a nonlinear stress function and that, therefore, the linear MC criterion does not agree with the rock mass failure envelope very well. In this research, a nonlinear SSR technique is proposed that can use the Hoek–Brown (HB) criterion to represent the nonlinear behavior of a rock mass in the FLAC3D program to analyze 3D slope stability. Extensive case studies are carried out to investigate the influence of the convergence criterion and boundary conditions on the 3D slope modeling. Results show that the convergence criterion used in the 3D model plays an important role, not only in terms of calculation of the factor of safety (FOS), but also in terms of the shape of the failure surface. The case studies also demonstrate that the value of the FOS for a given slope will be significantly influenced by the boundary condition when the slope angle is less than 50°. = Résumé : La modélisation numérique de pentes en trois dimensions (3D) est généralement réalisée avec la technique de réduction de la résistance au cisaillement (RRC) basée sur le critère Mohr–Coulomb (MC) linéaire, tandis que le critère de rupture non linéaire est rarement utilisé dans les modélisations de pentes. Cependant, il est reconnu que la résistance d'une masse rocheuse est une fonction de contrainte non linéaire, ainsi, le critère MC linéaire ne correspond pas très bien avec l'enveloppe de rupture de la masse rocheuse. Dans la présente étude, une technique RRC non linéaire est proposée, qui permet d'utiliser le critère d'Hoek–Brown (HB) pour représenter le comportement non linéaire d'une masse rocheuse dans le programme FLAC3D afin d'analyser la stabilité d'une pente en 3D. Des études de cas détaillées sont réalisées pour évaluer l'influence du critère de convergence et des conditions frontières sur la modélisation de la pente en 3D. Les résultats démontrent que le critère de convergence utilisé dans le modèle 3D joue un rôle important, non seulement dans le calcul du facteur de sécurité (FS) mais aussi en termes de la forme de la surface de rupture. Les études de cas démontrent aussi que la valeur du FS pour une pente donnée sera influencée significativement par la condition frontière lorsque l'angle de la pente est inférieur a` 50°. [Traduit par la Rédaction]