Finite element analysis of progressive failure of Carsington embankment

Abstract

Progressive failure occurs when brittle soils are loaded non-uniformly. The average shear stress at collapse is less than peak strength. The effect cannot be examined by conventional limit equilibrium stability analysis. The Carsington embankment slipped in 1984, just before it reached full height. The slide was 30 m deep and 500 m long, and instrumentation had been installed and read up to the moment of collapse. The strengths of the soils involved were carefully established, as was the exact geometry of the slip. Limit equilibrium analysis showed that, at collapse, the average shear stress mobilized was less than peak strength, with a safety factor based on peak strength of 1·2. Since the soils involved were brittle, progressive failure was a probable cause of the discrepancy. Finite element analyses were performed in which strain-softening soil properties were assumed. Some of these analyses are reported here. The pre-failure displacements, the collapse height and collapse mechanism were recovered by the analysis, and the role of progressive failure was confirmed. The sensitivity of the results obtained to the assumptions made was examined by parameteric studies. It was quite low, indicating that finite element analysis can make predictions of the stability of strain-softening soils of an accuracy adequate for engineering purposes. La rupture progressive a lieu lorsque des sols fragiles sont soumis à un chargement non-uniforme. La contrainte de cisaillement moyenne lors de la rupture est inférieure à la résistance de pic. Cet effet ne peut pas s'étudier par l'analyse classique de la stabilité d'équilibre limite. Le remblai de Carsington glissa en 1984 peu de temps avant d'atteindre sa hauteur complète. Le glissement avait une profondeur de 30 m et une longueur de 500 m. Les instruments de mesure installés avaient donné leurs indications jusqu'au moment de la rupture. Les résistances des sols en cause ont été soigneusement établies et la géometrie exacte du glissement fut définie. L'analyse d'équilibre limite indiqua qu'au moment de la rupture la contrainte de cisaillement moyenne etait inférieure a la résistance maximale dans un rapport de 1.2 puis que les sols présents étaient fragiles, la différence fut probablement causée par la rupture progressive. Des analyses par éléments finis furent effectuees dans lesquelles on admettait que le sol avaient des propriétés radoucissantes. L'article présente quelquesunes de ces analyses. L'analyse révéla les déplacements précédant la rupture aussi bien que la hauteur et le mécanisme de la rupture, et le rôle joué par la rupture progressive fut confirmé. Des études paramétriques démontrèrent que les résultats obtenus n'étaient que très peu influencés par les suppositions adoptées, indiquant de la sorte que l'analyse par éléments finis peut donner des prédictions de la stabilité des sols radoucissants avec une précision suffisante pour des buts de construction.