Prediction of retrogressive landslide in the sensitive clays with the material point method

Landslides involving sensitive clays pose significant challenges in regions like Quebec and Ontario in Canada due to their unique deformation behaviors and dramatic reductions in shear strength. The study begins with an extensive literature review of the behavior of sensitive clays, the factors that trigger landslides in such soils, and the hypotheses regarding landslide mechanisms observed in past incidents. It also reviews existing tools for retrogressive failure analysis and evaluates the advantages and limitations of each approach. The review indicates that traditional methods often fail to accurately determine the post-peak stress-strain curve for large strains (>100%) due to the complexities at higher strain levels. Furthermore, a critical evaluation of existing constitutive models and numerical tools reveals significant gaps in conventional approaches, particularly their failure to accurately incorporate the progressive and retrogressive nature of landslides and the associated large deformations. To address these limitations, this study introduces a novel methodology for assessing the site-specific post-peak behavior of sensitive clays by examining their large deformation characteristics found in existing literature. This research develops a new strain-softening law to precisely represent the post-peak stress-strain behavior of sensitive clays. This methodology is then implemented to analyze the post-peak behavior of seven pre-historic landslide locations. The energy calculations from these curves demonstrate that the stress-strain behavior is well captured, leading to massive landslides. To facilitate landslide analysis, this study utilizes the Anura3D software for its flexibility in working with user-defined soil models within a robust Material Point Method (MPM) framework that handles large deformations using a combination of both Eulerian and Lagrangian approaches. Employing the strain-softening law in a Mohr-Coulomb-based strain-softening constitutive model, the research then validates the constitutive soil model through multiple Direct Simple Shear (DSS) simulations by effectively capturing the targeted post-peak stress-strain behavior. The research subsequently calibrates the constitutive model with scale factors for its implementation in real-scale landslide analysis. The calibrated model is then used to predict the initiation and propagation of shear bands leading to large retrogressive failures in highly sensitive clay slopes. Three prominent case studies demonstrate that the numerical tool successfully predicts the post-failure retrogression and runout of the landslides, closely aligning with field observations and hypothesized landslide mechanisms. The study also explores optimization techniques for the numerical analysis of retrogressive failure within this framework to increase accuracy and flexibility. Finally, by successfully predicting the post-failure movement of one of the largest and most complex retrogressive flowslides of the last century, the 1993 Lamieux landslide, the study demonstrates the effectiveness of the optimization approach. The retrogressive failure prediction method developed by this research offers invaluable insights into the underlying mechanisms and primary factors driving retrogressive failures in sensitive clays. This deeper understanding enhances hazard mapping by enabling more accurate predictions of potential landslide zones and the extent of likely movements. Furthermore, this knowledge significantly improves risk analysis, facilitating the development of targeted mitigation strategies and emergency response plans. \n \nLes glissements de terrain dans les argiles sensibles posent des défis significatifs dans des régions comme le Québec et l'Ontario au Canada, en raison de leurs styles de déformation uniques et de la diminution dramatique de la résistance au cisaillement. Cette thèse doctorale commence par une revue exhaustive de la littérature portant sur le comportement des argiles sensibles, les facteurs à l’origine des glissements de terrain dans ce type de sol, et les hypothèses concernant les mécanismes de glissement observés lors d'incidents passés. Cette thèse examine également les outils existants pour l'analyse des ruptures rétrogressives et évalue les avantages et les limites de chaque approche. La revue de la littérature scientifique indique que les méthodes traditionnelles ne parviennent pas à déterminer la courbe « contrainte-déformation » après le pic de rupture pour des niveaux élevés de déformation (>100%), en raison des complexités associées aux niveaux élevés de déformation. De plus, une évaluation critique des modèles constitutifs existants et des outils numériques révèle des lacunes significatives dans les approches conventionnelles, notamment leur incapacité à intégrer précisément la nature progressive et rétrogressive des glissements de terrain et les grandes déformations associées. Pour pallier ces limitations, cette thèse doctorale introduit une nouvelle méthode d’évaluation du comportement spécifique in situ après le pic de rupture des argiles sensibles, en examinant les caractéristiques de déformations élevées trouvées dans la littérature existante. De plus, une nouvelle équation exprimant la réduction de la résistance au cisaillement est proposée pour représenter précisément le comportement « contrainte-déformation » après le pic de rupture des argiles sensibles. Cette méthodologie est ensuite appliquée dans l’analyse du comportement après le pic de rupture de sept glissements de terrain historiques au Québec. Les résultats montrent que le comportement « contrainte-déformation » est bien reproduit, ce qui conduit à des glissements de terrain majeurs. Pour faciliter l'analyse des glissements de terrain, cette thèse doctorale s’appuie sur le logiciel Anura3D à cause de sa flexibilité pour produire des modèles de sol contrôlés par l'utilisateur, au sein d'un cadre robuste de la MPM (Material Point Method). La MPM simule les grandes déformations en utilisant une combinaison des approches eulérienne et lagrangienne. En utilisant la nouvelle équation produite dans le cadre de ce doctorat pour la réduction de la résistance au cisaillement dans un modèle constitutif basé sur Mohr-Coulomb, nos travaux de recherche permettent de valider à travers de multiples simulations de cisaillement simple direct (DSS). Suit ensuite la calibration du modèle constitutif avec des facteurs d'échelle, de manière à réaliser une implémentation dans une analyse réelle de glissement de terrain. Le modèle calibré est utilisé pour prédire l'initiation et la propagation de bandes de cisaillement conduisant à de grandes ruptures rétrogressives dans des pentes d'argile très sensibles. Trois études de cas notables démontrent que l'outil numérique prédit avec succès la rétrogression et la dispersion après les ruptures des glissements de terrain, en accord avec les observations de terrain et les mécanismes de glissement hypothétisés. Le projet doctoral explore également des techniques d'optimisation pour l'analyse numérique de rupture rétrogressive afin d'atteindre des résultats plus réalistes. Enfin, en prédisant avec succès le mouvement après rupture de l'un des glissements de terrain rétrogressifs les plus grands et les plus complexes du dernier siècle, la rupture rétrogressive de Lamieux en 1993, l'étude démontre l'efficacité de l'approche d'optimisation. La méthode de prédiction de rupture rétrogressive développée dans le cadre de cette thèse doctorale offre des indications fondamentales sur les mécanismes sous-jacents et les facteurs principaux entraînant des ruptures rétrogressives dans les argiles sensibles. Cette compréhension approfondie améliore la cartographie des risques géotechniques en permettant des prédictions plus précises des zones potentielles de glissement de terrain et de l'étendue potentielle des mouvements probables. De plus, cette connaissance améliore significativement l'analyse des risques, facilitant le développement de stratégies d'atténuation ciblées et de plans d'urgence.

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