Geotechnical characterization and heterogeneous slope stability modeling Affected by Diapiric formations

Abstract

Abstract This work presents a stability analysis of a railway cut excavated through Triassic diapiric formations, where extreme lithological heterogeneity governs slope performance. Following initial instability, an integrated system of slope geometry reduction, shotcrete armoring, and nail reinforcement was evaluated using limit equilibrium and finite element methods (GEO5, PLAXIS 2D/3D), informed by geophysical surveys, borehole sampling, and laboratory testing. Under dry static conditions, all cross-sections satisfy stability criteria with an unsupported factor of safety (FoS) of 2.145, decreasing marginally to 2.107 post-reinforcement. The Turonian limestone is self-supporting with displacements ≤10⁻³ m. Site characterization reveals severe hazards: Triassic gypsum-rich clays exhibit sulphate concentrations of 49,000-69,000 mg/kg (DS-5) and gypsum content up to 12.35%; weathered limestones contain karstic voids forcing a Class V (Very Poor) rating despite intact UCS of 19.9-140.5 MPa; Mio-Pliocene clays show plasticity indices up to 26.9%. Critically, the trench is catastrophically vulnerable to rainfall-induced flow failure without waterproofing. Under transient hydraulic loading, vulnerable profiles reach failure within 0.0026 to 0.01645 days (3.744 min – 23.688 min), driven by excess pore pressures of 108.8-823.97 kN/m² (2D) and peak values of 4.31×10⁴ kN/m² (3D). The integrated hydraulic control system—geomembrane, sulfate-resistant shotcrete, and drainage—maintains dry conditions, limiting displacements to 17.74 cm with pore pressure dissipation from 1400 kN/m² to 1060 kN/m² within one day. This regional displacement does not extend its effects to the structure's domain; the local displacements simulated within the structure's domain do not exceed, according to the model, a value of 10 mm, which falls within the safe design limits imposed by railway specifications. However, these results remain subject to the model's assumptions, necessitating field verification through an automated monitoring system. It was also shown that structural reinforcement alone is insufficient unless supported by effective hydraulic isolation. الملخص يقدّم هذا العمل دراسةً لاستقرار خندق سكة حديدية محفور عبر تكوينات ترياسية دياپيرية، حيث تتحكم اللاتجانسية الليثولوجية الشديدة بصورة أساسية في سلوك واستقرار المنحدرات. وبعد تسجيل حالات عدم استقرار أولية، تم تقييم نظام متكامل يضمّ تخفيض هندسة المنحدر، وتدعيم السطح بالخرسانة المرشوشة ، والتسليح بالمسامير الأرضية، وذلك باستخدام طريقتي توازن الحدود والعناصر المحددة (برنامجا GEO5 وPLAXIS 2D/3D)، بالاعتماد على نتائج المسوحات الجيوفيزيائية، وأعمال الحفر وأخذ العينات، والاختبارات المخبرية. في الظروف الجافة والتحميلات الساكنة، استوفت جميع المقاطع المدروسة معايير الاستقرار، حيث بلغ معامل الأمان (FoS) في الحالة غير المدعّمة 2.145، وانخفض بشكل طفيف إلى 2.107 بعد تنفيذ أعمال التدعيم. كما أظهرت طبقة الحجر الجيري التوروني قدرةً ذاتية على الاستناد، مع إزاحات لا تتجاوز ‎10⁻³‎ م. وكشفت الدراسة الجيوتقنية للموقع عن وجود مخاطر كبيرة؛ إذ تحتوي الأطيان الترياسية الغنية بالجبس على تراكيز كبريتات تتراوح بين 49,000 و69,000 ملغ/كغ (العينة DS-5)، مع نسبة جبس تصل إلى 12.35%. كما تحتوي الأحجار الجيرية المتجواة على فراغات كارستية أدّت إلى تصنيفها ضمن الفئة الخامسة (ضعيفة جداً)، رغم أن مقاومة الضغط أحادي المحور للصخر السليم تتراوح بين 19.9 و140.5 ميغاباسكال. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت أطيان الميو-بليوسين مؤشرات لدونة تصل إلى 26.9%. وتُظهر النتائج بصورة حاسمة أن الخندق معرّض بشكل بالغ للانهيار الانسيابي الناتج عن هطول الأمطار في حال غياب العزل المائي. فعند التعرض لأحمال هيدروليكية غير مستقرة، تصل المقاطع الأكثر حساسية إلى الإنهيار خلال فترة تتراوح بين 0.0026 يوم و 0.01645 يوم (أي ما يعادل 3.744 دقيقة إلى 23.688 دقيقة)، نتيجة تطور ضغوط مائية مسامية فائضة تتراوح بين 108.8 و823.97 كيلو نيوتن/م² في النماذج ثنائية الأبعاد، وتبلغ قيماً قصوى تصل إلى ‎4.31×10⁴‎ كيلو نيوتن/م² في النماذج ثلاثية الأبعاد. وقد أثبت نظام التحكم الهيدروليكي المتكامل — المكوّن من غشاء عازل للمياه ، وخرسانة مرشوشة مقاومة للكبريتات، ونظام تصريف — فعاليته في الحفاظ على ظروف جافة، حيث حصر الإزاحات في حدود 17.74 سم، مع خفض ضغط الماء المسامي من 1400 كيلو نيوتن/م² إلى 1060 كيلو نيوتن/م² خلال يوم واحد. ولا تمتد تأثيرات هذه الإزاحة الإقليمية إلى نطاق المنشأة؛ فالإزاحات الموضعية المحاكاة في نطاق المنشأة لا تتجاوز، وفق النموذج، قيمة 10 ملم، وهي تقع ضمن الحدود التصميمية الآمنة التي تفرضها مواصفات السكك الحديدية. غير أن هذه النتائج تظل محكومة بافتراضات النموذج، مما يستوجب التحقق الميداني عبر نظام مراقبة آلي. كما تبيّن أن التدعيم الإنشائي وحده غير كافٍ ما لم يُدعَم بعزل هيدروليكي فعّال. وعليه، فإن التصميم الإلزامي المقترح يتكوّن من ثلاثة مستويات حماية متكاملة: غشاء عازل أولي فوق الأطيان الترياسية، وطبقة ثانوية من الخرسانة المرشوشة المقاومة للكبريتات، ونظام تصريف محيطي ثالثي. Résumé Ce travail présente une analyse de stabilité d’une tranchée ferroviaire excavée dans des formations diapiriques triasiques, où l’extrême hétérogénéité lithologique contrôle le comportement des talus. À la suite d’une instabilité initiale, un système intégré comprenant la réduction de la géométrie des pentes, le revêtement en béton projeté et le renforcement par clouage a été évalué à l’aide des méthodes d’équilibre limite et des éléments finis (GEO5, PLAXIS 2D/3D), en s’appuyant sur des prospections géophysiques, des forages de reconnaissance et des essais de laboratoire. Dans des conditions statiques sèches, toutes les sections étudiées satisfont aux critères de stabilité, avec un coefficient de sécurité (Fos) de 2,145 à l’état non renforcé, diminuant légèrement à 2,107 après la mise en place des renforcements. Le calcaire turonien présente un comportement autoportant avec des déplacements ≤ 〖10〗^(-3) m. La caractérisation du site met en évidence plusieurs aléas majeurs : les argiles triasiques riches en gypse présentent des concentrations en sulfates comprises entre 49 000 et 69 000 mg/kg (DS-5) ainsi qu’une teneur en gypse pouvant atteindre 12,35 % ; les calcaires altérés renferment des cavités karstiques conduisant à une classification de Classe V (Très mauvaise qualité) malgré une résistance à la compression simple (UCS) comprise entre 19,9 et 140,5 MPa ; les argiles mio-pliocènes affichent des indices de plasticité atteignant 26,9 %. De manière critique, la tranchée est extrêmement vulnérable aux ruptures par écoulement induites par les précipitations en l’absence d’un système d’étanchéité. Sous chargement hydraulique transitoire, les profils les plus sensibles atteignent la rupture en seulement 0,0026 à 0,01645 jour (3.744 min – 23.688 min), sous l’effet de surpressions interstitielles comprises entre 108,8 et 823,97 kN/m² (modèles 2D) et pouvant atteindre des valeurs maximales de 4,31 × 〖10〗^4 kN/m² (modèles 3D). Le système intégré de contrôle hydraulique — constitué d’une géomembrane, d’un béton projeté résistant aux sulfates et d’un réseau de drainage — permet de maintenir des conditions sèches, en limitant les déplacements à 17,74 cm et en réduisant la pression interstitielle de 1400 kN/m² à 1060 kN/m² en une journée. Ce déplacement régional ne propage pas ses effets au domaine de la structure ; les déplacements locaux simulés dans le domaine de la structure ne dépassent pas, selon le modèle, une valeur de 10 mm, ce qui se situe dans les limites de conception sécuritaires imposées par les spécifications ferroviaires. Cependant, ces résultats restent soumis aux hypothèses du modèle, ce qui nécessite une vérification sur le terrain via un système de surveillance automatisé. Il a également été démontré que le renforcement structurel seul est insuffisant à moins d'être accompagné d'une isolation hydraulique efficace.