2D and 3D Deterministic and Probabilistic Analysis of an Urban Deep Excavation Stabilized by Pile-Anchor Structure

ABSTRACT: A comprehensive geotechnical assessment of excavations is crucial for safe building practices within the context of ongoing urban expansion. Pile-anchor structures (PAS) offer a practical and affordable solution for stabilizing excavations. This paper investigates factors of safety (FS) and reliability index (RI) through deterministic and probabilistic applications of the two- and three-dimensional (2D and 3D) limit equilibrium method (LEM) using the single random variable approach. The deterministic analysis is conducted using the General Limit Equilibrium Morgenstern-Price (GLE-MP) method, enhanced by Particle Swarm Optimization. Probabilistic analyses employed the response surface method (RSM), improving efficiency over the traditional Monte Carlo approach. The probabilistic approach was adopted in this study to quantify the effects of uncertainties associated with soil strength parameters, i.e., cohesion and friction angle, on the stability of urban excavations stabilized by PAS. The 3D model generally resulted in higher FS and RI values than 2D models. With increasing excavation depth, this difference tends to decrease. Although the difference in FS was minimal at a depth of 25 meters (1.346 vs. 1.327), the RI difference remained significant at all depths, even at a depth of 25 meters (5.015 vs. 3.643).

RÉSUMÉ: Une évaluation géotechnique exhaustive des excavations est essentielle pour garantir la sécurité des pratiques de construction dans le contexte de l'expansion urbaine continue. Les structures pieux-ancrage constituent une solution pratique et économique pour la stabilisation des excavations. Ce travail explore les coefficients de sécurité et les indices de fiabilité au moyen d'applications déterministes et probabilistes de la méthode de l'équilibre limite en deux et trois dimensions (2D et 3D), utilisant une approche à variable aléatoire unique. L'analyse déterministe est réalisée à l'aide de la méthode d'équilibre limite généralisée de Morgenstern-Price, optimisée par l'algorithme d'optimisation par essaim de particules. Les analyses probabilistes utilisent la méthode des surfaces de réponse, offrant un gain d'efficacité par rapport à la méthode de Monte Carlo classique. L'approche probabiliste a été retenue pour quantifier l'influence des incertitudes liées aux paramètres de résistance du sol, à savoir la cohésion et l'angle de frottement, sur la stabilité des excavations urbaines stabilisées par des structures pieux-ancrage. Le modèle 3D a systématiquement conduit à des valeurs de coefficients de sécurité et d'indices de fiabilité supérieures à celles du modèle 2D. Cette différence tend à diminuer avec la profondeur d'excavation. Bien que la différence de coefficient de sécurité soit minime à 25 mètres de profondeur (1,346 contre 1,327), la différence d'indice de fiabilité est restée significative à toutes les profondeurs, y compris à 25 mètres (5,015 contre 3,643).