Xpent, système expert en stabilité des pentes

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Xpent, système expert en stabilité des pentes
Xpent, expert System in slope stability
R.M.FAURE, Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat, Vaulx en Velin, France
S.LEROUEIL, Université Laval, Québec, Canada
J.P.RAJOT, Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat, Vaulx en Velin, France
P.LAROCHELLE, Université Laval, Québec, Canada
G.SEVE, Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat, Vaulx en Velin, France
F.TAVENAS, Université Laval, Québec, Canada
RESUME : L ' a r t i c l e
ABSTRACT
présente
l a g e n è s e de XPENT, s y s t è m e
: We p r é s e n t t h e g e n e s i s
o f XPENT, an e x p e r t
expert
System
en stabilité
about s l o p e s
des pentes
stability
rupture e t l e s mécanismes de rupture
aussi très v a r i a b l e s .
INTRODUCTION
La mécanique des s o l s dans son ensemble, tout
particulièrement 1' évaluation de l a stabilité de
pentes, f a i t continuellement appel à 1' expérience de 1' ingénieur, au vécu l o c a l qui dépend pour
beaucoup
des
conditions
géologiques e t
climatiques, à des règles empiriques e t à des
méthodes de c a l c u l approximatives. C est donc un
domaine qui se prête particulièrement à un t r a i tement par I n t e l l i g e n c e A r t i f i c i e l l e , ce qui a
amené l e premier auteur à l a n c e r en 1985 1' idée
d'un système expert en stablité des pentes :
XPENT. [CAYEUX, 1985, FAURE e t a l , 1987]
sont eux
Malgré l e u r diversité, i l e s t cependant p o s s i b l e
de f a i r e r e n t r e r tous l e s problèmes de stabilité
dans 1' organigramme général présenté à l a f i g u r e
1 e t pouvant se résumer a i n s i :
. l a pente est d'abord caractérisée pour c o n s t i tuer l a base de f a i t s e t l a s i t u e r dans une
classe de pentes particulière,
p a r exemple
"pente dans des s o l s loessiques". Comme nous
l e verrons ultérieurement, ces classes sont
définies à p a r t i r de l a géologie e t donc i n d i rectement à p a r t i r de facteurs e t de mécanismes
de rupture.
Le développement d'un système expert ne peut se
f a i r e p a r un chercheur isolé, surtout dans un
domaine comme l e s pentes où l e s matériaux
impliqués, l e s modes de rupture e t l e s méthodologies d'étude v a r i e n t d'un pays à 1' autre, d'une région à 1' autre. I l y a donc nécessité d'él a r g i r l e champ des expertises a f i n de f o u r n i r
une connaissance "quasi u n i v e r s e l l e " au systèmeexpert.
Les r e l a t i o n s
existant
entre
1' E. N. T. P. E. e t 1' Université Laval e t V intérêt
commun pour l e p r o j e t ont amené 1' ensemble des
auteurs à c o l l a b o r e r à 1' élaboration d'XPENT.
. par observation de l a pente e t des environs e t
sur l a base de l'expérience acquise p a r l e s
ingénieurs, une évaluation q u a l i t a t i v e de l a
stabilité e s t f a i t e . I l peut en être déduit
que l a pente e s t s t a b l e , i n s t a b l e ou peut être
instable :
Pente
Évaluation qualitative
de la stabilité
La phase i n i t i a l e du p r o j e t v i s a i t à préciser
l e s o b j e c t i f s d'XPENT a i n s i que l a méthodologie
de t r a v a i l e t à guider l e choix d'un moteur
d'inférences q u i s e r a i t performant.
E l l e a été
réalisée à 1' aide d'un moteur d'inférences présentant un formalisme s i m i l a i r e à c e l u i de Prol o g e t qui a été développé à 1' E. N. T. P. E.
Stable
Instable
Le but de c e t a r t i c l e e s t de présenter l e s problèmes q u i se posent l o r s de 1' élaboration d'un
système-expert en géotechnique a i n s i que l e s
orientations q u i ont été p r i s e s pour poursuivre
l e p r o j e t au-delà du système probatoire actuel.
Stabilité
satisfaisante
ORIENTATION GENERALE DE XPENT
Modification I
de la pente ? I
Les problèmes de stabilité de pentes sont perçus
différemment s e l o n l e s caractéristiques géologiques e t climatiques l o c a l e s . A i n s i , l a p l u p a r t
des pentes i n s t a b l e s du sud de 1' Europe présentent généralement des v i t e s s e s de déplacement
très f a i b l e s e t l a recherche d'une bonne méthode
de c o n f o r t a t i o n c o n s t i t u e
l a préoccupation
p r i n c i p a l e . Par contre, dans l e s a r g i l e s s e n s i bles de l a Scandinavie ou du Québec, lorsqu' i l y
a glissement, b i e n souvent,
l e matériau remanié
s'écoule ne l a i s s a n t r i e n à c o n f o r t e r ; l a
préoccupation e s t a l o r s beaucoup plus reliée aux
notions de risques de glisssement e t d'aménagement du t e r r i t o i r e . A ces aspects extérieurs, i l
faut a j o u t e r que l e s facteurs conduisant à l a
Non
Satisfaisante
Oui
Évaluation des
nouvelles conditions
de stabilité
Insuffisante
Méthodes de
confortation
+
analyse économique
Fig. 1 -
625
Cheminement général
suivi dans XPENT.
dans ce d e r n i e r cas, i l faut procéder à une
investigation
géotechnique s i c e l a n' a pas
déjà été f a i t , préciser l e régime hydrologique
par des mesures e t éventuellement p a r un programme de détermination du réseau d'écoulement
et e f f e c t u e r une analyse de stabilité c l a s s i q u e
à 1' aide d'abaques ou de programmes de c a l c u l ;
Arg. ou Pul.^V
Pul. ou Arg.
Arg. ou Pul.
Pul. ou Arg.
Pul. ou socle rocheux
Cas simple
lorsque l a pente dans s a s i t u a t i o n i n i t i a l e
est jugée s t a b l e e t que des travaux t e l s que
excavation,
chargement ou m o d i f i c a t i o n des
conditions hydrologiques sont prévus, i l faut
en examiner l e s e f f e t s s u r l e s conditions de
stabilité ;
. lorsque l a pente e s t jugée i n s t a b l e , i l s'avère nécessaire de considérer l e s méthodes de conf o r t a t i o n a f i n de c h o i s i r c e l l e qui sera à l a
f o i s e f f i c a c e e t économique.
Tout en suivant ce p l a n général, XPENT peut v i ser différents usages e t clientèles. XPENT pourr a i t être une s o r t e d'aide-mémoire pour 1' ingénieur en géotechnique ; i l p o u r r a i t a u s s i être
une s u b s t i t u t i o n de 1' expert e t être a l o r s u t i lisé par des non spécialistes en géotechnique.
Le choix f i n a l r e s t e à f a i r e . Cependant, XPENT
donnera certainement naissance à un système
d'enseignement assisté p a r ordinateur (EAO) que
nos établissements u t i l i s e r o n t . [SHI, 1987]
Caractérisation de l a pente
I l n' y a pas d'approche u n i v e r s e l l e aux problèmes de stabilité de pentes puisque l a problématique v a r i e avec l e s matériaux rencontrés, l e
contexte géologique, l e s conditions climatiques,
l a densité de population, 1' expérience l o c a l e
développée p a r l e s ingénieurs, e t c ... I l r e s t e
cependant que l e type de matériau rencontré a i n s i que l a s t r a t i g r a p h i e générale conditionnent
l e type de rupture e t dans une c e r t a i n e mesure
l a méthodologie à s u i v r e dans l ' a n a l y s e a i n s i
que l e s méthodes de c o n f o r t a t i o n . Des grandes
classes de pentes ont donc été distinguées s u r
l a base du matériau dominant :
-
Cas
stratifié
Pulvérulent
Alpha
Fig. 2 -
Sous-classes
Béta
1
Béta
2
de la classe "argiles molles"
est d i f f i c i l e d ' u t i l i s e r 1' expérience e t l e j u gement pour évaluer l a stabilité. Dans un t e l
cas une i n v e s t i g a t i o n détaillée du s i t e e t une
analyse
classique
de l a stabilité
sont
nécessaires.
Dans l e s cas de complexité intermédiaire,
l'observation,
quelques mesures de p r e s s i o n
interstitielle,
1' expérience acquise localement
et des règles relativement simples
permettent
dans b i e n des cas de j u g e r s i une pente e s t s t a ble ou non.
Dans l e s autres cas, seule une anal y s e c l a s s i q u e de l a stabilité permet de préciser s i l a stabilité e s t s u f f i s a n t e , d'abord à
1' aide de données géotechniques e t hydrologiques
simples e t d'abaques comme ceux de Janbu,
ensuite, s i nécessaire p a r une i n v e s t i g a t i o n
plus complète e t des programmes de c a l c u l . V i n v e s t i g a t i o n pourra être guidée p a r l e systèmeexpert.
Evaluation q u a l i t a t i v e de l a pente
Cette phase du processus v i s e à s' assurer que
tous l e s éléments qui peuvent mettre en évidence
ou qui peuvent créer 1' instabilité de l a pente
ont été examinés ; e l l e v i s e a u s s i à u t i l i s e r au
maximum l a connaissance acquise par l a profess i o n dans l e domaine des pentes a i n s i que 1' expérience l o c a l e pour juger de l a stablité s u r l a
base d'abord de 1' observation e t éventuellement
d'une reconnaissance sommaire. V i n v e s t i g a t i o n
détaillée e t 1' analyse de l a stabilité à 1' aide
d'un programme de c a l c u l sont donc repoussés autant que f a i r e se peut.
a r g i l e s molles
a r g i l e s surconsolidées e t roches tendres
s o l s pulvérulents
s o l s loessiques
roches altérées e t s o l s résiduels
roches dures.
Pour l ' i n s t a n t , seules l e s classes " a r g i l e s
molles"
e t "sols
pulvérulents"
ont
été
examinées.
L' évaluation q u a l i t a t i v e de l a stabilité e s t basée s u r une observation détaillée de l a pente e t
de son environnement géomorphologique. On r e cherche d'abord des i n d i c e s évidents d ' i n s t a b i lité t e l s que présence de f i s s u r e s , présence de
moutonnements où des évidences d'érosion. Les
questions sont du genre " Y-a-t' i l des évidences
d'érosion- dans l a pente ou en p i e d de t a l u s ?"
" S i l e cours d'eau présent en p i e d de t a l u s présente des méandres, de quel côté du méandre se
s i t u e l a pente ?" e t c ... ; dans l e cas de matériaux pulvérulents, l e s questions sont "y-a-t' i l
résurgence ? Le matériau e s t - i l entraîné ?", e t c
Dans de nombreux cas, i l n' y pas un seul type de
matériau, mais p l u s i e u r s . I l devient a l o r s nécessaire de définir des sous-classes certaines
pouvant se r e t r o u v e r dans p l u s i e u r s classes. La
f i g u r e 2 présente l e s sous-classes qui ont été
définies pour l a c l a s s e " a r g i l e s molles" ; e l l e
permet aussi d'indiquer l e s approches qui peuvent être s u i v i e s :
. Dans l e "cas simple" où 1' épaisseur de l a couche d ' a r g i l e est plus de t r o i s f o i s l a hauteur
de l a pente, l e s conditions hydrologiques ne dépendent pas, dans l a zone de l a pente, des cond i t i o n s dans l a couche sous-jacente e t sont par
conséquent s i m i l a i r e s dans tous l e s cas de
figures. I l s' e n s u i t que 1' usage de règles simples basées s u r 1' expérience l o c a l e e t d'abaques
peuvent permettre une assez bonne évaluation de
l a stabilité.
La géomorphologie comparative e s t aussi beaucoup
utilisée, l a géométrie de l a pente étant comparée à c e l l e s des pentes v o i s i n e s ou de l a région
se
trouvant
dans
l e s mêmes
conditions
géologiques. La f i g u r e 3 montre clairement que
pour l a région de Saint-Ambroise,
Québec, l e s
zones du diagramme hauteur de pente-angle de l a
pente dans l e s q u e l l e s l e s pentes peuvent être
Dans l e "cas stratifié" où se succèdent des
couches de natures différentes e t où l e s conditions hydrauliques peuvent être complexes, i l
626
^1
T
\
•
E
•
n
1
Instable
W
S
•
3
•
\
F"
1
T Stable
•
Exploitation,
élaboration de
nouvelles règles
1
Angle de la pente,{')
•50
(d'après Lebuis et al.. 1982)
F/g. 3 - Hauteur et angle des pentes argileuses dans
la région de Saint-Ambroise, Q u é b e c .
considérées s t a b l e s ou i n s t a b l e s sont clairement
définies. 11 r e s t e cependant une c e r t a i n e zone
" grise" à 1' intérieur de l a q u e l l e l a stabilité
est i n c e r t a i n e e t d o i t être analysée plus en
détail. [LEBUIS e t a l , 1982]
Programmes de c a l c u l s
Fig. 4 - Organisation générale du système-expert XPENT.
Cette p a r t i e du p r o j e trie s t pas encore amorcée
mais e l l e s e réalisera en c o l l a b o r a t i o n avec l e s
Laboratoires des Ponts e t Chaussées de France
qui ont acquis une grande e x p e r t i s e dans ce
domaine. I l e s t prévu que c e t t e recherche de méthodes de c o n f o r t a t i o n s o i t combinée à une anal y s e économique des travaux associés.
I l s' e s t très v i t e avéré qu' i l était nécessaire
de coupler des programmes de c a l c u l au systèmeexpert a f i n de pouvoir donner dans tous l e s cas
marginaux une réponse d'ingénieur chiffrée en
terme de c o e f f i c i e n t ou de marge de sécurité.
STRUCTURE DU SYSTEME EXPERT XPENT
XPENT e s t bâti comme t o u t système-expert autour
d'un moteur d ' i n f érences e t 1' u t i l i s a t e u r e s t
assisté par un c e r t a i n nombre d'interfaces. On
peut schématiser XPENT comme s u i t ( f i g u r e 4) :
A f i n de préciser l e réseau d'écoulement dans l e
massif de s o l lorsque 1' on a seulement quelques
lectures piézométriques, un programme de c a l c u l
est nécessaire. Un t e l programme présente aussi
1' avantage de pouvoir vérifier l a cohérence de
l'ensemble des mesures piézométriques.
Pour
l ' i n s t a n t l e programme de c a l c u l n' a pas été
c h o i s i mais i l sera très vraisemblablement en
éléments f i n i s .
.
de
de
nu
Le moteur d'inférences q u i à p a r t i r de l a base
f a i t s e t de l a base de connaissances infère
nouveaux f a i t s , jusqu' à c e l u i q u i sera reconcomme s o l u t i o n du problème. [MAZERAN, 1986]
. La base de f a i t s q u i décrit l e cas réel. Cette
base peut être alimentée dynamiquement p a r des
questions posées par l e système.
Pour 1' analyse de l a stabilité, l e choix s' est
porté vers l e programe de c a l c u l Nixes e t T r o l l s
[FAURE e t a l , 1985] comportant deux sousprogrammes, 1' un basé s u r l a méthode Bishop modifiée [BISHOP, 1955], 1' autre basé s u r l a méthode
des perturbations [FAURE, 1985] e t qui permet
1' analyse de l a stabilité suivant des surfaces
de glissement c i r c u l a i r e s e t non c i r c u l a i r e s .
La base de connaissances q u i contient sous
forme de règles ou de " frames" l e s a v o i r des
experts.
Autour de ces t r o i s p a r t i e s fondamentales d'un
système expert nous trouverons l e s modules s u i vants q u i font l a particlarité de XPENT.
Un module de c a l c u l en rupture c i r c u l a i r e e t
non c i r c u l a i r e qui s e r a déclenché par l e système
expert quand c e l u i - c i aura besoin de q u a n t i f i e r
l a sécurité. Ce module sera une forme plus élaborée de NIXES e t TROLLS.
Les paramètres à considérer dans l e s analyses
seront déduits de 1' expérience ; c' est a i n s i que
pour l e s a r g i l e s , on considérera l e s travaux de
Skempton [1977] e t de Lefebvre [1981] e t de Tavenas e t L e r o u e i l [1981]. Le choix de ces paramètres sera là encore guidé par l e systèmeexpert.
. Un module de c a l c u l de régime hydraulique a f i n
de v a l i d e r ou d'informer certaines hypothèses
sur l e rôle de 1' eau, ou de déterminer l e réseau
des pressions i n t e r s t i t i e l l e s pour l e module de
c a l c u l précédent.
Méthode de c o n f o r t a t i o n
Les phases d'évaluation q u a l i t a t i v e e t q u a n t i t a t i v e ont normalement permis 1' i d e n t i f i c a t i o n des
facteurs d'instabilité q u i vont o r i e n t e r l e
choix de l a méthode de confortation. S i par
exemple 1' instabilité provient de niveaux d'eaux
élevés on envisagera d'abord de couper l e s venues d'eau en amont ou encore de mettre en place
un système de drainage ; s i l'instabilité e s t
causée par de 1' érosion, i l faut absolument
stopper c e l l e - c i .
Un module e x p l i c a t i f pour t r a d u i r e l e chemine
ment e t l e s déductions du moteur d ' i n f érence.
en s' appuyant s u r l e s règles utlisées.
\
Nettement séparée de XPENT dans un premier
temps une base de données de cas réels, q u i
d e v r a i t permettre d ' i l l u s t r e r l e cas traité
par des r e l a t i o n s de ressemblance.
Cette base
exploitée
de façon c l a s s i q u e d e v r a i t aussi
627
appartient une pente a r g i l e u s e ( f i g u r e 2) une
dizaine
de
questions
sont
normalement
nécessaires. SMECI p e r m e t t t r a i t de p r o j e t e r à
1' écran l a f i g u r e 2 e t de définir l a sous-classe
nous intéressant t o u t simplement à 1' aide d'un
pointeur.
PENTE
Site
Commune
: Little Creek
: Bradwell
Région
: Essex
Propriétaire
: P. W. Smith
Matériau principal
: Sol argileux
Hauteur
:30m
Pente moyenne
:9°
CONCLUSION
Dans l e but de préciser l e s o r i e n t a t i o n s e t l e s
moyens de mettre en oeuvre pour l e développement
du système-expert en stabilité des pentes XPENT,
un système p r o b a t o i r e a été réalisé. Les p r i n c i pales conclusions e t o r i e n t a t i o n s pour 1' a v e n i r
du p r o j e t sont :
SOL ARGILEUX
Identification
Argile silteuse
%<2um
75
Teneur en eau, %
34
Indice des vides
Poids volumique , kN/m
l e système sera structuré pour analyser l a
stabilité des pentes d'abord qualitativmeent
puis éventuellement quantitativement. Les méthodes de c o n f o r t a t i o n seront i n t r o d u i t e s , XPENT
devenant a l o r s système expert en conception
[MONTALBAN, 1987].
0,91
3
18,6
Limite de liquidité
.78
Indice de plasticité
49
Cohésion non drainée , kPa
•n
4x10
175
Angle de frottement en
normal consolidé
21"
Perméabilité, m/s
11 évaluation q u a l i t a t i v e de l a stabilité sera
basée essentiellement s u r l'observation, l a
comparaison, géomorphologique e t s u r l'expérience.
1/ analyse q u a n t i t a t i v e s e r a résolue p a r couplage au système-expert de programmes de c a l c u l
du réseau d'écoulement e t de l a stabilité en
rupture c i r c u l a i r e ou non c i r c u l a i r e .
Flg. S — Exemples de prototypes ou "trames"
Le moteur d'inférences sera s e l o n toutes v r a i
semblances SMECI q u i e s t b i e n adapté aux problèmes de génie e t qui f a i t usage de prototypes ou
"frames".
permettre 1' élaboration ou l'amélioration de
règles pour l a base de connaisances.
REMERCIEMENTS
I l e s t apparu très v i t e l o r s du développement du
système p r o b a t o i r e que XPENT s e r a i t un gros système comportant plus de 1 000 règles nécessitant
par
conséquent un moteur d'inférences très
performant.
I l e s t a u s s i apparu que l e s problèmes traités se prêtaient très b i e n à 1' usage de
prototypes ou "frames". [SEVE, 1987] Un p r o t o t y pe e s t une s t r u c t u r e de données q u i décrit des
objets-types. La f i g u r e 5 montre deux exemples
de prototypes du domaine étudié : "pente" e t
" s o l argileux" q u i contiennent un c e r t a i n nombre
de caractéristiques que 1' on retrouve dans toutes l e s "pentes" ou " s o l s a r g i l e u x " e t des v a r i a b l e s qui permettent de caractériser une pente
ou un s o l a r g i l e u x p a r t i c u l i e r . E n f i n chaque
prototype peut c o n t e n i r d'autres
prototypes,
comme c' e s t l e cas pour " s o l s a r g i l e u x " q u i i n t e r v i e n t dans l e prototype "pente" dans 1' exemp l e de l a f i g u r e 5. L' u t i l i s a t i o n de prototypes
nécessite des aptitudes particulières du moteur
d'inférences mais, p a r l a manipulation de blocs
de données, accroît considérablement 1' e f f i c a c i té du système.
Les auteurs remercient l e s organismes FranceQuébec e t Jacques C a r t i e r qui, en supportant f i nancièrement l a coopération entre 1' Ecole Nationale des Travaux P u b l i c s de 1' E t a t de Vaulx-enV e l i n e t 1' Université Laval de Québec ont permis
à XPENT de naître.
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ANALYSE DES CONTRAINTES DANS UN TALUS PAR LA METHODE DES
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point par l e s chercheurs de l ' I n s t i t u t National
de Recherches en Informatique Appliquée à Nice,
France e t qui e s t b i e n adapté aux problèmes de
génie, tout particulièrement à ceux de génie c i v i l [NEVEU e t HAREN, 1986]. SMECI e s t écrit dans
un environnement Le L i s p e t nécessite 5 mégaoct e t s de mémoire ; XPENT sera donc développé s u r
s t a t i o n de t r a v a i l de type A p o l l o ou Sun mais
une f o i s finalisé, pourra être utilisé s u r une
machine de plus f a i b l e capacité. SMECI présente
aussi 1' intérêt de pouvoir f a i r e usage d'inconographie pour caractériser des objets, [BOIROT,
LEBASTARD, 1987] ce qui p e r m e t t r a i t de réduire
considérablement l e nombre de questions nécess a i r e à 1' établissement de l a base de f a i t s . Par
exemple, pour définir l a sous-classe à l a q u e l l e
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