The collapse of diaphragm walls retaining clay
Authors: Bolton M. D. , Powrie W. 
Published: October 2009

Five centrifugal model tests are reported which illustrate aspects of the collapse of stiff cantilever retaining walls embedded in overconsolidated clay. The drainage of a heavy fluid in flight was used to simulate the effects of excavation, following the establishment of a high initial groundwater level. Two modes of collapse were observed with unpropped walls. The temporary stability of walls with small penetration was interrupted by the hydraulic action of a water-filled crack opening on the retained side of the wall. The long-term rotational failure of walls of deeper penetration was also observed, involving distributed strains in ‘active’ and ‘passive’ zones which could lead ultimately to sliding on shear rupture surfaces. An analysis was developed based on admissible stress fields, with active and passive zones switching about a pivot point, so that the unpropped wall could satisfy the conditions of both moment and force equilibrium. A back analysis of the two sudden failures using an undrained strength based on the overconsolidation ratio was successful in matching the critical penetration ratio and pivot position observed in the tests. A drained analysis using φ′ derived from triaxial and plane strain tests was equally successful in comparison with the data of long-term failure. A similar stress analysis for a wall propped at the top was shown to be conservative. This was thought to be due to the kinematic restraint of the prop which produced a rupture surface on the active side which was much steeper than those observed before. A back analysis of the observed failure mechanism generated a credible value of mobilized soil friction close to the peak observed in soil tests. This value also gave a consistent match for the bending moments and propping force measured in the test. Care must be taken to account for the possible effects of progressive failure. Critical state soil angles, with fully mobilized wall friction, can be anticipated to relate to the gross long-term deformation of walls. Loss of retained height and heave in the exacavation lead eventually to self-stabilization.

L'article décrit cinq essais de centrifugeuse effectués sur des modèles qui illustrent des aspects de la rupture de murs de soutènement cantilever rigides encastéb dans de l'argile surconsolidée Le drainage d'un fluide lourd en vol fut employé pour simuler les effets de léexcavation, suivant l'etablissement d'un haut niveau initial d'eau souterraine. Deux modes de rupture furent observés avec des murs sans appui. La stabilité temporaire des murs avec peu de pénétration fut interrompue par l'action hydraulique d'une fente remplie d'eau qui s'ouvrait sur le côte amont du mur. On observa aussi la rotation à long terme des murs de pénétration plus profonde, conduisant à des déformations distribuées dans des zones ‘actives’ et ‘passives’ qui pourraient mener à la longue au glissement sur des surfaces de rupture de cisaillement. Une analyse fut développée basée sur des champs de contrainte admissibles, avec des zones actives et passives alternant autour de quelque point de pivotement, de sorte que le mur sans appui pouvait satisfaire aux conditions de l'équilibre des moments et des forces. Une analyse régressive des deux ruptures brutales, employant une résistance non-drainée basée sur le rapport de surconsolidation réussit à s'accorder au rapport critique de pénétration et à la position de pivotement observés au tours des essais. Une analyse drainée employant φ′ dérivé d'essais triaxiaux et de déformation plane réussit également en comparaison avec les données de la rupture à long terme. Une analyse de contrainte analogue pour un mur appuyé en haut se montra un peu en deça de la realité, apparemment en raison de la restriction cinétique de l'appui, qui produisit sur le côté actif une surface de rupture beaucoup plus raide que celle observée auparavant. Une analyse régressive du mécanisme de rupture observé donna une valeur fiable du frottement du sol en mouvement ne différant pas beaucoup du pic observé lors des essais de sol. Cette valeur s'accorda bien aussi aux moments de flexion et à la force d'appui mesurés au cours de l'essai. Les champs de contrainte d'équilibre donnent une solution qui est en général sûre et fiable aux problèmes de l'instabilité des murs rigides encastrés. Les effets possibles de la rupture progressive doivent être pris en considération. On peut s'attendre à ce que les angles du sol dans l'état critique aient une relation avec la déformation totale à long terme des murs lorsque le frottement centre les murs est maximum.