A study of ground movement and progressive failure caused by a deep excavation in Oxford Clay

Abstract

A study of a 29 m deep brickpit which was progressively excavated in overconsolidated Oxford Clay has shown that the surrounding ground within a distance of 60 m was affected by movement. The release of in situ stress caused inward displacement of the sides of up to 200 mm and settlement of about 100 mm. The heave of the base of the pit amounted to some 100 mm. The Oxford Clay moved inward as a block, displacement at the base being almost the same as at ground level. Overthrusting relative to lower beds occurred by sliding on a shear band which developed by progressive failure as the maximum shear stress exceeded the peak shear strength along bedding planes near pit base level. Horizontal extension was concentrated in the ground overlying an ‘end region’ of the shear band, 20–30 m from the face, where, following initiation of displacement, the shear strength dropped from peak to residual causing a rapid reduction in horizontal stress. The observed behaviour is in broad agreement with the mechanism of progressive failure discussed by Bjerrum (1967) and recently published theoretical work on initiation and propagation of shear bands (Palmer and Rice, 1973). Details are given of the precise survey techniques and instrumentation installed to measure the ground movements. The geotechnical properties and structural fabric of the Oxford Clay are described and their influence on ground movement discussed. L'étude d'un puits maçonné en briques d'une profondeur de 29 m qui a été creusé progressivement dans de l'argile d'Oxford surconsolidée a montré que le terrain environnant dans un rayon de 60 m fut affecté par le mouvement. Le relâchement des contraintes in situ causa un déplacement interne des côtés de 200 mm environ et un tassement de l'ordre de 100 mm. Le soulèvement de la base du puits a atteint une valeur de 100 mm. L'argile d'oxford se déplaça intérieurement en bloc, le déplacement à la base étant presque le même qu'au niveau du sol. Le surenfoncement relatif par rapport aux couches plus basses se produisit par glissement sur une bande de cisaillement qui se développa par rupture progressive lorsque la contrainte de cisaillement maximale dépassa la résistance de pic à la rupture au cisaillement le long de plans de stratification près du niveau du fond du puits. L'extension horizontale était concentrée dans le sol surmontant une ‘région d'extrémité’ de la bande de cisaillement. 20 à 30 m de la face où, suivant l'initiation de déplacement, la contrainte de cisaillement tomba de la valeur de pic à la valeur résiduelle causant une réduction rapide des contraintes horizontales. Le comportement observé est en plein accord avec le mécanisme de rupture progressive proposé par Bjerrum (1967) et avec un ouvrage théorique publié récemment sur l'initiation et la propagation de bandes de cisaillement (Palmer et Rice, 1973) Des détails sont donnés sur les techniques précises de nivellement et l'instrumentation, installées pour mesurer les mouvements du sol. Les propriétés géotechniques et la structure de l'argile d'Oxford sont décrites et leur influence sur le mouvement du sol est examinée.