Laboratory experimental study on pumping-induced earth fissures

Abstract

The mechanisms associated with pumping-induced earth fissures have so far been unclear. To gain an insight into the mechanisms, a physical model test was conducted, which included a pumping well and a ridge of bedrock. There were two soil layers in the model box—the lower one was sand and the upper one was silty clay. When groundwater was pumped through the system, both pore-water pressure change and soil deformation were found to be three-dimensional. The pore-water pressure in the pumped sand layer decreased rapidly when pumping started, while that in the neighboring clay layer increased in the early pumping time and then gradually decreased with pumping. The bedrock ridge hindered water in the sand layer from flowing towards the pumping well and reduced water replenishment from a constant head boundary, resulting in an unusual distribution of pore-water pressure. The vertical compaction of the clay layer changed with different sites, and the greatest occurred over the bedrock ridge. The greatest vertical strain occurred in the zone between the pumping well and bedrock ridge, as did the maximum surface horizontal displacement and horizontal strain within the soils. The number and the size of fissures increased with pumping. Earth fissures mainly developed in the area between the pumping well and the projection of the bedrock ridge, and most fissures trended approximately in parallel with the ridge. The pumping-induced fissures result mainly from the failure caused by differential horizontal and vertical soil deformation due to pumping and bedrock upheaval.

Résumé

Les mécanismes associés aux fissures du sol provoquées par un pompage n’ont jusqu’à présent pas été élucidés. Pour mieux comprendre ces mécanismes, un test sur modèle physique a été réalisé, qui mettait en scène un puits de pompage et une crête du substratum rocheux. Il y avait deux couches de sol dans la structure modélisée: la couche inférieure était un sable et la couche supérieure une argile silteuse Lorsque l’eau souterraine a été pompée au sein du système, on a constaté que le changement de pression interstitielle ainsi que la déformation du sol étaient tri-dimensionnelles. La pression interstitielle a décru rapidement au début du pompage dans la couche sableuse sollicitée, tandis que celle de la couche d’argile proche a augmenté dans les premiers temps du pompage et décru ensuite progressivement au cours du pompage. La crête du substrat rocheux a empêché l’eau de la couche de sable de s’écouler vers le puits de pompage et a réduit la recharge à partir de la limite à potentiel constant, générant une distribution inhabituelle de la pression interstitielle. La compaction verticale de la couche argileuse a changé dans les différents emplacements et la plus importante s’est produite à l’aplomb de la crête rocheuse. La plus grande déformation verticale s’est produite dans la zone située entre le puits de pompage et la crête du substratum rocheux, tout comme le déplacement horizontal maximum de surface et la déformation horizontale des sols. Le nombre et la taille des fissures ont augmenté avec le pompage. Les fissures du sol se sont développées principalement dans la zone comprise entre le puits de pompage et le ressaut de la crête du substratum rocheux, et la plupart des fissures se sont orientées à peu près parallèlement à la crête. Les fissures induites par le pompage résultent principalement de la discontinuité causée par une déformation horizontale et verticale différentielle du sol due au pompage et à la surélévation du substratum rocheux.

Resumen

Los mecanismos asociados a las fisuras del terreno inducidas por el bombeo no han estado claros hasta la fecha. Para conocer los mecanismos, se realizó un ensayo de modelo físico que incluía un pozo de bombeo y una zona de basamento. En la caja del modelo había dos capas de suelo: la inferior era de arena y la superior de arcilla limosa. Cuando se bombeó agua subterránea a través del sistema, se comprobó que tanto el cambio de la presión de los poros como la deformación del suelo eran tridimensionales. La presión del agua de los poros en la capa de arena bombeada disminuyó rápidamente cuando se inició el bombeo, mientras que la de la capa de arcilla vecina aumentó en el primer momento del bombeo y luego disminuyó gradualmente con el bombeo. El basamento rocoso impidió que el agua de la capa de arena fluyera hacia el pozo de bombeo y redujo la reposición de agua desde un límite de carga constante, lo que dio lugar a una distribución inusual de la presión del agua de los poros. La compactación vertical de la capa de arcilla cambió con los diferentes sitios, y la mayor se produjo sobre el basamento. La mayor deformación vertical se registró en la zona entre el pozo de bombeo y el basamento, al igual que el máximo desplazamiento horizontal de la superficie y la deformación horizontal dentro de los suelos. El número y el tamaño de las fisuras aumentó con el bombeo. Las fisuras del terreno se desarrollaron principalmente en la zona comprendida entre el pozo de bombeo y la proyección del basamento, y la mayoría de las fisuras tenían una tendencia aproximadamente paralela a la roca del basamento. Las fisuras inducidas por el bombeo son principalmente el resultado de la falla causada por la deformación diferencial horizontal y vertical del suelo debido al bombeo y al levantamiento del basamento.

摘要

迄今为止, 与抽水诱发的地裂缝相关的机制尚不清楚。为了深入了解这些机制, 进行了物理模型试验, 其中包括一个抽水井和一个基岩脊。模型箱内有两层土层:下层为沙砂土, 上层为粉质粘土。当通过系统抽取地下水时, 孔隙水压力变化和土壤变形都是三维的。抽水开始时, 抽水所在的砂层孔隙水压力迅速下降, 而相邻粘土层中孔隙水压力在抽水初期呈上升趋势, 随后随抽水逐渐减小。基岩脊阻碍了砂层中的水流向抽水井, 减少了恒定水头边界的补水, 导致孔隙水压力分布异常。粘土层的垂直压实度缩量随场地的不同而变化, 以基岩山脊上的压实度缩量最大。在抽水井和基岩脊之间的区域垂直应变最大, 最大地表水平位移和土壤内的水平应变也是如此。裂缝的数量和大小随着抽水而增加。地裂缝主要发育在抽水井与基岩脊投影之间的区域, 大部分地裂缝与山脊大致平行。抽水裂缝主要是由于抽水和基岩隆起引起的水平和垂直土壤变形差异引起的破坏。

Resumo

Os mecanismos associados as fissuras no terreno induzidas pelo bombeamento possuem muitas incertezas. Para conhecer os mecanismos, um teste do modelo físico foi conduzido, o qual incluiu um poço de bombeamento e um alto rochoso. Havia duas camadas de solo no modelo: a base era composta por areia e o topo por uma argila siltosa. Enquanto a água subterrânea era bombeada através do sistema, a pressão de água no poro foi alterada e a deformação do solo foi encontrada nas três dimensões. A poro pressão no bombeamento da camada arenosa diminuiu rapidamente quando o bombeamento foi iniciado, enquanto na camada de argila vizinha ocorre um aumento no início do bombeamento e depois diminuiu gradualmente com o bombeamento. O alto rochoso impediu que a água na camada de areia fluísse em direção ao poço de bombeamento e reduziu o reabastecimento de água de um limite constante de carga hidráulica, resultando em uma distribuição incomum da poro pressão. A compactação vertical da camada de argila mudou com os diferentes locais, e a maior ocorreu sobre o alto rochoso. A maior deformação vertical ocorreu na zona entre o poço de bombeamento e o alto rochoso, assim como o máximo deslocamento horizontal superficial e deformação horizontal dentro dos solos. O número e o tamanho das fissuras aumentaram com o bombeamento. As fissuras no terreno se desenvolveram principalmente na área entre o poço de bombeamento e a projeção do alto rochoso, e a maioria das fissuras tendiam aproximadamente em paralelo com a crista. As fissuras induzidas pelo bombeamento resultam principalmente da ruptura causada pela deformação horizontal e vertical diferencial do solo devido ao bombeamento e perturbação nas camadas rochosas.