一、影响因素分析
能够引发地面沉降的因素包括人为因素和自然因素。德州市地面沉降人为因素包括工程因素和开采因素，自然因素为地质构造，而德州地面沉降产生的主要原因是深层地下水的超量开采。
1.工程因素
主要指由上部高层建筑附加荷载作用引发的地面沉降。该类沉降主要发生在表土层，即潜水面以上的部分，是人类工程活动的主要层次。根据工程勘察资料，区内表土层场地属中软土，Ⅲ类一般建筑场地。据建筑施工单位的测量数据，区内由一般建筑物引起的地面沉降量为2～3mm/a，相对区内每年20～50mm/a的沉降量速率可以忽略，另外对照区内多期墙角水准标石与一般水准标石测量数据，未有明显变化，说明区内工程因素不是区内产生地面沉降的主要原因。
2.开采因素
深层地下水开采因素对地面沉降的影响主要表现在水位降深和含水层岩性特征。
(1)水位的影响
区内自20世纪60年代开始开采深层地下水以来，地下水位埋深不断下降，水头不断降低，深层地下水一直处于超采状态。深层地下水降落漏斗中心与地面沉降中心位置一致，均处于国棉厂一带，且漏斗形态和扩展范围也基本相似。漏斗中心水位标高与地面标高随时间的变化曲线也基本相似。两者之间存在高度的相关性(表14-1)，由此我们可判定深层地下水的超量开采是区内地面沉降产生的一个主要因素。
(2)取水含水层岩性的影响
以沧州和德州地面沉降的对比为例。沧州位于河北省东部，与德州市毗邻，也因长期超量开采深层地下水导致超采漏斗和地面沉降。
沧州地面沉降出现于20世纪70年代初，至2001年30年间中心累计沉降量达2236mm，沉降速率100.45mm/a。德州地面沉降研究比较晚，1991～2000年中心累计沉降量为517mm，沉降速率为57mm/a，至2006年15年间中心累计沉降量为992mm，沉降速率为66.1mm/a。
3.构造因素
该区在大地构造上属于华北地台之辽冀台向斜之鲁西台背斜，是一个新构造运动相对稳定的区域，根据1951～1987年华北地区垂直形变速率图(图14-1)可知，由构造运动引起的地面下沉速率在2～3mm/a之间，因此区域构造及新构造运动不是区内地面沉降的主要因素。
表14-1 地面沉降与深层地下水水位相关性分析表
图14-1 华北地区垂直形变速率图(1951～1987年)
通过两地地质条件对比分析(表14-2)，确定引起两地地面沉降量差异的主要原因是深层地下水开采层的不同，沧州深层地下水主要开采层是第四系含水层，而德州主要开采新近系含水层。由于第四系地层形成时间短，固结系数较第三系大，先期固结压力小，所以在相同开采条件下，其沉降速率要大于德州。
二、形成机理分析
1.有效应力原理
有效应力原理是抽水引起土层压密的基本原理(图14-2)。
表14-2 沧州与德州地面沉降相关背景条件对比表
图14-2 抽水后有效应力变化图
图14-2中，P为土层的总应力，σ为抽水前的有效应力，μw为抽水前的孔隙水压力，抽水前上述诸压力处于平衡状态，即
山东省地质环境问题研究
抽水后随着水压力降了μf，土层中孔隙水压力随之下降，颗粒间浮托力减小，但由于抽水过程中土层的总压力基本保持不变，故此下降了的μf值即转化为有效应力增值。
山东省地质环境问题研究
大多数情况下，这种压密可认为是一维的，压密过程一般近似采用Terzaghi一维固结式。
2.地面沉降机理分析
地面沉降的实质是松散地层的压缩固结或压密，理论和实验均证明:在施加压力等同的情况下，粘性土的压缩变形量较砂性土大的多，且粘性土的压缩变形一般不具有可恢复性，即多属于塑性(永久)变形。在时间上存在滞后作用，也就是在压力取消后长时间内压缩变形仍继续发生。区内300～800m深度内地层结构以粘性土为主，砂性土仅占10%～15%左右。多年来，由于大量开采深层地下水，使地层内产生负压而压缩，从而造成地面沉降。对于抽取地下水引起的地面沉降，根据太沙基有效应力原理，当承压水头降低时，向上作用的水头压力也随之减小，使原土层中的压力平衡遭到破坏，含水层与粘性土层中的孔隙水大量外流，土体中的地下水渗出使其浮托力减小，有效应力增大，粘性土层进一步固结，土颗粒骨架中的孔隙压缩，对砂层而言则使砂层压密，从而引起地面沉降。因此，超量开采地下水造成承压含水层水位大幅度下降是产生地面沉降的外因，具有较大可压缩性的土层则是产生地面沉降的内因。以沉降中心内第三含水层水位标高和地面标高对比图可以看出，两者随时间的变化规律基本形似，水位下降引起地面沉降的产生(图14-3)。
图14-3 沉降漏斗中心水位标高与地面标高对比图
严格来说，一维固结理论不能直接用来解决因抽水而导致的沉降问题。然而，如果粗略估计，可采用一维固结理论的“太沙基一维固结理论”，根据德州地区工程地质特征，对其进行分层计算。沉降预算旨在反映地下水水位、开采量与地面沉降三者之间的数值关系，地面沉降预测是地下水数值模型和地面沉降量模型两部分的联立。
我国地面沉降主要分布于东部平原区，一些山间盆地也有分布。地面沉降都是以大中城市为中心，逐渐向外扩展，其成因皆由于过量开采地下水，目前全国已有70多个城市发生了不同程度的地面沉降。以下简要介绍几座地面沉降较严重的城市。
（1）上海市从1921年发现地面下沉开始，截至1965年，最大的累计沉降量已达2.67m，影响范围达200km2。有关部门采取了综合治理措施后，市区地面沉降已基本上得到控制。从1966～1987年的22年间，累计沉降量2.67m。
（2）天津市从1959～1990年间最大累计沉降量为2.92m。
1982年测得市区的年平均沉降速率为94mm。目前，沉降量在100mm以上的范围已达237km2。
海南省地质灾害避险应急手册
（3）北京市自20世纪70年代以来，地下水位平均每年下降12m，最严重的地区水位下降可达35m。地下水位的持续下降导致了地面沉降。
（4）西安市地面沉降发现于1958年。
1971年后随着
海南省地质灾害避险应急手册
海南省地质灾害避险应急手册
过量开采地下水而逐渐加剧。
1958～1999年，最大累计沉降量1m。
1983年后，西安市地面沉降趋于稳定发展，部分地区还有减缓的趋势。沉降量100mm的范围达200km2。
（5）海口市目前也大量开采地下水，日开采量约20万m3，由于没有开展地面沉降监测，还没有数据说明是否存在地面沉降。但是，长期过量开采地下水势必会导致地面沉降。因此，对地下水的开采必须进行科学管理和合理的开发利用。
此外，由于大量开采深部孔隙承压水，我国北方一些内陆城市的地面沉降问题也不容忽视。
我国出现地面沉降的城市较多。按发生地面沉降的地质环境可分为3种模式：
①现代冲积平原模式，例如，我国的几大平原。
②三角洲平原模式，尤其是在现代冲积三角洲平原地区，例如，长江三角洲就属于这种类型。常州、无锡、苏州、嘉兴、萧山的地面沉降均发生在这种地质环境中。
③断陷盆地模式，它又可分为近海式和内陆式两类。
扩展资料：
中国出现地面沉降的城市较多。我国已经陆续发现具有不同程度的区域性地面沉降的城市有30多座。可能还有一些城市虽已发生沉降，但因没有进行全国性全面的城市精密测量，所以不能给出沉降城市的准确数字。以下简要介绍几座地面沉降较严重的城市。
1、上海市。从1921年发现地面下沉开始，到1965年止，最大的累计沉降量已达2.63米，影响范围达400平方千米。有关部门采取了综合治理措施，采用人工回灌方法，使地下水位回升，地面部分回弹，市区地面沉降已基本上得到控制。从1966-1987年22年间，累计沉降量36.7毫米，年平均沉降量为1.7毫米。
2、天津市。从1959~1982年间最大累计沉降量为2. 15米。
1982年测得市区的平均沉降速率为94毫米。目前，最大累计沉降量已达2.5米，沉降量100毫米以上的范围已达900平方千米。
地面沉降成因主要包括新构造运动、开发利用地下流体资源、开采地下固体矿产、岩溶塌陷、冻土融化和工程建设等因素。其成因机制和形成条件如下：
（1）地面沉降的成因机制
由于地面沉降的影响巨大，因此早就引起了各国政府和研究人员的密切注意。早期研究者曾提出一些不同的观点，如新构造运动说、地层收缩说和自然压缩说、地面动静荷载说、区域性海平面上升说等。大量的研究证明，过量开采地下水是地面沉降的外部原因，中等、高压缩性黏土层和承压含水层的存在则是地面沉降的内因。因而多数人认为沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量荷载等引起的。
在孔隙水承压含水层中，抽取地下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身及其上、下相对隔水层中的孔隙水压力随之而减小。根据有效应力原理可知，土中由覆盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。由水承担的部分称为孔隙水压力（pw），它不能引起土层的压密，故又称为中性压力；而由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成上层的压密，故称为有效应力（ps）；二者之和等于总应力。假定抽水过程中土层内部应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致十中有效应力等量增大，结果就会引起孔隙体积减小，从而使土层压缩。
由于透水性能的显著差异，上述孔隙水压力减小、有效应力增大的过程，在砂层和粘土层中是截然不同的。在砂层中，随着承压水头降低和多余水分的排出，有效应力迅速增至与承压水位降低后相平衡的程度，所以砂法压密是“瞬时”完成的。在黏性土层中，压密过程进行得十分缓慢，往往需要几个月、几年甚至几十年的时间；因而直到应力转变过程最终完成之前，黏土层中始终存在有超孔隙水压力（或称剩余孔隙水压力）。它是衡量该土层在现存应力条件下最终固结压密程度的重要指标。
相对而言，在较低应力下砂层的压缩性小且主要是弹性、可逆的，而黏土层的压缩性则大得多且主要是非弹性的永久变形。因此，在较低的有效应力增长条件下，黏性土层的压密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升过程中，砂层的膨胀回弹则具有决定意义。
此外，土层的压缩量还与土层的预固结应力（即先期固结应力）、土层的应力—应变性状有关。由于抽取地下水量不等而表现出来的地下水位变化类型和特点也对土层压缩产生一定的影响。
（2）地面沉降的产生条件
从地质条件，尤其是水文地质条件来看，疏松的多层含水层体系、水量丰富的承压含水层、开采层影响范围内正常固结或欠固结的可压缩厚层黏土层等的存在，都有助于地面沉降的形成。从土层内的应力转变条件来看，承压水位大幅度波动式的持续降低是造成范围不断扩大累进性应力转变的必要前提。具体体观在以下五个方面：
① 厚层松散细粒土层的存在
地面沉降主要是抽采地下流体引起土层压缩而引起的，厚层松散细粒土层的存在则构成了地面沉降的物质基础。在广大的平原、山前倾斜平原、山间河谷盆地、滨海地区及河口三角洲等地区分布有很厚的第四系和新近系松散或未固结的沉积物，因此，地面沉降多发生于这些地区。如在滨海三角洲平原，第四纪地层中含有比较厚的淤泥质黏土，呈软塑状态或流动状态。这些淤泥质黏性土的含水量可高达60%以上，孔隙比大、强度低、压缩性强，易于发生塑性流变。当大量抽取地下水时，含水层中地下水压力降低，淤泥质黏土隔水层孔隙中的弱结合水压力差加大，使孔隙水流入含水层有效压力加大，结果发生黏性十层的压缩变形。
易于发生地面沉降的地质结构为砂层、粘土层互层的松散土层结构。随着抽取地下水，承压水位降低，含水层本身及其上、下相对隔水层中孔隙水压力减小，地层压缩导致池面发生沉降。
② 长期过量开采地下流体
未抽取地下水时，黏性土隔水层或弱隔水层中的水压力与含水层中的水压力处干平衡状态。抽水过程中，由于含水层的水头降低，上、下隔水层中的孔隙水压力较高，因而向含水层排出部分孔隙水结果使上、下隔水层的水压力降低。在上覆土体压力不变的情况下，黏土层的有效应力加大，地层受到压缩，孔隙体积减小。这就是黏土层的压缩过程。
由于抽取地下水，在井孔周围形成水位下降漏斗，承压含水层的水压力下降，即支撑上覆岩层的孔隙水压力减小，这部分压力转移到含水层的颗粒上。因此，含水层因有效应力加大而受压缩，孔隙体积减小，排出部分孔隙水。这就是含水层压缩的机理。
地面沉降与地下水开采量和动态变化有着密切联系：地面沉降中心与地下水开采漏斗中心区呈明显一致性；地面沉降区与地下水集中开采区域大体相吻合；地面沉降量等值线展布方向与地下水开采漏斗等值线展布方向基本一致，地面沉降的速率与地下液体的开采量和开采速率有良好的对应关系；地面沉降量及各单层的压密量与承压水位的变化密切相关；许多地区已经通过人工回灌或限制地下水的开采来恢复和抬高地下水位的办法，控制了地面沉降的发展，有些地区还使地面有所回升。这就更进一步证实了地面沉降与开采地下液体引起水位或液体沉降之间的成因联系。
③ 新构造运动的影响
平原、河谷盆地等低洼地貌单元多是新构造运动的下降区，因此，由新构造运动引起的区域性下沉对地面沉降的持续发展也具有一定的影响。
西安地面沉降区位于西安断陷区的东缘，由于长期下沉，新生界累计厚度已经超过3000m。
1970～1987年，渭河盆地大地水准测量表明，西安的断陷活动仍在继续，在北部边界渭河断裂及东有部边界临渝-长安断裂测得的平均活动速率分别为3.37mm/a和3.98mm/a，构造下沉约占同期沉降速率的3.1%～7%。
④ 城市建设对地面沉降的影响
相对于抽采地下流体和构造运动引起的地面下沉，城市建设造成的地面沉降是局部的，有时也是不可逆转的。
城市建设按施工对地基的影响方式可分为以水平方向为主和以垂直方向为主的两种类型。前者以重大市政工程为代表，如地铁、隧道、给排水工程、道路改扩建等，利用开挖或盾构掘进，并铺设各种市政管线。后者以高层建筑基础工程为代表，如基坑开挖、降排水、沉桩等。沉降效应较为明显的工程措施有开挖、降排水、盾构掘进、沉桩等。
若揭露有流砂性质的饱水砂层或具流变特性的饱和淤泥质软土，在开挖深度和面积较大的基坑时则有可能造成支护结构失稳，从而导致基坑周边地区地面沉降。而规模较大的隧道、涵洞的开挖有时具有更显著的沉降效应。降排水常作为基坑等开挖工程的配套工程措施，旨在预先疏干作业面渗水，其机理与抽取地下水引发地面沉降一致。
城建施工造成的沉降与工程施工进度密切相关，沉降主要集中于浅部工程活动相对频繁和集中的地层中，与开采地下水引起的沉降主要发生在深部含水砂层有根本区别。
总言之，地壳沉降活动、松散沉积物的自然固结、人类开采地下水或油气资源引起的土层压缩等因素都会引起地面沉降，但从灾害研究角度而言的地面沉降是指人类活动引起的地面沉降，或者是以人类活动为主、自然动力为辅而引起的地面沉降。地面沉降的形成条件主要包括两个方面：一是具有地面沉降的地质条件，即具有较高压缩性的厚层松散沉积物；二是具备地面沉降的动力条件，如人类长期过量开采地下水和地下沼气资源等。
据来自上海市水务局的一份材料透露，上海的地面沉降已得到有效控制。目前的年均地面沉降量不足历史上最高年均沉降量的10％。
据介绍，由于采取了地下水开采的控制措施，并用地表水回灌到地下水层，上海目前的年均地面沉降量已降至约10
毫米，而历史上最高的年均沉降量是110毫米。从1965年起实施地下水人工回灌，累计回灌水量达到6亿立方米，这期间上海积累地面沉降量仅为0．218米。据专家说，这个成绩在国内沿海城市中“属领先水平”。
上海从1921年起出现明显的地面沉降现象，至1965年市区地面平均下沉了1．69米，这是上海历史上地面沉降最快的时期。据记载，上海从1860年开始开采地下水，至上世纪60年代初年开采量达到2亿立方米，为历史最高峰。
上海是国内最早认识地面沉降危害的城市之一。
1965年起对地下水开采实行控制，年开采量开始下降。虽然上世纪90年代由于经济高速发展，地下水开采又有抬头现象，但供水管理部门及时推行了计划用水的措施，而且加快郊区的自来水制水和管网建设，在农村地区提高自来水对地下水的替代率，近年来地下水开采量逐年下降的势头较为稳定，目前年开采量已降至9635万立方米，仅为历史最高年份的46％。上海还采用了向地下水层回灌自来水的办法，使地下水位抬高，达到恢复土层弹性，控制地面沉降的目的。
据专家说，影响地面沉降的因素包括：地下水开采，市政工程建设，大型建筑物建设施工以及沿海城市特有的地质结构和地质变化。除了控制地下水开采，上海还在大力控制高楼的过度建设，这些措施都与控制地面沉降有关。
地面沉降是沿海城市的一种缓变的地质灾害，具有累进和不可逆转的特性，其影响将长期发生作用。上海濒江临海，易遭台风、暴雨、大潮以及长江和太湖流域洪水的侵袭，加之日渐明显的海平面上升趋势，控制地面沉降对上海的可持续发展而言“更是显得至关紧要”
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