【摘要】：随着现代工业化的发展，人们对地下水的开采量在逐年的增加，因此而引起的整个地下含水层的地下水位显著下降，进而引起地面沉降日趋严重。而随着高层甚至超高层建筑的兴起，由此次引起的地面问题也日趋增多，被称为“地面不能承受之重”。现主要针对这两方面分析其产生的原因及变形机理，针对学术界普遍应用的理论做进一步的阐述。
【关键词】：地下水；地基基础；附加应力；地面沉降
地面沉降 （ land subsidence）又称为地面下沉或地陷 ，是指在一定的地表面积内所发生的地面水平面降低的现象。作为自然灾害，古代很久以前就有记载，但随着人类社会经济的发展、人口的膨胀，由人类活动而造成的沉降问题已远超过了自然灾害。
1 地面沉降的成因
1.1 自然因素
（1） 地表松散地层或半松散地层等在重力作用下 ，在松散层变成致密的、 坚硬或半坚硬岩层时 ，地面会因地层厚度的变小而发生沉降。
（2） 因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降。
（3） 地震导致地面沉降。
1.2 人为因素
近几十年来 ，人类过度开采石油、天然气、固体矿产、地下水、地热等地下资源 ，使贮存这些固体、液体和气体的沉积层的孔隙压力发生趋势性的降低。由于城市规模扩大 ，高大建筑物不断增加 ，铁路、桥梁等交通设施及运输荷载的影响 ，地表荷载加重 ，也加速了地面的沉降。
现主要针对抽取地下水引起的地下水位下降和地表荷载作用引起的地面沉降分别说明其原因和机理。
2 由抽取地下水引起的地面沉降分析
根据有效应力原理可知，σ=σ′+u，σ′为土的有效应力；u为孔隙水压力；σ为总应力。假定抽水过程中土层内的总应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力的等量增大，结果就会引起土层成比例的固结。水位下降范围内有效应力增量一般按γwΔH计算，水位下降位置以下为常数即水位处有效应力增加值。对于多个岩土地层沉降计算公式：
粘性土及粉土计算公式： S =P0·H·a/（1+e）；砂土计算公式：S =P0·H/Esi。
现以某市为例说明地面沉降的计算。
某市地下水水位埋深1.5 m，由于开采地下水，水位每年下降0.5 m，20年后地下水位降至11.5 m，城市地层资料如下表所示：
序号
土名
层底深度（m）
层厚（m）
孔隙比
压缩系数
/Mpa-1
压缩模量
/Mpa
重度/kN/m3
备注
①
粘土
0.0
～
2.0
2.0
0.921
0.620
3.1
18.9
②
粉土
2.0
～
5.8
3.8
0.882
0.429
4.2
18.1
③
粉砂
5.8
～
7.9
2.1
0.894
0.237
7.9
18.0
④
粉质粘土
7.9
～
18.0
10.1
0.911
0.596
3.2
18.7
⑤
细砂
18.0
～
42.0
24.0
0.782
0.131
13.5
18.0
⑥
花岗岩
42 以下
根据沉降计算公式分层计算沉降量，最终沉降量等于各层沉降量总和为507.98 mm。
无粘性土的固结过程所用的时间可以忽略。对粘性土有效应力增长与粘性土相应的压密过程之间存在时间滞后。随着时间的推移，标志着固结进程的应力转换线逐渐向最终边界线推进，而往往需要几个月、几年甚至几十年，滞后于该地下水位的下降期，主要取决于土层厚度及透水性。
3 由基底附加应力引起的地面沉降分析
与地下水位下降相似，引起地面沉降的为地基底面附加应力，但其分布与水位下降不同，从基底下竖向附加应力分布图及《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）最终变形量可按下列公式可知，附加应力在持力层中的分布主要在基础底面一定范围内随深度增加而减小，而超过一定深度，附加应力与土的自重应力相比很小。但对于城市高层及超高层建筑，附加应力的影响及对一定范围内周围建筑影响是不可忽视的，有时甚至是破坏性的。
4 地下水下降与基底附加应力引起的地面沉降对比
引起地面沉降的原因不同，沉降的程度及影响范围等均有不同，只有明确各种沉降的成因，掌握其发生发展的规律才能有针对性的进行预防和治理。下面针对上述两种因素造成的沉降进行分析。
4.1 不同之处
因地下水下降引起的地面沉降：
1、引起的原因：地下水下降，孔隙水压力减小，土体有效自重应力增加，产生附加应力。
2、附加应力的作用形式：相当于均布荷载，且随深度增加在地下水变化范围内呈直线增加，到变化后水位处达到最大且随深度增加不再变化为常数。
3、范围：水平方向面积大，几平方千米甚至到几百平方千米。竖直方向至非压缩层（如基岩）为止一直存在。
4、与地层Esi的关系：与Esi呈反比，与整个压缩层范围内压缩模量均有关系。
5、影响深度：整个地层整体下降，一直延续到基岩面，基岩越深沉降越大。
6、治理难度及预防措施：治理难度大且无法恢复。限制过度开采地下水，采取回灌等措施。
因建筑物基底附加应力引起的地面沉降：
1、引起的原因：外来集中荷载或均布荷载作用传至地表以下引起的附加应力。
2、附加应力的作用形式：相当于半无限空间集中荷载，附加应力随深度增加呈递减趋势如图，到达一定深度影响忽略不计。
3、范围：水平方向离开建筑物迅速递减。竖直方向随深度增加呈递减趋势，到一定深度忽略不计。
4、与地层Esi的关系：与Esi呈反比，与地表地层压缩模量关系大，压缩模量越小，土层越厚，沉降越大。因深部附加应力较小，所以与深部土层压缩模量关系较小。
5、影响深度：附加应力影响范围内一定深度，一般按附加应力等于0.2倍地层自重应力，软土按0.1倍计算。
6、治理难度及预防措施：治理难度相对较小，可采用较小荷载、优化基础形式等措施减小竖向荷载、利用深部地层或采用补偿性设计。
4.2 相同之处
1、地面沉降计算方法相同即分层总和法。因地基基础下附加应力为曲线减小，计算过程用平均附加应力系数。
2、固结过程相同。地面沉降过程是一个较长的过程，地面沉降随时间不断发展。基本理论为一维固结理论（竖向）。
5 结束语
本文从不同方面阐述并比较了两种地面沉降的异同，对预防和控制不同地面沉降提供理论指导。对地面沉降的研究涉及到水文地质学、工程地质学、土力学等多个学科领域，只有在学科真正交叉的基础上，发展成实用科学才能更好指导实践。地面沉降是一个长期发展的結果，或者说这种现象还在日益加重，所以就要求我们有更多的人致力于地面沉降的科学研究，找到一种既满足人类对地下资源及地表空间的需求，又能坚持可持续发展的原则。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[2]陈希哲，《土力学地基基础》第四版[M].清华大学出版社，2004.
[3]许烨霜，余恕国 ，沈水龙.地下水开采引起地面沉降预测方法的现状与未来[J].防灾减灾工程学报，26（3）：3522357.
[4]郑鹏，地面沉降与地下水开采问题的探讨[J].西部探矿工程，2007，60-62.
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