地面沉降的形成机制

1.松散堆积层的地面沉降机制

一是松散堆积层被上覆荷载压实引起地面沉降，主要表现在大、中城市。二是松散堆积层中的隔水层(粘土层)和含水层的持水性及其他物理特性存在着很大差异，长期过量开采地下水，使含水层水位下降，引起含水层本身及相对隔水层孔隙水压力减小，颗粒间有效应力增大，孔隙体积减小，土层压密，导致地面沉降。其基本原理是有效应力原理，即抽取地下水引起土层压密，导致地面沉降的(图6-1)。

图6-1 含水层压实引发的地面沉降原理示意图

由于透水性能的显著差异，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，所以砂层压密是“瞬时”完成的。在粘性土层中，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，粘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，而粘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，粘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。

地面沉降主要是抽采地下流体导致土层压缩而引起的，厚层松散细粒土层的存在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上第三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粘土，呈软塑状态或流动状态。这些淤泥质粘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，淤泥质粘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，结果发生粘性土层的压缩变形。

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。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，粘土层的有效应力加大，地层受到压缩，孔隙体积减小。这就是粘土层的压缩过程。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。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。

2.基岩的地面沉降机制

基岩中硬岩层被压缩的可能性很小，软弱岩层被压缩的可能性较大，但同松散堆积层相比却差得多。然而，在基岩的裂隙和孔洞中富含着大量的地下水、石油和天然气，当人们抽取这些地下流体时，必然导致基岩失去浮托力，地下裂隙、孔洞被压缩，从而引发基岩地面沉降。

综上所述，无论对松散堆积层还是对基岩，抽取地下流体都是造成地面沉降的主因。