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地下水位下降与地基附加应力引起的沉降分析

【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（landsubsidence）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γ

wδh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1.5m，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11.5m，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507.98mm。

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，