地面沉降机理分析：为高速铁路解决方案

目前国内外所研究的地面沉降，主要着重于因抽取地下水、油、气等所引起的区域性地面沉降。研究学者普遍认为，地壳运动引起的地面沉降有可能存在，但沉降速率较小，地面静、动荷载引起的地面沉降仅在局部地段内存在，而抽取地下流体，引起液压下降从而导致地面沉降是普遍和主要的原因。地面沉降形成的主要作用机理包括有效应力原理和水动力固结理论。

抽取地下流体，会引起液压下降，地层压密，而地层压缩是由于含水层水位下降，引起土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加。因此有效应力原理是抽水引起土层压密的基本原理，如图2.2-1所示。

图2.2-1　抽水前后土层中有效应力的变化

图中p 为土层的总应力，σ 为抽水前的有效应力，uw 为抽水前的孔隙水压力。根据有效应力原理，抽水前上述各力处于平衡状态，即

式中　p——土层的总应力；

　　　σ ——抽水前的有效应力；

　　　uw——抽水前的孔隙水压力。

抽水后水位下降了uf，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应力基本保持不变，因此下降了的uf 转化成有效应力的增量。

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式中　uf ——抽水后由于水位下降减少的孔隙水压力。

从式中可知，孔隙水压力减少了uf，而有效应力增加了uf，有效应力增加了，土层受到压缩，从而产生地面沉降。

在大多数情况下，这种压密可以认为是一维的。压密的时间延滞将随土层的透水性而异。此压密过程一般近似采用Terzaghi 的经典固结方程表示，即

式中　c0 ——固结系数；

　　　u——孔隙水压力；

　　　z——深度；

　　　t——时间。

由此可见，地面沉降是降水导致的可压缩层有效应力增加引起的。有效应力的增加，可以归结为两种作用过程：一是水位变化改变了土粒间的浮托力，水位下降使浮托力减少；二是由于水头压力的改变，土层中产生水头梯度，由此导致渗透压力的产生。

浮托力和渗透压力的变化导致可压缩层产生压密或膨胀。大多数情况下，压密和膨胀均属于一维变形，压密变形的时间延滞效应与可压缩层的透水性相关。一般来说，砂层的压缩变形是瞬间完成的，黏性土的压密变形时间较长。