超采地下水引起的地面沉降是一种常见的地质灾害,其发生的条件包括含水系统中具有可压缩的土层以及过量的地下水开采。尽管在土力学上沉降机制较为简单,但却因复杂的土层变形特征以及多变的地下水动态开采,增加了地面沉降数值模拟的难度,使得地面沉降问题持续受到关注。　　 传统地面沉降模拟计算多着重于含水系统中压缩性较大的弱透水层粘土,而视含水砂层为不可压缩,或者在研究中假设砂土层为弹性变形。然而自然界中,含水层并不是单纯由砂粒构成,砂土层中通常都含有或多或少细的粘土颗粒。一个含水层中往往夹有薄粘土夹层或透镜体,或者弱透水层中夹有薄的粉细砂夹层或透镜体,这种复杂的地质条件以及地下水位变化的复杂性都将导致实际土层复杂的变形特征。在研究区由于大量开采地下水,导致地下水降落漏斗已超过行政省界,形成了巨型区域水位降落漏斗,地面沉降已连成一片。在这种条件下,有必要突破行政区划的限制,将上海和苏锡常地区联合作为地面沉降整体研究区域进行模拟。　　 本论文主题由两部分组成。第一部分是研究区地面沉降过程中实际土层复杂变形特征的分析。论文第三章综合了上海及苏锡常地区多年的野外实际监测资料,包括分层标数据以及地下水位变化等实测资料,系统地分析了复杂水文地质条件以及不同地下水位变化条件下弱透水层粘性土以及含水砂层的压缩变形特征。结果表明:1)含水砂层中也存在不可忽略的压缩性,对地面沉降有显著影响。土层的变形量不仅与土的压缩性有关,也和它的厚度有关。如砂土层厚度很大,即使其压缩性较小,变形量也会很大。2)土层的变形特征与土层经历的地下水位变化有关,前期固结压力水头(或临界水头)对该土层的变形具有控制作用。在水位持续下降,低于前期固结压力水头之后,不论是弱透水层还是含水砂层,土层的变形均表现出塑性变形特征,变形滞后显著。而在水位持续上升期和随后的基本稳定期,含水砂层和硬粘土层的变形主要为弹性,只有在水位大幅下降接近或低于历史最低水头时,则又表现出持续压缩的滞后变形,反之在水位下降但仍高于历史最低水头时,则一般表现为塑性变形,但不存在滞后。含水砂层的变形滞后不是个别现象,而具有一定的普遍性。3)不仅不同的土层有不同的变形特点,在不同地点的同一层土也有不同的变形特点。如岩性相近的同一层土在降落漏斗的边缘表现为弹性变形,在降落漏斗的中心却表现为塑性变形并伴有蠕变,而且同一地点同一层土在不同沉降阶段随地下水位的变化其变形特点也不同。　　 现场资料分析表明土层具有复杂的变形特性,因此论文第四章中采用室内试验的方法来进一步探讨沉降变形的机理和特征。第四章介绍了在研究区根据野外钻孔采集粘性土样和砂样,通过模拟地下水位升降导致有效应力改变的各种试验,包括单轴蠕变试验,反复加卸载试验来探讨土层的压缩特性。室内试验结果表明粘性土和含水砂层均会因地下水位降低而产生不可忽视的压缩变形且具有蠕变特性。在周期性的反复加卸载作用下,含水砂层的流变特性不再显著,而表现出明显的弹性特征。野外含水层地面沉降的滞后现象与砂层自身的流变特性有关,也与含水层中夹有薄层粘土(粒)有关。这些结果均与野外实际监测资料一致,验证了室内试验结果的合理性和可靠性。　　 第二部分是研究区区域地面沉降的数值模拟,包括第五章和第六章。基于野外监测资料的分析结果,并综合室内试验所取得的土层变形特征认识,第五章首先建立了上海和苏锡常地区的区域地面沉降数学模型,包括三维变系数水流模型和一维考虑弹塑性变形和蠕变的沉降模型两部份。根据不同的变形特点(弹性变形、粘弹性变形、弹塑性变形、粘弹塑性变形),采用相应不同的水流方程和基于不同应力应变关系的相应沉降模型。水流模型和沉降模型中的参数都是变量,是有效应力和孔隙比的函数。两个模型的耦合是通过参数随有效应力和孔隙比变化来实现的,通过迭代法进行求解。在第二节中则详细介绍了区域地面沉降求解的多尺度有限单元法和部分算法的改进和优化。第六章则基于水文地质概念模型,模拟再现了1995年-2002年间研究区的地面沉降过程。利用收集的资料识别、检验模型,模拟结果与实测结果拟合良好,表明所建立的数学模型是合理可靠的,可用于进一步的地面沉降预警预报。同时论文还对地面沉降模拟求解的合理性进行了分析比较。论文在最后总结了几点主要结论,并展望了今后的研究方向。