水,是生命之源。改革开放以来,我国年均地下水开采量超25亿m3,全国目前有约400多个城市在开采利用地下水,占到城市使用淡水总量的30%以上,其中在西北、华北等部分地区占比高达70%以上,不合理的地下水开发利用导致在全球范围内形成地面沉降并衍生出系列生态环境问题。加强对地下水开采导致地面沉降的机理及规律研究,有利于完善和推动地面沉降领域的理论发展,掌握土体变形及地面沉降对不同地下水开采条件的响应规律,提出科学合理的地下水开采方案,对保证国民经济社会健康稳定发展具有重要现实意义。本文在山东省国土资源厅地面沉降监测与防控项目资助下,开展了地下水开采导致地面沉降的全过程分阶段理论分析,研究了地下水开采条件下土体变形及地面沉降的相似准则;设计研发了一种考虑地下水环向补给及采水井结构的开采承压水引发地面沉降物理模型试验系统和试验方法,并进行了一系列不同条件下的物理模型试验;分别开展了采水条件下含水层砂土的细观结构演化试验和固结条件下粘土的微观结构电镜扫描试验,并分别对其进行了结构参数量化及宏细观参数相关性分析;基于多孔介质流-固耦合理论研究了地下水开采条件下土体变形及地面沉降的时空演化特征及分布规律,并对土体主要参数进行了敏感性分析,基于颗粒离散元的流-固耦合理论研究了地下水开采条件下土体颗粒细观运移特性及规律,探讨分析了地面沉降发生的本质机理;在华北平原鲁北地区开展了地下水超采导致区域性地面沉降特征研究,并对其不同地下水开采条件下的地面沉降演化趋势进行了分析预测,主要研究工作及成果如下:(1)地下水开采导致地面沉降全过程分阶段理论分析。将地下水开采导致地面沉降全过程划分为地下水开采改变渗流场、采水层土体层间耦合效应及非采水层位沉降传递三个阶段,分别对其进行理论分析并建立了考虑地下水开采量、各土层物理力学性质的全过程地面沉降传递规律计算公式。同时,基于相似理论对地下水开采导致地面沉降全过程进行了相似准则分析,得到了模型试验与原型试验相似时相应物理量所应遵循的相似比尺。(2)地下水开采导致地面沉降物理模型试验系统研发及模型试验。采用模块化设计思路,设计研发了一种充分考虑采水井结构及地下水三维补给条件,适用于地下水开采导致地面沉降宏细观机理研究的物理模型试验系统。基于该试验系统开展了不同采水条件下的模型试验,得到了有无水源补给条件对地面沉降的影响规律,揭示了含水层与隔水层变形沉降的比例关系及其沉降滞后性,明确了采水条件下含水层渗透系数时变规律及土体中空气负压的产生及演化规律。(3)砂粘土体微细观结构演化试验及其宏细观参数相关性分析。开展了采水条件下砂土变形沉降模型试验,并基于PIV粒子图像测速技术对其进行了细观结构演化规律分析,揭示了采水条件下砂土变形沉降宏细观结构演变过程及规律;开展了固结条件下粘土 SEM微观电镜扫描试验及其参数量化分析,对比研究了固结荷载对粘土不同尺度下微观结构参数演变规律的影响,表明更小尺度下的微观结构具有更大的荷载影响区间和应力敏感性,粘土表观孔隙比与常规孔隙比呈现较好的线性回归关系,表观孔隙比与压缩系数呈现较好的指数型增长关系。(4)地下水开采导致地面沉降宏细观数值模拟分析。基于Biot多孔介质流-固耦合理论建立了宏观数值分析模型,研究了在不同含水层开采相同地下水量时的土体变形沉降时空演化特征及规律,并讨论了地面沉降对土体主要参数的敏感性及响应程度,结果表明在含水层内,渗透系数>弹性模量>Biot-Willis系数>泊松比;在隔水层内为:弹性模量>渗透系数>Biot-Willis系数>泊松比;基于颗粒离散元的流-固耦合理论建立了细观数值分析模型,研究了地下水开采条件下土体颗粒运移规律及颗粒结构调整过程,分析了颗粒间接触力链及流场演变规律。(5)地下水开采导致区域性地面沉降特征分析及计算预测方法研究。以华北平原鲁北地区滨州市博兴县为工程背景,详细深入研究了该地区地下水动态分布特征及地面沉降演化规律,建立了该地区地下水开采导致地面沉降的三维流-固耦合数值模型,还原了地面沉降发展演化过程,并分别对当前地下水开采量及减小地下水开采量不同方案下的地面沉降演化趋势做出预测分析,提出当减小20%地下水开采量时是较为合理有效的地下水开采方案,同时应采取因地制宜措施,针对不同区域采取不同的阶梯式递减开采方案,以实现研究区地面沉降的合理有效防控。