一、影响因素分析
能够引发地面沉降的因素包括人为因素和自然因素。德州市地面沉降人为因素包括工程因素和开采因素，自然因素为地质构造，而德州地面沉降产生的主要原因是深层地下水的超量开采。
1.工程因素
主要指由上部高层建筑附加荷载作用引发的地面沉降。该类沉降主要发生在表土层，即潜水面以上的部分，是人类工程活动的主要层次。根据工程勘察资料，区内表土层场地属中软土，Ⅲ类一般建筑场地。据建筑施工单位的测量数据，区内由一般建筑物引起的地面沉降量为2～3mm/a，相对区内每年20～50mm/a的沉降量速率可以忽略，另外对照区内多期墙角水准标石与一般水准标石测量数据，未有明显变化，说明区内工程因素不是区内产生地面沉降的主要原因。
2.开采因素
深层地下水开采因素对地面沉降的影响主要表现在水位降深和含水层岩性特征。
(1)水位的影响
区内自20世纪60年代开始开采深层地下水以来，地下水位埋深不断下降，水头不断降低，深层地下水一直处于超采状态。深层地下水降落漏斗中心与地面沉降中心位置一致，均处于国棉厂一带，且漏斗形态和扩展范围也基本相似。漏斗中心水位标高与地面标高随时间的变化曲线也基本相似。两者之间存在高度的相关性(表14-1)，由此我们可判定深层地下水的超量开采是区内地面沉降产生的一个主要因素。
(2)取水含水层岩性的影响
以沧州和德州地面沉降的对比为例。沧州位于河北省东部，与德州市毗邻，也因长期超量开采深层地下水导致超采漏斗和地面沉降。
沧州地面沉降出现于20世纪70年代初，至2001年30年间中心累计沉降量达2236mm，沉降速率100.45mm/a。德州地面沉降研究比较晚，1991～2000年中心累计沉降量为517mm，沉降速率为57mm/a，至2006年15年间中心累计沉降量为992mm，沉降速率为66.1mm/a。
3.构造因素
该区在大地构造上属于华北地台之辽冀台向斜之鲁西台背斜，是一个新构造运动相对稳定的区域，根据1951～1987年华北地区垂直形变速率图(图14-1)可知，由构造运动引起的地面下沉速率在2～3mm/a之间，因此区域构造及新构造运动不是区内地面沉降的主要因素。
表14-1 地面沉降与深层地下水水位相关性分析表
图14-1 华北地区垂直形变速率图(1951～1987年)
通过两地地质条件对比分析(表14-2)，确定引起两地地面沉降量差异的主要原因是深层地下水开采层的不同，沧州深层地下水主要开采层是第四系含水层，而德州主要开采新近系含水层。由于第四系地层形成时间短，固结系数较第三系大，先期固结压力小，所以在相同开采条件下，其沉降速率要大于德州。
二、形成机理分析
1.有效应力原理
有效应力原理是抽水引起土层压密的基本原理(图14-2)。
表14-2 沧州与德州地面沉降相关背景条件对比表
图14-2 抽水后有效应力变化图
图14-2中，P为土层的总应力，σ为抽水前的有效应力，μw为抽水前的孔隙水压力，抽水前上述诸压力处于平衡状态，即
山东省地质环境问题研究
抽水后随着水压力降了μf，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压力基本保持不变，故此下降了的μf值即转化为有效应力增值。
山东省地质环境问题研究
大多数情况下，这种压密可认为是一维的，压密过程一般近似采用Terzaghi一维固结式。
2.地面沉降机理分析
地面沉降的实质是松散地层的压缩固结或压密，理论和实验均证明:在施加压力等同的情况下，粘性土的压缩变形量较砂性土大的多，且粘性土的压缩变形一般不具有可恢复性，即多属于塑性(永久)变形。在时间上存在滞后作用，也就是在压力取消后长时间内压缩变形仍继续发生。区内300～800m深度内地层结构以粘性土为主，砂性土仅占10%～15%左右。多年来，由于大量开采深层地下水，使地层内产生负压而压缩，从而造成地面沉降。对于抽取地下水引起的地面沉降，根据太沙基有效应力原理，当承压水头降低时，向上作用的水头压力也随之减小，使原土层中的压力平衡遭到破坏，含水层与粘性土层中的孔隙水大量外流，土体中的地下水渗出使其浮托力减小，有效应力增大，粘性土层进一步固结，土颗粒骨架中的孔隙压缩，对砂层而言则使砂层压密，从而引起地面沉降。因此，超量开采地下水造成承压含水层水位大幅度下降是产生地面沉降的外因，具有较大可压缩性的土层则是产生地面沉降的内因。以沉降中心内第三含水层水位标高和地面标高对比图可以看出，两者随时间的变化规律基本形似，水位下降引起地面沉降的产生(图14-3)。
图14-3 沉降漏斗中心水位标高与地面标高对比图
严格来说，一维固结理论不能直接用来解决因抽水而导致的沉降问题。然而，如果粗略估计，可采用一维固结理论的“太沙基一维固结理论”，根据德州地区工程地质特征，对其进行分层计算。沉降预算旨在反映地下水水位、开采量与地面沉降三者之间的数值关系，地面沉降预测是地下水数值模型和地面沉降量模型两部分的联立。