土力学 Soil Mechanics
工程实例 意大利比萨斜塔案例分析
4.1. 工程事故概况
举世闻名的意大利比萨斜塔是建筑物倾斜的典型实例。
比萨市位于意大利中部，靠近罗马市与米兰市中间的佛罗伦萨市，有铁路相通，交通方便。比萨斜塔位于比萨市北部，它是比萨大教堂的一座钟塔，在大教堂东南方向，相距约25m。比萨斜塔是一座独立的建筑，周围空旷，游人可以环绕塔身行走与观赏。斜塔西侧有一大片四季常青的草地，长达200m，景色秀丽。
比萨斜塔建造，经历了三个时期：
第一期，自1173年9月8日动工，至1178年，建至第4层中部，高度约29m时，因塔倾斜，不知原因而停工。
第二期，钟塔施工中断94年后，于1272年复工，至1278年，建完第7层，高48m，再次停工。
第三期，经第二期施工中断82年后，于1360年再复工，至1370年竣工，全塔共八层，高度为55m。
斜塔呈圆筒形，塔身1-6层均为大理石砌成，大理石质地优良，每块大理石做得很规整，不仅高度一致，而且表面做成曲面，拼接成塔身为准确圆形。塔基础外伸台阶也同样做成圆形。尤其是塔周围有15根大圆柱，砌筑得更精致。斜塔顶上7-8层为砖和轻石料砌成。塔身砌体总厚度：第一层为4.1m，第2-6层为2.6m。塔身内径约7.65m。基础底面外直径19.35m，内直径4.51m。塔身每层都有精美的花纹图案，整个斜塔是一座宏伟而精致的艺术品，令人赞叹不已。原来游人可以登塔在各层围廊观赏眺望，因近年塔沉降加速，为了安全，于1990年
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1月14日被封闭。
全塔总荷重约为145MN，塔身传递到地基的平均压力为50kPa。目前塔北侧沉降量约90cm，南侧沉降量约270cm，塔倾斜约5.5°，十分严重。
比萨斜塔向南倾斜，塔顶离开垂直线的水平距离已达5.72m，等于我国虎丘斜塔倾斜后塔顶离开水平距离的2.3倍。幸亏比萨斜塔的建筑材料大理石条石质量优，施工精细，塔身没有裂缝。
比萨斜塔基础底面倾斜值，经计算为0.093。我国国家标准《建筑地基基础设计规范》GBJ50007-2011中规定：高耸结构基础的倾斜，当建筑物高度Hg为50m＜Hg≤100m时，其允许值为0.005。目前比萨斜塔基础实际倾斜值已超过我国国家标准允许值的18倍。
由此可见，比萨斜塔倾斜已达到极危险的状态，随时有可能倒塌。如图工程实例4.1所示。
图工程实例4.1 比萨斜塔全景，由斜塔西南方向拍摄（1992.01，陈希哲） 4.2 事故原因分析
关于比萨斜塔倾斜的原因，得到许多学者的关心。早在18世纪记载当时有两派不同见解：一派由历史学家兰尼里·克拉西为首，坚持比萨塔有意建成不垂
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直；另一派由建筑师阿莱山特罗领导，认为比萨塔的倾斜归因于它的地基不均匀沉降。
本世纪以来，一些学者提供了塔的基本资料和地基土的情况。比萨斜塔地基土的典型剖面如图工程实例4.2所示。由上至下，共分为8层：
①表层为耕植土，厚1.60m；
②第2层为粉砂，夹粉质粘土透镜体，厚度5.40m； ③第3层为粉土，厚3.00m； ④第4层为上层粘土，厚度10.50m； ⑤第5层为中间粘土，厚为5.00m； ⑥第6层为砂土，厚2.00m； ⑦第7层为下层粘土，厚度12.50m； ⑧第8层为砂土，厚度超过20.00m。
有人将上述8层土合为3大层：①—③层为砂质粉粘土；④—⑦层为粘土层；⑧层为砂质土层。
地下水埋深1.6m，位于粉砂层。
根据上述资料，分析比萨钟塔倾斜的原因：
（1）钟塔基础地面位于第2层粉砂中。施工不慎，南侧粉砂局部外挤，造成偏心荷载，使塔南侧附加应力大于北侧，导致塔向南倾斜。
（2）塔基底压力高达500kPa，超过持力层粉砂的承载力，地基产生塑性变形，使塔下沉。塔南侧接触压力大于北侧，南侧塑性变形必然大于北侧，使塔的倾斜加剧。
（3）钟塔地基中的粘土层厚达近30m，位于地下水位下，呈饱和状态。在
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长期重荷作用下，土体发生蠕变，也是钟塔继续缓慢倾斜的一个原因。
（4）在比萨平原深层抽水，使地下水位下降，相当于大面积加载，这是钟塔倾斜的重要原因。在60年代后期与70年代早期，观察地下水位下降，同时钟塔的倾斜率增加，当天然地下水恢复后，则钟塔的倾斜率也回到常值。
钟塔荷重与时间关系和沉降量与时间的关系曲线，见图工程实例4.3所示。
图工程实例4.2 地基土剖面
图工程实例 4.3比萨斜塔荷重、沉降量与时间关系
4.3 事故处理方法
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⒈卸荷处理
为了减轻钟塔地基荷重，1838年至1839年，于塔周围开挖一个环形基坑，基坑宽度约3.5m，其深度塔北侧为0.90m，南侧为2.70m。基坑底部位于钟塔基础外伸的三个台阶以下，铺有不规则的块石。基坑外围用规整条石垂直向砌筑。基坑顶面以外地面平坦，参阅图工程实例4.4所示。
⒉防水与灌水泥浆
为了防止雨水下渗，于1933—1935年对环形基坑做防水处理，同时对基础环用水泥灌浆加强。
⒊为了防止比萨斜塔散架，1992年7月开始对塔身加固。
陈希哲认为上述处理非根本之计，关键在于对斜塔地基处理。其在意大利讲学期间，专门与罗马大学探讨比萨斜塔处理问题。罗马大学一位教授担心斜塔地基处理施工会影响斜塔的安全，认为在塔的旁边钻一个孔都有危险。
针对比萨斜塔倾斜严重的现状和地基土层情况，进行塔基加固又丝毫不影响塔的安全，难度很大。在其它工程加固地基行之有效的旋喷法和桩基托换法一类方法，对比萨斜塔都不适用。因为这类方法必须在斜塔南侧打孔，在施工过程中必然对斜塔安全不利。至于常规的沉井冲土纠偏法，对比萨斜塔也不适用。著者在意大利与有关方面联系中得悉，比萨斜塔贵在斜，因为1590年伽利略曾在此塔做落体实验，创建了物理学上著名的落体定律。斜塔成为世界上最珍贵的历史文物，吸引无数国内外游客。如果把塔扶正，实际破坏了珍贵文物。
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因此，比萨斜塔的加固处理难度大，既要保持钟塔的倾斜，又要不扰动地基
避免危险，还要加固地基，使斜塔安然无恙。有志之士如能研究出一个切实可行的方案，则是一大贡献。
图工程实例4.4 比萨斜塔卸荷处理,塔周围开挖环形基坑(1992.01，叶朴摄)
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工程实例4.意大利比萨斜塔案例分析 - 图文
