地基处理实例——比萨斜塔纠偏工程

方案征集
• 查阅1996 年的文献, 据Prof .Burland 答记 者问时称, 当时斜塔拯救委员会提出的掏土 方案是借鉴墨西哥城天主教堂的纠偏经验, 采用内径150mm 的套管, 以与水平夹角30 度的方向钻入，孔口距塔轴线近20m , 注意 到基础的圆形轮廓, 这种方案对施工场地的 要求很高, 套管细长, 不易操作, 掏土部位及 掏土量也不易掌握。该方案并未付诸实施。
史料记载
• 根据现有的文字记载，比萨斜塔在几个世纪以 来的倾斜是缓慢的，它和它地基下方的土层实 际上达到了某种程度上的平衡。在建造的第一 阶段第3层结束时，钟塔向北倾斜约1/4°，在 第二阶段由于纠偏过度，1278年第7层完成时 反而向南倾斜约0.6°，1360年建造顶层钟房 时增加到1.6°。1817年，两位英国学者Cresy 和Taylor用铅垂线测量倾斜，那时的结果是 5°。1550年Giorgio Vasari的勘测与1817年 Cresy和Taylor的勘测之间相隔267年，倾斜仅 增加了5厘米。因此人们也没有对斜塔进行特 意的维修。
倾斜的原因和趋势
• 比萨斜塔为什么会倾斜，专家们曾为此争论不休。 尤其是在14世纪，人们在两种论调中徘徊，比萨 斜塔究竟是建造过程中无法预料和避免的地面下 沉累积效应的结果，还是建筑师有意而为之。进 入20世纪，随着对比萨斜塔越来越精确的测量、 使用各种先进设备对地基土层进行的深入勘测， 以及对历史档案的研究，一些事实逐渐浮出水面： 比萨斜塔在最初的设计中本应是垂直的建筑，但 是在建造初期就开始偏离了正确位置。 • 比萨斜塔之所以会倾斜，是由于它地基下面土层 的特殊性造成的。比萨斜塔下的有好几层不同材 质的土层，各种软质粉土的沉淀物和非常软的粘 土相间形成，而在深约一米的地方则是地下水层。 这个结论是在对地基土层成份进行观测后得出的。 最新的挖掘表明，钟楼建造在了古代的海岸边缘， 因此土质在建造时便已经沙化和下沉。
• 比萨斜塔在建筑的过程中就已Hale Waihona Puke Baidu现倾斜， 原本是一个建筑败笔，却因祸得福成为世 界建筑奇观，伽利略的自由落体试验更使 其蜚声世界，成为世界著名旅游观光圣地， 每天都吸引着成千上万的游客，因而它也 是比萨市的经济支柱。但随着时间的推移， 斜塔倾斜角度的逐渐加大，到上个世纪九 十年代，已濒于倒塌。1990年1月7日意大 利政府关闭对游人的开放，1992年成立比 萨斜塔拯救委员会，向全球征集解决方案。
地基应力解除法纠偏比萨斜塔示意图
•比萨斜塔的拯救，作为经典范例，也使地基应力解除 法摆脱了偏见，得到了一致认可和广泛应用，目前已 成为建筑界最常规的纠偏方法。在比萨斜塔的拯救过 程中，我国建筑专家刘祖德教授，曾多次向比萨斜塔 拯救委员会建议采用地基应力解除法，起到了积极的 作用。刘祖德在1989年用“地基应力解除法”成功 “移动”汉口取水楼长航宿舍的八层楼房：倾斜率从 1.3%降为0.63%，沉降速度减慢一半。18年来，刘祖 德教授和他的课题组用“地基应力解除法”，成功地 为149座高楼纠偏扶正，其足迹踏遍湖北、广东等全国 15个省市，仅武汉地区被纠偏的楼房就有80多座，为 国家挽回经济损失近5亿元。
地基处理实例 ——比萨斜塔纠偏工程
斜塔简介
• 比萨斜塔（意大利语：Torre pendente di Pisa或Torre di Pisa）是意大利比萨城大教堂的独立式钟楼，于意大利托 斯卡纳省比萨城北面的奇迹广场上。钟楼始建于1173年， 设计为垂直建造，但是在工程开始后不久（1178年），便 由于地基不均匀沉降和土层松软而倾斜，1372年完工，塔 身倾斜向东南。比萨斜塔是比萨城的标志，1987年它和相 邻的大教堂、洗礼堂、墓园一起因其对11世纪至14世纪意 大利建筑艺术的巨大影响，而被联合国教育科学文化组织 评选为世界遗产。举世闻名的比萨斜塔, 建于公元1173 ～ 1350 年, 历经800 年风雨, 最大沉降量3m , 沉降差达 1 .8m , 塔顶中心偏移已达5 .5m 以上,刚体倾角为 5°30′(1991), 刚体倾斜速率4″～6″/年, 至今尚未稳定。
参考文献
1、刘祖德，叶勇，比萨斜塔的最新动向及纠偏方案探讨，土工基础，2000年3 月，第14卷第1期； 2、徐牧野，苏霄，外国建筑史——比萨斜塔，人民美术出版社，2007年4月第 三版； 3、袁建新，关于比萨斜塔的整治情况，岩土力学，1994年6月，第15卷，第2 期 4、刘祖德，抽土纠偏“扶正”比萨斜塔，岩土力学与工程学报，2002年第六期 5、吴宏伟，徐光明，地基应力解除法纠偏机理的离心模型试验研究，岩土工程 学报，2003年第三期
比萨斜塔纠偏加固示意(1996年的方案)
拯救办法——地基应力解除法
斜塔的拯救，历经的很多的方案，但都 未见效。最终拯救比萨斜塔的，是一项 看似简单的新技术——地基应力解除法。 其原理是，在斜塔倾斜的反方向（北侧） 塔基下面掏土，利用地基的沉降，使塔 体的重心后移，从而减小倾斜幅度。该 方法于1962 年，由意大利工程师 Terracina针对比萨斜塔的倾斜恶化问题 提出，当时称为“掏土法”，由于显得 不够深奥而遭长期搁置，直到该法在墨 西哥城主教堂的纠偏中成功应用，又被 重新得到认识和采纳。比萨斜塔拯救工 程于1999年10月开始，采用斜向钻孔方 式，从斜塔北侧的地基下缓慢向外抽取 土壤，使北侧地基高度下降，斜塔重心 在重力的作用下逐渐向北侧移动。2001 年6月，倾斜角度回到安全范围之内，关 闭了十年的比萨斜塔又重新开放，一个 世纪的愿望终于实现了。
数据
• 比萨斜塔从地基到塔顶高58.36米，从地面 到塔顶高55米，钟楼墙体在地面上的宽度 是4.09米，在塔顶宽2.48米，总重约14453 吨，重心在地基上方22.6米处。圆形地基面 积为285平方米，对地面的平均压强为497 千帕。目前的倾斜约10%，即5.5度，偏离 地基外沿2.3米，顶层突出4.5米。 1178年首次发现倾斜。