地基处理实例——比萨斜塔纠偏工程

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：TorrependentediPisa或TorrediPisa）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。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GiorgioVasari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。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。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出现倾斜，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。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。比萨斜塔纠偏加固示意(1996年的方案)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。拯救办法——地基应力解除法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。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