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地基不均匀沉降——意大利比萨斜塔


地基不均匀沉降——意大利比萨斜塔 举世闻名的意大利比萨斜塔是建筑物倾斜的典型实例。 1.工程事故概况 比萨市位于意大利中部,而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, 比萨斜 塔建造,经历了三个时期: 第一期,自 1173 年 9 月 8 日至 1178 年,建至第 4 层,高度约 29m 时,因

塔倾斜而停工。 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,经第二次施工中断 82 年后,于 1360 年再复工,至
比萨斜塔全景

1370 年竣工,全塔共八层,高度为 55m。 全塔总荷重约为 145MN,塔身传递到地基的平均压力约 500kPa。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 5.27m,等于我国虎 丘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,尚未发现塔身有裂缝。 比萨斜塔基础底面倾斜值,经计算为 0.093,即 93%0,我国国家标准《建筑 地基基础设计规范》GBJ 7-89 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,即 5%。目前比萨斜塔基础实际倾斜 值已等于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。 2.事故原因分析 关于比萨斜塔倾斜的原因,早在 18 世纪记载当时就有两派不同见解: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 2 所示。由上至下,可分为 8 层: ①表层为耕植土,厚 1 60m; ②第 2 层为粉砂,夹粘质粉士透镜体, 厚度 5.40m;

③第 3 层为粉土,厚 3.0 m; ④第 4 层为上层粘土,厚度 10.5m; ⑤第 5 层为中间粘土,厚为 5.0m; ⑥第 6 层为砂土,厚为 2.0m; ⑦第 7 层为下层粘土,厚度 12.5m; ⑧第 8 层为砂土,厚度超过 20.0m。 有人将上述 8 层土合为 3 大层: ①一③层为砂质粉质土; ④一⑦层为粘土层;⑧层为砂质土层。 地下水位深 1.6m,位于粉砂层。 根据上述资料分析认为比萨钟塔倾斜的原因是: (1)钟塔基础底面位于第 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 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。 3.事故处理方法 (1)卸荷处理 为了减轻钟塔地基荷重, 1838 年至 1839 年, 于钟塔周围开挖一个环形基坑。 基坑宽度约 3.5m,北侧深 0。9m,南侧深 2.7m。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。基坑外围用规整的条石垂直向砌筑。基坑顶 面以外地面平坦。 (2)防水与灌水泥浆 为防止雨水下渗,于 1933—1935 年对环型基坑做防水处理,同时对基础环 周用水泥浆加强。 (3)为防止比萨斜塔散架,于 1992 年 7 月开始对塔身加固。 以上处理方法均非根本之计。其关键应是对地基加固而又不危及塔身安全。其难 度是很大。
比萨斜塔地基剖面图

此外,比萨斜塔贵在斜,因为 1590 年伽利略曾在此塔做落体实验,创立了 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。 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。有志之土如能研究出一个切实可行的方案.则是一大贡献。


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