比萨斜塔成因和拯救措施

        举世闻名的比萨斜塔位于意大利中北部城市 - 比萨。在十六世纪末，杰出的天文学家、物理学家、数学家伽利略就是在比萨斜塔上完成了两个不同重量球体同时落地的试验，从而揭示了物体自由落体的真相，为掘起的科学革命奠定基础。

       二十年前的2004年4月，小篇有幸游历西欧九国。作为现代岩土工程师，除了游览欣赏异域风光，更对意大利的比萨斜塔地基岩土问题感兴趣。为此，通过现场查看，并收集相关资料对该塔的倾斜原因和拯救措施作分析而整理本文。若有谬误之处，敬请斧正。

                 举世闻名的比萨斜塔 

       一  工程事故概况

        比萨市位于意大利中北部，斜塔是比萨城大教堂的一座独立式钟楼，高8层， 位于大教堂东南约25m处。设计为垂直建造， 塔身建筑材料为坚硬的大理石条形块石浆砌而成。地基工程始建于1173年8月，建到第三层时就发现塔身倾斜，1178年工程被迫停止。

       在停滞了近一个世纪后的1272年重新开工，1278年建完第七层时工程再度停了下来。  1360年又开始在塔顶建造钟楼阁，1370年终于完工。

      第八层钟楼阁上共放置有7口钟 , 但是由于钟楼时刻都有倒塌的危险，据说至今都没有撞响过。

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                   比萨斜塔结构图 

       比萨斜塔从地基到塔顶高58.36m，从地面到塔顶高55m。钟楼墙体在地面上的厚度4.09m ，在塔顶厚2.48m，塔身总重14453T (约145MN) ，重心在地基上方22.6m处。圆形基础面积285 平方米，基底平均压力约为500kPa。

       目前，塔北侧沉降量约90cm，南侧沉降量约270cm，塔身整体向南倾斜十分严重，倾斜度达5.5度。塔顶离开垂线的水平距离巳达5.27m 。等于我国虎丘塔倾斜后塔顶离开水平距离的2.3倍  (虎丘塔现塔身倾斜2.48度 , 塔尖离开垂线的水平距离2.34m) 。幸亏比萨斜塔的建筑材料大理石条石质量优、施工精致，浆砌严密吻合，尚未发现塔身有裂缝。

       经计算, 比萨斜塔基础底面倾斜值为0.093。我国《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中规定建筑物高度Hg为50m<100m时，允许倾斜值为≤0.005, 即5‰。目前，比萨斜塔基础倾斜值已是我国标准允许值的18倍，达到了极危险的状态，随时有倾倒的可能。

        二   工程事故原因

       早在18世纪记载中就有两派不同解释，一派是历史学者，坚持比萨塔是当年的建造者有意为之而建成不垂直状；另一派是建筑师团队，则认为比萨塔的倾斜归因于它的地基不均匀沉降。

       至1817年，两名英国学者提出了比萨斜塔是由于 “粘土和砂组成的地基难以平衡承受重达14553T的塔身，从而导致了倾斜” 的解释。自此，“地基原因说” 开始被人们所接受。

        据资料, 比萨斜塔地基土自上而下可分为8层：

      ①表层为耕植土, 厚1.60m；

     ②第2层为粉砂夹黏质粉士透镜体, 厚5.40m；

       ③第3层为粉土，厚3.0m；

      ④第4层为上层黏土，厚10.5m；

      ⑤第5层为中间黏土，厚5.0m；

      ⑥第6层为砂土，厚2.0m；

      ⑦第7层为下层黏土，厚12.5m；

      ⑧第8层为砂土，厚超过20.0m。

       地下水位埋深1.6m， 位于第2层粉砂层中。亦有人将上述8层土合为三大层：①~③层为砂质粉质土层；④~⑦层为黏土层；⑧层为砂质土层。

       依上述资料分析，导致比萨钟塔的倾斜主要有如下原因 : 

        1. 钟塔基底压力高达500kPa，超过持力层 (第2层粉砂夹黏质粉士透镜体) 的承载能力。按现代土力学理论计算，第2层粉砂夹黏质粉士透镜体的地基承载力为180~200kPa，显然不能直接满足上部荷载的需要 。而在850年前，土力学理论还尚末诞生，当时的人们可能还没有地基土承载力的概念。于是，在当时技术条件下兴建的钟塔因此产生了地基塑性变形，使塔基产生不均匀下沉。因塔南侧接触压力大于北侧 , 南侧塑性变形必然大于北侧，于是塔的倾斜不断加剧。

       2. 地基压缩层中的黏土厚度近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。

       3. 在比萨平原深层大量抽用地下水，使地下水位下降，相当于大面积加载，也是加速钟塔倾斜的重要原因。 在20世纪60年代后期与70年代初期，观察地下水位下降的同时，钟塔倾斜率增加。当停止抽水地下水位恢复后， 钟塔的倾斜率也逐渐回到常值。

        三  倾斜发展过程  

       已有的文字记载显示，比萨斜塔在几个世纪以来的倾斜是缓慢的，它和地基下方的土层实际上达到了某种程度上的平衡。

       在第一阶段(1173~1178年)钟塔建造至第3层结束时，钟塔先是向北倾斜约0.25度。于是，釆取了相应的纠偏。在建造的第二阶段(1272~1278年)由于纠偏过度，到1278年第7层完成时反而向南倾斜约0.6度。第三阶段(1360~1370年)建造顶层钟房时又增加到1.6度。

       此后，钟楼继续缓慢倾斜。从1550年到1817年的267年间 , 塔身倾斜仅增加了5厘米， 当时的倾斜度已是5度。由于倾斜缓慢，人们也没有对斜塔进行特意的维修处理。 

       1838年，为探究地基基础的形态 ，揭示圆柱基础和地基台阶是否与设想的相同，人们在原本密封的斜塔地基周围进行了挖掘。于是，大量的地下水涌入开挖了的基坑，无奈只有往外抽排水，结果是斜塔基础与地基土失去了原有的平衡，使基础出现开裂，导致了塔身突然加速倾斜，勘测结果表明塔身倾斜加剧了20cm。此后，人们不得不采取地下注浆、上部卸荷等诸多紧急措施来加以维护。

       1838年的工程结束以后，比萨斜塔的加速倾斜又持续了几年, 然后又趋于平稳，减少到每年倾斜约1mm。

       四  拯救措施

       随着时间的推移，斜塔倾斜角度仍在逐渐加大，到上个世纪九十年代已濒于倒塌。如此，意大利政府于1990年1月7日被迫关闭了对游人的开放。最终是采用看似简单但很是实用的 “地基应力解除法” 即 “卸土纠偏法” 来拯救比萨斜塔。其原理是在斜塔倾斜的反方向(北侧)塔基下面掏土，利用该侧地基的沉降，使塔体的重心后移, 从而减小倾斜幅度。

      该方法于1962 年意大利工程师Terracina就提出 , 当时称为 “掏土法”。由于该方法缺乏高深理论依据而显得太土，故遭长期搁置。直到在墨西哥城主教堂的纠偏工程成功应用后 ，才被重新认识和采纳。

        2001年6月后重新开放的比萨斜塔 

                           摄于 2004.04 

      拯救比萨斜塔的工程于1999年10月开始，方法是采用斜向钻孔从斜塔北侧的地基下缓慢向外抽取地基土壤，使北侧地基高度缓慢下降，斜塔重心在重力的作用下逐渐向北移动。至2001年6月，倾斜角度又回到了安全范围之内，关闭了十年之久的比萨斜塔又得以重新对游人开放。

        比萨斜塔是世界建筑史的奇迹。自1370年建成至今650多年的时间里，只斜不倒。看它似乎神奇，其实凝结了历代岩工程师的心血和智慧。作为世界文化的遗产，在现代先进科技手段的加持下，我们真心的希望比萨钟塔 "只斜不倒" 的状态能永远保持下去。