土力学与地基基础：解决土相关的变形问题

举世闻名的意大利比萨斜塔是建筑物倾斜的典型实例。

（1）事故概况

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，位于大教堂东南方向约25 m。

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。比萨斜塔的建造经历了三个时期：

第一期（1173—1178年）：自1173年9月8日动工，1178年建至第4层，高度约29 m时，因塔倾斜而停工。

第二期（1272—1278年）：钟塔施工中断94年后，于1272年复工，1278年建完第7层，高度约48 m时，再次停工。

第三期（1360—1370年）：经第二次施工中断82年后，于1360年再复工，1370年竣工，全塔共8层，高度为55 m。

斜塔呈圆筒形，塔身1～6层均由大理石砌成，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，拼接成圆形塔身。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层为砖和轻石料筑成。塔身砌体总厚度：第1层为4.1 m，第2～6层为2.6 m。塔身内径约7.65 m，基础底面外直径19.35 m，内直径4.51 m。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，因斜塔沉降加速，为了安全，于1990年1月14日封闭。

全塔总荷重约为145 MN，塔身传递到地基的平均压力约为500 kPa。目前，塔北侧沉降量约90 cm，南侧沉降量约270 cm，塔倾斜约5.5°，状况十分严重。

比萨斜塔向南倾斜，塔顶离开垂直线的水平距离已达5.27 m，约为我国虎丘塔的2.3倍。比萨斜塔塔身的建筑材料为质量优良的大理石条石且施工精细，因此塔身尚未出现裂缝。

经计算，比萨斜塔基础底面倾斜值为0.093（即93‰）。我国国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中规定：高耸结构基础的倾斜，当建筑物高度Hg为50 m＜Hg≤100 m时，其倾斜值的允许值为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。

（2）原因分析

比萨斜塔倾斜的原因成为当时许多学者关注的焦点。早在18世纪就有记载，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。

20世纪以来，一些学者提供了塔的基本资料和地基土的情况。比萨斜塔地基土的剖面，由上至下，可分为8层：

① 表层为耕植土，厚1.6 m；

② 第2层为粉砂，夹黏质粉土透镜体，厚度5.40 m；

③ 第3层为粉土，厚度3.0 m；

④ 第4层为上层黏土，厚度10.5 m；

⑤ 第5层为中间黏土，厚度5.0 m；(www.xing528.com)

⑥ 第6层为砂土，厚度2.0 m；

⑦ 第7层为下层黏土，厚度12.5 m；

⑧ 第8层为砂土，厚度超过20.0 m。

有人将上述8层土合并为3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。地下水位深1.6 m，位于粉砂层。

根据对上述资料分析，比萨斜塔倾斜的原因有：

① 比萨斜塔基础底面位于第2层粉砂中，由于施工不慎，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 比萨斜塔基底应力高达500 kPa，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 比萨斜塔地基中的黏土层厚达近30 m，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，这是比萨斜塔倾斜的重要原因。在20世纪60年代后期与70年代早期，观察到地下水位下降的同时塔的倾斜率增加。当天然地下水位恢复后，则塔的倾斜率也回到正常值。

（3）处理方法

① 卸荷处理

为了减轻比萨斜塔地基荷载，于1838—1839年在塔周围开挖一个环形基坑。基坑宽度约3.5 m，北侧深0.9 m，南侧深2.7 m。基坑底部位于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，且基坑顶面以外地面平坦。

② 防水处理与水泥浆加强

为防止雨水下渗，于1933—1935年对环型基坑做防水处理，同时对基础周围用水泥浆加强。

③ 塔身加固

为防止比萨斜塔散架，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，难度很大。