比萨斜塔可以用到的地基处理方法及其原理.doc

比萨斜塔可以用到的地基处理方法及其原理 摘要: 在意大利濒临热那亚湾的比萨城，举世闻名的比萨斜塔斜然耸立。整个建筑造型古朴而灵巧. 其实八百年前的建筑师们并非要建造这样一座斜塔，但建至第三层时，塔体开始倾斜，几度被迫停止。全塔建成后，此后倾斜度不断加剧。 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客，因而它也是比萨市的经济支柱。 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。然而1838年的一次工程导致了比萨斜塔突然加速倾斜，人们不得不采取紧急维护措施。当时建筑师Alessandro della Gherardesca在原本密封的斜塔地基周围进行了挖掘，以探究地基的形态，揭示圆柱柱础和地基台阶是否与设想的相同。这一行为使得斜塔失去了原有的平衡，地基开始开裂，最严重的是发生了地下水涌入的现象。这次工程后的勘测结果表明倾斜加剧了20厘米，而此前267年的倾斜总和不过5厘米。 因为比萨斜塔的倾斜和它同时具有的美丽，从1173年建造伊始至今，它一直受到人们的关注。在建造过程中，起初人们先是采用特殊的建筑设备试图阻止倾斜的继续，其后又替换掉柱子和其他破损的部件，现在人们又在地基间插入材料，大大地减少了倾斜程度，保证塔楼能够维持更长时间而不倒塌。 关键字：建筑造型，倾斜的形成，倾斜的过程，斜塔的维修，地基的处理。1 引言 1973 年8 月9 日, 比萨人开始为自己的城市兴建一座钟塔。当时,意大利大地上遍布自治城邦, 比萨就是其中最有的一个。这座滨海城市借助舟辑之便, 使比萨商船队的帆影遍布整个地中海区域, 其足迹西达马略卡岛（位于西班牙东）东到君士坦丁堡。比萨发达的航海贸易为城市带来了大量财富,也为城市建设注人前所未有的活力。当时, 比萨城中充斥宏伟的罗马式建筑, 比萨钟塔就是其中的代表之一。然而, 建筑设计师在选择钟塔的地基时却犯下了致命大错, 他把比萨钟塔的地基选择在一片土质松软的冲积平原上, 一条干河床阴险的埋伏在平原下面。最初几级台阶修好后，设计师惊讶的发现，塔钟开始向北倾斜。作为补救, 设计师立即修改了施工方案, 使钟塔北面廊柱和拱门的尺寸略高于南面, 以挽回倾斜造成的影响。后来, 人们沮丧地发现, 这不过是为寻求视觉平衡而做的治标之举, 它并没有止住比萨钟塔倾斜的脚步1978年, 比萨钟塔的修造工作暂时停止, 这时钟塔已经修到了第四层。停工是因为人们惊恐地发现钟塔修得越高, 它的倾斜角度就越大。不过, 经过反复思考后决策者认定, 既然他们不愿把钟塔推倒重来,索性就把错误进行到底。这就是比萨斜塔形成的原因。 2 背景 从1550年到1817年的267年间，比萨斜塔共倾斜了5厘米。1838年，比萨斜塔又出现了一次较大幅度的倾斜，斜塔的保护工作从此开始，在意大利政府的参与组织下，各领域的专家学者成立了专门的拯救委员会，研究制定纠偏的办法。此后，斜塔以每年平均1毫米的速度继续倾斜，塔身重心线偏离10。早在20世纪80年代初期曾有人预言，比萨斜塔将在2003年到2004年间轰然倒塌，这使全世界关心比萨斜塔的人们心急如焚，斜塔拯救委员会向全世界征集办法，以期延缓斜塔倾斜的速度。但是，鉴于1934年向塔基土层内注入水泥后，反而使斜塔在1年内多倾斜了6毫米的教训，面对收集上来的各种方案，拯救委员会一直无法抉择。最终选择了继续拯救比萨斜塔。 3 工程分析建筑物倾斜的原因。1、上部结构方面的原因；1.1 荷载偏心；1.2 建筑平面多变，立面高差大，荷载分布不均匀；1.3 施工误差或施工顺序不当，加载不均。2、地基基础方面的原因；2.1 土质变化不均，压缩性差异大；2.2 土质软弱，承载力不足；2.3 膨胀、湿陷等不良工程地质；2.4 施工不当，基底未清理干净，垫层不密实等。3、外界原因。3.1 邻近新增建筑物或堆载引起附加沉降；3.2 附近抽降地下水引起附加沉降；3.3 附近施工扰动，破坏土体结构引起附加沉降；3.4 邻近基坑开挖或挡土结构破坏，引起地基土体侧移；3.5 风力和日照可引起高耸构筑物倾斜。各类纠偏方法概述1、顶升纠偏；原理：通过隆胀地基，顶托基础或顶托上部结构，将倾向侧抬高，达到纠偏目的。实施步骤：计算顶升反作用力安置传力构件千斤顶就位顶升材料填充适用性：适用广泛，但施工难度较大，费用较高。2、降水纠偏；有效应力原理，在反倾侧降低地下水位实施步骤：确定降水深度施工降水监测降水至纠偏完成适用性：简单易行，经济，但效果有限，对环境影响较大。3、浸水纠偏；原理：利用土的湿陷性，人工注水加大反倾侧的沉降步骤：浸水试验布设浸水点注水、监控至纠偏完成适用性：湿陷性黄土地区的建（构）筑物4、掏土纠偏；原理：在反倾侧一侧掏土，达到纠偏目的实施步骤：掏土量估计掏土适用性：原理简单，易于实现，费用较低；但应控制速率，防止突变。5、地基应力解除法纠偏；原理：在倾斜较小一侧密集钻孔取土，使地基应力局部得到解除或转移，增大该侧沉降，达到纠偏目的。实施步骤：钻孔掏土量估计、调整拔管、封孔监测适用性：纠偏效率高，费用低，施工较文明、安全，应用广泛。6、堆载与加压纠偏；原理：将建（构）筑物倾斜视为倾斜力矩作用结果，施加与倾斜力矩大致相等的反向力矩实施步骤：估算纠偏力矩分批堆载或加压严密监控至纠偏结束适用性：如条件适当，能获得良好的纠偏效果4 倾斜原因分析 18世纪记载，当时就有两派不同见解 l 历史学家兰尼里克拉西：比萨塔有意建成不垂直； l 建筑师阿莱山特罗 ：比萨塔的倾斜归因于它的地基不均匀沉降 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 。比萨斜塔的相关数据：大理石砌体结构塔直径19.6m重量14500t塔高60m，共7层基础埋深44.5m向南倾斜5度11分20秒。5 比萨斜塔的纠偏方法及实践 经过8年之久的反复论证，拯救委员会选定了一个非常简单的纠偏方法：从斜塔的北侧地基下抽出部分沙土，使斜塔的倾斜自然北移。这一方法是一位意大利人早在1961年提出来的，因为其原理过于浅显，一直没有引起专家们的重视。但此人后来到了墨西哥，用此方法将出现倾斜的墨西哥城主教堂扶正了。 在经过精确的设计和充分的准备之后，抽土工程于今年2月13日正式开始。41条抽土管深深地插入20米深的北侧塔基地下，工程以日抽土100公斤的速度进行。与此同时，几条钢索环绕捆住斜塔的二层，向北拉住塔身，120部精密仪器从各个角度和高度严密监测斜塔的动静。一切正常，斜塔的倾斜开始出现了回复的迹象！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。现在的比萨斜塔如下： 6.结论1 修建建筑物时要充分考虑当地的地形是、地貌，不要在危险的地方修建建筑物。2.在处理有危险的建筑物是要认真考虑地形，选好地基处理的方案。， 3.考虑实际，不要因为简单的方案而看不起。