意大利比萨斜塔的纠偏 1.工程概况 意大利比萨斜塔并非是迪士尼乐园古怪的观光景点，它是建筑史上的瑰宝， 是中世纪欧洲最重要的遗迹之一，即使它不倾斜站立在神奇广场，它是由大 教堂（Duomo）、钟塔（斜塔）、洗礼堂和墓地（墓场）四个主要的白色闪光的 中世纪建筑物构成的综合建筑的一部分就广场的其它建筑，钟塔象征着富裕 的比萨市市民的自豪和光荣，而它本身是优美的、独特的、迷惑的1990年， 因害怕其安全性，塔对公众关闭同年，由意大利总理组建多科学委员会来实 施塔的稳定措施这样一个对比萨、对意大利、对世界遗产的手术，其重要性 是毫无疑问的2. 建筑说明 塔八层，高53.3m，重14,500公吨塔的砖石地基的直径为19.6m，最大 深度5.5m塔基向南倾斜，与地面成5.5°，第七层在南面突出4.5m 塔是 用柱廊围成一个空心的圆柱体的形式建造的，圆柱体的内表面和外表面用密缝 的白色大理石复面，但复面嵌缝的材料是由灰浆和石头构成，发现其中有大量 的空隙在塔的墙内盘绕着螺旋形的楼梯第二层南边砖石结构的稳定性是问 题的关键 图1 透过塔的垂直剖面铺底部分由三个独立层构成A层厚约10m，由10,000年前的浅水区（环 礁湖、河流和港湾）沉积的各种软质粉土沉淀物构成。
B层由30,000年前沉积 的非常软的灵敏海相粘土组成，厚度达40m此断层横向非常均匀C层是密实 甚深的砂石A层的地下水位深在1m和2m之间塔四周甚至是地下的许多钻 孔显示由于上面的塔的重量，B层的表面是盆形的从此现象可推断出塔的平 均沉降为2.5m~3.0m，铺底的土壤是非常可压缩的3. 建筑历史 塔的建造始于1137年8月，约到1178年工程停止时，已造了四层，完成 了1/4停工的原因不知道，但再继续建造下去，B层的土壤难以承重，塔可能 会倒塌约在1272年，建议继续建造那时，粘土由于在塔的重压下强固（即 使那时还不知道这）约在1278年，再次停止建造，建筑已造了七层毫无疑 问，如果在此阶段将塔完工，塔会倒塌约在1360年，铺底的粘土再次强固时， 开始钟房的建造约到1370年完成 — 距开始建造约200年 另一个重要的历史性细节是：在1838年，建筑师Alessandro della Gherardesca在塔基周围挖了一个走道（Catino）来揭示圆柱柱础和地基台阶是否与原先设想的相同结果是由于挖掘的地方低于地下水位，在南边有水流 入，很显然，在当时塔的倾斜 已超过1/4°1995年发现GherardescA在走道的 底下放了一个0.7m厚的混凝土环。
4. 倾斜历史塔的中心线不是直的 — 它向北弯曲为了纠正倾斜，曾在每一层用锥形 的砖石块来改变塔中心线的弯曲仔细分析砖石建筑的相对倾斜揭示了塔的倾 斜历史在第一阶段结束时，塔实际上已向北倾斜约1/4°，然后随着第四层 以上的楼层的建造，开始向南移并慢慢增加，以致到1278年，第七层造好后， 向南倾斜了约0.6°1360年开始建造钟房时，已增加到了1.6°1817年， 二位英国建筑师用一铅垂线测量倾斜，那时已经是5°了这样，钟房的建造 对倾斜引起了显著的增加先进的计算机分析显示在柔软的地毯上的模型砖上 直接模拟建造塔，当到达第七层和增加钟房时，倾斜快速增加它只能造到一 定的临界高度，不能再高，而且要注意的一点是 — 知道倾斜不稳定的现象 它正好在它的临界高度且很容易倒塌走道的开挖再一次使得塔非常容易倒塌 从1911年开始的精确的测量结果显示在20世纪期间，塔的倾斜每年都在 不可抗拒的增加从1930年中期，倾斜率成倍增长1990年，倾斜率相当于 每年顶部水平移动约1.5mm，加上一些对塔的干扰也导致了倾斜的明显增加 例如，1934年用灌浆方法来加固地基，结果突然向南移动了约10mm；1970年 从低处的砂石中抽地下水，结果使移动增加了约12mm。
这些反应确定塔的平衡 是多么的敏感，塔的稳定要用怎样细致的方法5. 塔的稳定 国际上可接受的珍贵历史遗迹保护惯例要求要保留遗迹的本质特征，以及 其历史、工艺和不可思议性这样，任何对塔的侵害性的介入都要保持在绝对 的小，永久性稳定计划中有支柱或可见的支撑物是不可接受的任何暂时的稳 定措施应是非侵入性的和可逆的1993年下半年，通过浇筑在塔基周围可移动的后应力式混凝土环将600t 的铅重放在地基的北边使地基暂时稳定这使倾斜减小了1弧分，更重要的是 减小了约10%的倾覆力矩1995年9月，在企图用临时的土锚来替换难看的铅 重结果不成功时，为了控制塔的移动，负载增加到了900t1992年着手解决砖 石问题，在第一个檐口和到第二层的间隔，在塔的周围绑了一些轻微后应力的 钢腱图2 塔下和塔附近抽土管的位置找到了一个不显眼只可稍微减小约0.5°倾斜的永久解决方法，但要减小 砖石建筑的应力和地基的稳固假设塔的地基处在不稳定点上，而且南边的土 地稍微地动一下就可能会引起倒塌，委员会进行了激烈的讨论，可还是找不到 一个直截了当减小倾斜的方法这些用井点降水、用电渗透法强固踏北土层和 用地锚加载石板压在塔北周围土层等等，没有一个是满意的。
6. 抽土研究 一种已知的抽土方法逐渐形成，这要在地基的北边的附近区域和地下安装 一些抽土管在著名的减小墨西哥城大教堂的破坏性差异沉降中曾成功地使用 过此方法但是用在一个处于倒塌点的塔上则完全又是另一件事情我们如何 能确保抽取高侧地下土而不会对塔造成不稳定？数年前，此方法用物理模型进 行了初步研究，然后通过数字模型，最后进行大规模的试验来自模型研究和数据分析的重要发现是从地基北边1/2半径处有一临界线（即，远离倾斜边） 假设在此线的北边进行地基地下抽土，显示塔的反应是肯定的但是，如果在 此线的南边抽土，它会向南移且变得不稳定，产生的不稳定性首先表现为地基 南边沉降加快，接着向南边旋转此结果是在广场北边洗礼堂直径为7m的偏心 负载的试验性地基上进行大规模的抽土试验时得到的最初是强调测量倾斜的 变化，而不是绝对沉降从临界线南边抽土会导致过分的钻探，使南边跟着试 验性地基向南旋转，沉降加快这花了6周时间来重新得到试验性地基的稳定， 得到了一个有益的教训 大规模试验的主要目的是提高抽土的钻探技术开发的钻头是一个直径为 180mm的反转的套筒，内装空茎的连续螺旋推进器（或者是阿基米德螺旋桨） 当钻杆退出形成一个洞穴，空茎处的测量探针留在适当的位置测量洞的密合性。
试验显示在A层粉土中形成的洞柔和地密合，可在同一位置反复抽取，试验地 基可顺利地旋转0.25°，且保持方向控制，即使土壤条件不是很均匀非常重 要的是开发了一个有效决策和执行决策的交流系统 图3 抽土钻探操作的顺序7. 初步的抽土 1996年8月，委员会同意从塔下进行限制性抽土，并观察其反应由于官 僚主义和行政管理的延误，直到1998年年底才真正开始准备工作1998年12月，在塔的第三层连接了一些暂时性的安全防护钢索，向塔北 边延伸约100m，穿过两个巨大的A型架顶部的滑轮，用铅重轻轻拉紧万一塔 反向移动时，这些安全防护钢索用由铅垂拉紧来保持塔的稳定但从没打算真 正用它来向北移动塔 由200mm直径衬套的12个钻孔在有限的6m的宽度上进行初步抽土中心 线向西边偏移1m，这是为了引导西向分量的移动 引钻器和旋转套逐个在洞 内工作，使操作很慢且很笨重，每天最多抽取2次原先设定的最少减少倾斜 20弧秒足够能证明此系统是的确有效的最初每天只能抽取20升土 在现场和负责抽土的工程师之间建立通讯控制系统，包括从现场来的每天 2次有关塔倾斜和沉降的实时信息的总结了观察到的反应，并对此作了 评语，并提出了下次抽土指示的每天由负责工程师签发。
图4 防护钢索如果塔发生了不好的反应，就采用设置的绿色、琥珀色和红色的触发设定 值，这些同时也包含倾斜和沉降变化率和大小为了避免超过严格的要求和错 误的警报，对塔移动约6年的记录作了仔细的分析后设置了触发设定值1999年2月9日，在高度紧张的气氛下开始了第一次抽土在开始的几天， 钻孔朝地基的边缘前进时，塔没有显示出明显的反应，然后慢慢地向南旋转 2月23日，已在南边旋转了约7弧秒，突然在一天内开始朝南旋转2弧秒仔 细检查显示这与南边的沉降无关结果来自阿尔卑斯山脉的北风和大雪使温度 骤降，从以前的记录显示这通常会引起向南有小小的移动大风过后，温度上 升，塔又开始向北移动这个小插曲说明在抽土期间要一直保持恒定的戒备状 态 图 5所示的是初步抽土的结果当到1999年6月初，向北旋转达到80弧 秒，抽土停止然后继续以递减的比率向北旋转，直到1999年7时，所有移动 全部停止，三个嵌垂移除从图中可以看到两个特性，第一，向西分量转动按 计划发生；第二，在抽土期间，地基的南部边缘上升最满意的是证实了抽土 背离临界线，在南边发生了卸载图5 初步抽土结果 8.抽全部的土 初步抽土的成功使委员会相信在地基的整个宽度上进行全部抽土是安全的。
相应地，在1999年12月和2000年1月之间，安装了间隔为0.5m的41个抽土 孔，每个孔装有专用的引钻器和套筒2000年2月21日开始全面抽土，初步 抽土和全面抽土的结果如图6所示可以看出得到了一个比初步抽土高很多的 向北的转动率，如每天抽土约120升，造成每天平均约6弧秒转动塔有一向 东移动的趋势，为了控制这个趋势就必须从西边抽取比东边多20%的土不管这个趋势的话，可看到塔会以一个相当直的路线向北同时也让人满意的是地 基的南边发生了明显的上升 图6抽取全部土的结果到2000年5月底，开始逐渐地移走铅锭开始是每周2个（约18t）， 2000年9月增加到每周3个，2000年10月是每周4个取走铅锭，倾覆显著 增加，但抽土继续有效地进行 图7 钻具和41个抽土管 2001年1月16日，最后一个从后应力混凝土环中取出，接下去只是进行 限定土的抽取在2月中旬，混凝土块本身也移去3月初，开始逐渐移去引 钻器和套筒孔用膨润土泥浆填满最后，在5月中旬，从塔上拆除防护钢索， 产生了几弧秒的向南移动反制这个倾向，进行最后的抽土，抽取另外的少量 土2001年6月6日除去引钻器——这天塔解除了戒备看护。
图8 2001年1月16日，最后一个铅锭取走 图9 走道钻孔插入加强钢棒紧系砖石地基 和老的混凝土环另外，为了塔倾斜减小0.5°，在砖石建筑的最高压应力部位进行了有限的 加固工作，包括在大石块的空隙处灌浆，使用不锈钢加强筋加固覆盖砖面外覆 层有向外弯曲危险的地方，第一个檐口和第二层楼周围环绕的钢腱用较少的嵌 入在树胶的预应力钢丝替换，由Gherardesca在1838年放置在走道底部的很老 的混凝土环用不锈钢加强件与塔地基牢固地相连，并用环向的后应力加固这 样，地基的有效区域明显地增加了9.回到将来 减小倾斜0.5°的目标，大致的观察是看不出来的，但充分地稳定了地基， 明显减小了砖石地基的应力2001年12月记录的时候，共减小了1830弧秒 （包括铅垂的影响）这个在倾斜上的减小量相当于第七层向北水平推动了约 442mm现在塔回到了1380年Gherardesca挖走道时塔突然向南倾前的状态 一个明显的问题是这塔将来会怎样？有二种情景，一种是悲观的情景，塔 将会保持一段时间的稳定，接着是以一个较小速率继续向南转动对于这个情 景，对地基再次干预之前会保持300年。
另一个是乐观的情景，塔将停止继续 转动，除了由于季节而引起地下水位的变动而产生较小的周期性移动外，沉降 差异的影响也会对整个比广场有影响，在塔上会有反应10.结论 已证实比萨塔的稳定对土木工程师是一个巨大的艰难的挑战塔建造在薄 弱的高可压缩性的土层上，且倾斜年复一年不可抗拒地增加，快达到一个不稳 定的倾斜状态对南边土地有任何的扰动是非常危险的，这就排除了常规的岩 土工程的处理，。