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[分享]你只看见比萨斜塔的表面光鲜，却不知道它为了站稳脚有多努力
来源：SME科技故事，获授权转载。
比萨斜塔，几乎撑起了意大利旅游业的半边天。
如果不是这座塔，你估计都不知道有比萨这座小城。
凭着妖娆的身段，它每年都吸引来上百万名的游客。
不拍一张“假装扶住塔身”的打卡照，都感觉自己白来意大利了。
不过，比萨斜塔本身还真不需要游客们的多余关心。
如果要评选世界上最坚挺的建筑，比萨斜塔必须榜上有名。
其塔虽斜但却稳如狗，正是它千百年来最吸引人的地方。
坐落于一个地震多发的地区，摇摇欲坠了800年，但它就是屹立不倒。
自1280年以来，比萨斜塔就至少经受住了4次大地震的打击，其中一次震级还达到了里氏6.0级。
最近一项研究认为，比萨斜塔之所以能够抵御强震的能力源于松软土壤的保护作用。
这种效应的术语为“动态土壤结构相互作用”（DSSI，dynamic soil-structure interaction）。
简单来说，就是比萨斜塔的高度和刚度与地基土壤的柔软度相结合，造成了该结构的震动特性被大幅修正。
当地震来袭时，塔身并不会随着地震而产生强烈的共振，其震动幅度会比地面小得多。
不过，这还真的没什么好骄傲的。
因为比萨斜塔的倾斜与摇摇欲坠同样祸起土壤。
从知名度来看，人们很容易误会比萨塔是故意被设计成倾斜的。
但事实上，它的倾斜完全源于一场世纪工程失误。
回顾其历史，就是一部最波澜壮阔的纠偏史，真·200年烂尾，600年危楼。
光建成这座高塔，就花了几代工程师近两百年的时间。
但更奇葩的还是，世人竟还花了600年试图将其“扶正”，人人都担心这座危楼会随时倒下。
奇迹广场
用暴发户来形容一千年前的意大利比萨都不为过。
在1063年洗劫了西西里岛之后，比萨人就开始了奢华之风，准备打造一座“奇迹广场”。
而比萨塔则始建于1173年，预想的作用是钟塔，服务于当时最宏伟的比萨大教堂。
所以原设计就是8层，高54.8米的气派园形柱廊联拱式建筑。
即使后来没有发生倾斜，它也将会是欧洲最瞩目的钟楼之一。
当然，建塔之初的设计也是笔直向上的。
只是开工五年后，才兴建到第三层时，塔身就已经开始歪了，偏离了正确的轨道约0.25度。
不过，这似乎已是比萨人能够料想到的后果了，他们对此也不会过分担心。
因为在一千多年前，全世界都没人关心地基失稳的问题（波特兰水泥是在1820年发明的）。
人们搞建筑时都是见招拆招，歪了再调整。
再说，比萨斜塔也并非比萨城内唯一一座倾斜的建筑了。
这源于比萨城糟糕的地理位置，属于河道淤积平原，土层松软且地基极度不均匀。
例如，“比萨”这座小城的名字，就来源于希腊语中的“沼泽地”。
而且比萨塔又是沉重的大理石打造的，一侧的地面根本无法支持这个重量。
比萨城的旧地图
这里需要提及一个冷知识，最初的比萨斜塔是向北倾斜的，而不是如今的向南倾斜。
现代分析认为，正是塔基南部存在较厚的粘质粉土导致倾斜发生。
所以在现代工程师眼里，比萨塔不发生倾斜才能算真的“奇迹”。
在第四层完工后，工程就暂时停工了，原因未知*。
时隔一个世纪，我们连这座塔最初的设计师是谁都还搞不清楚。
*注：一个说法是设计师没办法纠正这种倾斜而不得不喊挺，另一个说法则是比萨与佛罗伦萨之间的战争而中断。
这次停工足足持续了一个多世纪。
直到1272年，意大利人才鼓起勇气决定重拾这座烂尾塔。
那时塔身已经向北倾斜了大约18厘米。
为了补偿已经发生的中心偏离，工程师还特意使其向反方向倾斜。例如在南面加高石料，调整承重柱的胖瘦以及改变墙体的厚薄等。
然而，这并未能改变其倾斜。
到1278年建至第7层时，塔身反手就换了个方向倾斜，从原来的的朝北变成朝南。
而且经过此次修补，塔身更是歪歪扭扭。
所以这里还需提到一个冷知识：比萨斜塔不止是斜的，它还像香蕉一样是弯的。
见此状，工程师们自然不敢逞强，剩下最后一层楼没盖上就又被迫停工了。
时光飞逝，又跨过了一个世纪。
直到1372年，第八层的钟室才终于正式完工，而且这第8层还有意建成向北。
只是这点小小功夫并未能力挽狂澜，整个塔身的倾斜反而再次加剧。
完工时，塔顶中心点已偏离塔体中心线整整2.1米。
不过经历这么多次的打打停停，也算是因祸得福了。
有科学家推测，正是停工了百年，才保全了倾斜的塔身能屹立不倒。
在重压下，塔底的泥土层变形强化，使其负荷强度有所增加。
若非工程被叫停，塔底松软的土壤也许会无法承受整座塔的重量而倒下。
历时近两个世纪，一场马拉松式的建塔工作终告结束。
但是比萨斜塔的竣工，并未给比萨人带来欢颜。
在地心引力的作用下，它的倾斜度每年仍在逐渐变大，大家都在担心它有一天会倒下。
于是斜塔的长达600年的“扶正”史，正式开始。
更雪上加霜的是，比萨斜塔还有不断下沉的趋势。
到19世纪，它已经下沉了25厘米，最底下一层已深深地埋入了松软的土壤中。
那该怎么办呢？总不能将它拔出来吧。
于是工程师就打算换个思路，把地基周围的泥土挖出来。
那么，比萨塔的底部就能重见天日了。
然而现实很骨感，才开挖没多久，大量积水就开始涌出。
彼时谁也没想到这塔基能复杂至此，除了松软外，地下水位就在地面以下一米。
这次挖掘工程使比萨斜塔元气大伤，塔身一下子又倾斜整整2.5厘米。
不过这还没完，一个世纪后的1933年发生了同样的悲剧。
而始作俑者正是意大利独裁者墨索里尼。
“象征着意大利昔日辉煌的建筑，怎么能是一座斜塔呢？”
于是墨索里尼便命人用灌浆的方式，试图强化地基，让其不再倾倒。
当80吨水泥被一点点的灌入塔基时，地下水再次涌出。
这次失误，更直接导致塔身再次倾斜了9厘米。
还未来得及作修正措施，二战就爆发了。
不过二战中，比萨塔却是幸运的。
当时意大利所有钟塔基本上都被盟军碾平压碎了，原因是这些高塔更容易成为德军的据点。
但，惟独最亮眼的比萨斜塔能幸免于难。
二战过后，那位奉命摧毁比萨斜塔的美国士兵里昂·威克斯坦（Leon Weckstein ）回忆道：
这是一座多么美丽的白色建筑，我当时就动了恻隐之心。
里昂·威克斯坦在意大利战场
然而躲得过二战的炮火连天，比萨塔却无法经得起岁月的摧残。
就算没有那些猪队友，它的倾斜趋势仍逐年加大。
但比萨斜塔就是命不该绝，到1987年它就收录到世界遗产名录中。
这座古老且怪异的斜塔，一下子成了全世界的焦点。
那时，比萨斜塔的倾斜角已达5.5度。
就是在电脑上模拟这一倾角时，塔身也根本站不住脚，还未倒下真是不可思议。
有工程师预测，按照这个倾斜趋势，这座塔估计见不到21世纪的阳光了。
全世界人民的心都被吊到了嗓子眼。
于是，1990年拯救比萨斜塔国际委员会正式成立，现代的扶正计划开启。
他们马上收到了近千份的纠偏方案，全世界的专家都纷纷为拯救斜塔献计献策。
但这依然没找到最有效的方案，只能采取一些临时的措施。
例如用钢丝捆住塔身，这既能提高塔本身的刚度，缓解塔内部开裂，又能暂缓塔体的倾斜。
这项预应力环箍的加固工程在1991年底施工完毕，也算是解决了斜塔的燃眉之急。
当然，这也是权宜之计罢了，斜塔急需更周全的保护。
于是从1993年开始，六百多吨铅块就被陆续堆积到了斜塔的北侧（塔身倾斜斜方向的另一侧）
这样便会形成一个强大的后缀力，牢牢地抓住快要倒下的塔身。
这个也称为“堆载促沉法”。
仅仅一年零四个月的时间，塔体的倾斜居然停止了，甚至首次向反方向回倾了。
令意大利人愤怒的丑陋铅块
但问题是，这些铅块堆在塔身旁实在太难看了。
作为意大利的命根子，比萨斜塔每年都会迎来无数游客，总不能“以丑示人”吧。
而且原计划是要将这些铅块撤掉的，但工程师们还担心起了另一个问题。
要知道重压下土壤会发生蠕变，其弹性和强度都会变强。若是回弹强度过大，在铅块撤出后，比萨斜塔可能随时会倒下。
鉴于这两难的处境，团队则推出了一个折中的新方案：用10根锚杆连接北侧基础深入地下，以代替原来铅块的压重。
然后，一场灾难就发生了。1995年9月，堪称比萨斜塔历史上的“黑色九月”。
前文已经提到过，比萨地区过高的地下水位是个大麻烦。
想将长锚杆埋下，就必须控制住地下水。
吸取过往的经验，施工团队以为想出了一条妙招：用液氮将斜塔的整个地基冷冻起来。
但是他们没有考虑到的是，水结冰后体积会膨胀。
于是，地基便发生了可怕的拱起。
现在塔体与土体之间隔着一层冰，整个比萨斜塔就像悬空着一样。
而冷冻一结束，这些冰马上就会融化成缝隙，斜塔迅速下沉。
这也导致了倾斜角度急剧增大，塔身的内部开始裂开。
好心办了坏事，在场的所有人都懵了。
这几天的倾斜程度为5.5厘米，都比得上过去一年的份了。
那时，工程师们只好迅速抽调了300吨铅石，压在了北侧。
加上原来的600吨负重，整整900吨巨石，才终于将塔的倾斜缓了下来。
经历了此次风波，全世界都震怒了，工程被停止。
斜塔也暂时关闭不对外开放，游客再也无法近距离观察比萨斜塔了。
不过戏剧性的事情，就发生在这最让人绝望的时刻了。
一个意大利九岁小孩的绘画，竟成了整个拯救斜塔计划的蓝图。
看着这幅画，斜塔项目的工程师John Burland 教授就想到了那个永久扶正的方案——把斜塔北侧的土掏掉一部分。
这样北面的土壤就会下沉，让塔身自动回正。
说来有趣，这个方法在早1962年就曾有提出，但因为看上起“过于没有技术含量”而被否决。
然而就是如此没技术含量的方案，却产生了奇效。
John Burland 教授
2000年2月，41条抽土管深深地埋入塔基。
与此同时，几根钢索环绕捆住斜塔二层，向北拉住塔身以防倒塌。
到2001年，斜塔就被扶正了近40厘米，倾斜度已恢复到130年前的模样。
随后，比萨斜塔也重新开业，再次向游人开放。
斜钻孔掏土方式示意图
因历史的局限，比萨斜塔没有一个很好的出身，从地基选择到设计都是史上一大乌龙。
但又由于时代的进步，拯救斜塔的难题也大获全胜。
只要不出现不可抗的自然因素，经过修复的斜塔预计可以再继续屹立不倒300年。
如果有机会亲自到它跟前探望，希望大家都能温柔地对待这座千锤百炼的斜塔吧。
*参考资料
CLEVE R. WOOTSON JR.The Leaning Tower of Pisa Should Have Crumbled in an Earthquake Long Ago. Now We Know How It Survived. THE WASHINGTON POST.2018.08.08
周冉.不倒的比萨斜塔：“倾斜”与“扶正”的赛跑.国家人文历史.2013
史佩栋，张美珍.拯救比萨斜塔——军举世瞩目的纠偏工程.岩土工程界.2000.11
Zim.Leaning Tower of Pisa & WWII.2013.06.28
纪录片《拯救比萨斜塔》
不土不木.John Burland与比萨斜塔
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