比薩斜塔，一個因工程失誤釀成的豆腐渣工程，為何傾斜800年不倒？
本文轉載自公眾號SME科技故事
幾乎撐起了義大利旅遊業的半邊天
如果不是這座塔
你估計都不知道有比薩這座小城
憑著妖嬈的身段
它每年都吸引來上百萬名的遊客
不拍一張「假裝扶住塔身」的打卡照
都感覺自己白來義大利了
不過
比薩斜塔本身還真不需要遊客們的多餘關心
如果要評選世界上最堅挺的建築
比薩斜塔必須榜上有名
其塔雖斜但卻穩如狗
正是它千百年來最吸引人的地方
比薩斜塔坐落於一個地震多發的地區
搖搖欲墜了800年
但它就是屹立不倒！
自1280年以來
比薩斜塔就至少經受住了4次大地震的打擊
其中一次震級還達到了里氏6.0級
然而近期義大利比薩斜塔的監測小組專家對外表示
比薩斜塔竟然正在緩慢地變直！
在過去 20 年裡逐漸糾正了 4 釐米的傾斜
並且整體結構依然很健康!
最近一項研究認為，比薩斜塔之所以能夠抵禦強震的能力源於鬆軟土壤的保護作用。這種效應的術語為「動態土壤結構相互作用」（DSSI，dynamic soil-structure interaction）。
簡單來說，就是比薩斜塔的高度和剛度與地基土壤的柔軟度相結合，造成了該結構的震動特性被大幅修正。
當地震來襲時，塔身並不會隨著地震而產生強烈的共振，其震動幅度會比地面小得多。
比薩斜塔由來
▼
用暴發戶來形容一千年前的義大利比薩都不為過
在1063年洗劫了西西里島之後
比薩人就開始了奢華之風
準備打造一座「奇蹟廣場」
奇蹟廣場
而比薩塔則始建於1173年
預想的作用是鍾塔
服務於當時最宏偉的比薩大教堂
光建成這座高塔
就花了幾代工程師近兩百年的時間
但更奇葩的還是
世人竟還花了600年試圖將其「扶正」
人人都擔心這座危樓會隨時倒下
比薩塔建造過程
▼
以前很長一段時間
人們都認為這座塔樓是被故意設計成傾斜的
但事實上
它的傾斜完全源於一場世紀工程失誤
回顧其歷史
就是一部最波瀾壯闊的糾偏史
真·200年爛尾，600年危樓
1173年建塔之初的設計也是筆直向上的
原設計為8層，高54.8米
它獨特的白色閃光的中世紀風格建築物
即使後來沒有傾斜
也將會是歐洲最值得注意的鐘樓之一
開始時，塔高設計為100米左右
但動工五年後
塔身從三層開始傾斜
偏離了正確的軌道約0.25度。
不過，這似乎已是比薩人能夠料想到的後果了
他們對此也不會過分擔心。
因為在一千多年前
全世界都沒人關心地基失穩的問題
（波特蘭水泥是在1820年發明的）
人們搞建築時都是見招拆招
歪了再調整
再說，比薩斜塔也並非比薩城內
唯一一座傾斜的建築了
比薩有1萬多個塔是歪的
這源於比薩城糟糕的地理位置
屬於河道淤積平原
土層鬆軟且地基極度不均勻
一條河流貫穿城市
例如，「比薩」這座小城的名字
就來源於希臘語中的「沼澤地」
而且比薩塔又是沉重的大理石打造的
一側的地面根本無法支持這個重量
比薩城的舊地圖
這裏需要提及一個冷知識
最初的比薩斜塔是向北傾斜的
而不是如今的向南傾斜
現代分析認為
正是塔基南部存在較厚的粘質粉土導致傾斜發生
所以在現代工程師眼裡
比薩塔不發生傾斜才能算真的「奇蹟」
在第四層完工後
工程就暫時停工了，原因未知
時隔一個世紀
我們連這座塔最初的設計師是誰都還搞不清楚
*註：一個說法是設計師沒辦法糾正這種傾斜而不得不喊停，另一個說法則是比薩與翡冷翠之間的戰爭而中斷。
這次停工足足持續了一個多世紀
直到1272年
意大利人才鼓起勇氣決定重拾這座爛尾塔
那時塔身已經向北傾斜了大約18釐米
為了補償已經發生的中心偏離
工程師還特意使其向反方向傾斜例如在南面加高石料
調整承重柱的胖瘦以及改變牆體的厚薄等
然而，這並未能改變其傾斜
到1278年建至第7層時
塔身不再呈直線 而是為凹形
工程再次暫停
而且經過此次修補
塔身更是歪歪扭扭
所以這裏還需提到一個冷知識：比薩斜塔不止是斜的，它還像香蕉一樣是彎的。見此狀，工程師們自然不敢逞強，剩下最後一層樓沒蓋上就又被迫停工了。
時光飛逝，又跨過了一個世紀
直到1372年
第八層的鐘室才終於正式完工
而且這第8層還有意建成向北
只是這點小小功夫並未能力挽狂瀾
整個塔身的傾斜反而再次加劇
完工後
54米高的8層鍾樓共有7口鐘，
但是由於鍾樓時刻都有倒塌的危險而沒有撞響過
而且一直不斷地向下傾斜
塔頂中心點已偏離塔體中心線整整2.1米
不過經歷這麼多次的打打停停
也算是因禍得福了
有科學家推測
正是停工了百年
才保全了傾斜的塔身能屹立不倒
在重壓下
塔底的泥土層變形強化
使其負荷強度有所增加
若非工程被叫停
塔底鬆軟的土壤也許會無法承受整座塔的重量而倒下
歷時近兩個世紀
一場馬拉鬆式的建塔工作終告結束
比薩塔扶正
比薩斜塔的竣工
並未給比薩人帶來歡顏
在地心引力的作用下
它的傾斜度每年仍在逐漸變大
大家都在擔心它有一天會倒下
於是斜塔的長達600年的「扶正」史
正式開始
更雪上加霜的是
比薩斜塔還有不斷下沉的趨
到19世紀
它已經下沉了25釐米
最底下一層已深深地埋入了鬆軟的土壤中
那該怎麼辦呢？
總不能將它拔出來吧
於是工程師就打算換個思路
把地基周圍的泥土挖出來
那麼，比薩塔的底部就能重見天日了
然而才開挖沒多久
大量積水就開始湧出
彼時誰也沒想到這塔基能復雜至此
除了鬆軟外，地下水位就在地面以下一米
這次挖掘工程使比薩斜塔元氣大傷
塔身一下子又傾斜整整2.5釐米
不過這還沒完
一個世紀後的1933年發生了同樣的悲劇
而始作俑者正是義大利獨裁者墨索里尼
「象徵著義大利昔日輝煌的建築，怎麼能是一座斜塔呢？」
於是墨索里尼便命人用灌漿的方式
試圖強化地基，讓其不再傾倒
當80噸水泥被一點點的灌入塔基時
地下水再次湧出
這次失誤
更直接導致塔身再次傾斜了9釐米
還未來得及作修正措施
二戰就爆發了
不過二戰中
比薩塔卻是幸運的
當時義大利所有鍾塔基本上都被盟軍碾平壓碎了
原因是這些高塔更容易成為德軍的據點
但，惟獨最亮眼的比薩斜塔能倖免於難
二戰過後，那位奉命摧毀比薩斜塔的美國士兵里昂·威克斯坦（Leon Weckstein ）回憶道：這是一座多麼美麗的白色建築，我當時就動了惻隱之心。
里昂·威克斯坦在義大利戰場
然而躲得過二戰的炮火連天
比薩塔卻無法經得起歲月的摧殘
就算沒有那些豬隊友
它的傾斜趨勢仍逐年加大
但比薩斜塔就是命不該絕
到1987年它就收錄到世界遺產名錄中
這座古老且怪異的斜塔
一下子成了全世界的焦點
那時，比薩斜塔的傾斜角已達5.5度
就是在電腦上模擬這一傾角時
塔身也根本站不住腳
還未倒下真是不可思議
有工程師預測
按照這個傾斜趨勢
這座塔估計見不到21世紀的陽光了
全世界人民的心都被吊到了嗓子眼
於是，1990年拯救比薩斜塔國際委員會正式成立
現代的扶正計劃開啟
他們馬上收到了近千份的糾偏方案
全世界的專家都紛紛為拯救斜塔獻計獻策
但這依然沒找到最有效的方案
只能採取一些臨時的措施
例如用鋼絲捆住塔身
這既能提高塔本身的剛度
緩解塔內部開裂
又能暫緩塔體的傾斜
這項預應力環箍的加固工程在1991年底施工完畢
也算是解決了斜塔的燃眉之急
當然，這也是權宜之計罷了
斜塔急需更周全的保護
於是從1993年開始
六百多噸鉛塊就被陸續堆積到了斜塔的北側
（塔身傾斜斜方向的另一側）
這樣便會形成一個強大的後綴力
牢牢地抓住快要倒下的塔身
這個也稱為「堆載促沉法」
僅僅一年零四個月的時間
塔體的傾斜居然停止了
甚至首次向反方向回傾了
令義大利人憤怒的醜陋鉛塊
但問題是
這些鉛塊堆在塔身旁實在太難看了
作為義大利的命根子
比薩斜塔每年都會迎來無數遊客
總不能「以醜示人」吧
而且原計劃是要將這些鉛塊撤掉的
但工程師們還擔心起了另一個問題
要知道重壓下土壤會發生蠕變
其彈性和強度都會變強
若是回彈強度過大
在鉛塊撤出後
比薩斜塔可能隨時會倒下
鑒於這兩難的處境
團隊則推出了一個折中的新方案
用10根錨桿連接北側基礎深入地下
代替原來鉛塊的壓重
然後，一場災難就發生了
1995年9月
堪稱比薩斜塔歷史上的「黑色九月」
前文已經提到過
比薩地區過高的地下水位是個大麻煩
想將長錨桿埋下
就必須控制住地下水
吸取過往的經驗，
施工團隊以為想出了一條妙招：
用液氮將斜塔的整個地基冷凍起來
但是他們沒有考慮到的是
水結冰後體積會膨脹
於是，地基便發生了可怕的拱起
現在塔體與土體之間隔著一層冰
整個比薩斜塔就像懸空著一樣
而冷凍一結束
這些冰馬上就會融化成縫隙
斜塔迅速下沉
這也導致了傾斜角度急劇增大
塔身的內部開始裂開
好心辦了壞事
在場的所有人都懵了
這幾天的傾斜程度為5.5釐米
都比得上過去一年的份了
那時，工程師們只好迅速抽調了300噸鉛石
壓在了北側
加上原來的600噸負重
整整900噸巨石
才終於將塔的傾斜緩了下來
經歷了此次風波
全世界都震怒了
工程被停止
斜塔也暫時關閉不對外開放
遊客再也無法近距離觀察比薩斜塔了
不過戲劇性的事情
就發生在這最讓人絕望的時刻了
一個義大利九歲小孩的繪畫
竟成了整個拯救斜塔計劃的藍圖
看著這幅畫
斜塔項目的工程師John Burland 教授
就想到了那個永久扶正的方案——
把斜塔北側的土掏掉一部分
這樣北面的土壤就會下沉
讓塔身自動回正
說來有趣
這個方法在早1962年就曾有提出
但因為看上起「過於沒有技術含量」而被否決
然而就是如此沒技術含量的方案
卻產生了奇效
John Burland 教授
2000年2月
41條抽土管深深地埋入塔基
與此同時，幾根鋼索環繞捆住斜塔二層
向北拉住塔身以防倒塌
斜鑽孔掏土方式示意圖
到2001年，斜塔就被扶正了近40釐米
傾斜度已恢復到130年前的模樣
隨後，比薩斜塔也重新開業
再次向遊人開放
因歷史的侷限
比薩斜塔沒有一個很好的出身
從地基選擇到設計都是史上一大烏龍
但又由於時代的進步
拯救斜塔的難題也大獲全勝
只要不出現不可抗的自然因素
經過修復的斜塔預計可以再繼續屹立不倒300年
如果有機會親自到它跟前探望
希望大家都能溫柔地對待這座千錘百鍊的斜塔吧
*參考資料
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.不倒的比薩斜塔：「傾斜」與「扶正」的賽跑.國家人文歷史.2013
史佩棟，張美珍.拯救比薩斜塔——軍舉世矚目的糾偏工程.岩土工程界.2000.11
Zim.Leaning Tower of Pisa & WWII.2013.06.28
紀錄片《拯救比薩斜塔》
不土不木.John Burland與比薩斜塔
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