揭秘“比薩斜塔” 百年不倒之謎

●吳聯(lián)芳 文 一博 編

比薩斜塔位于意大利托斯卡納省比薩城北面，是比薩大教堂的一座獨(dú)立式鐘樓，塔高54.45米，傾斜角度約為3.99度，始建于1173年，至今已有800多年的歷史，是意大利知名景點(diǎn)。

相傳1590年，偉大的意大利科學(xué)家伽利略曾在比薩斜塔的頂層做過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，從此，人們同時(shí)記住了伽利略和壯觀且斜而不倒的比薩斜塔。

比薩斜塔為什么會(huì)傾斜？

比薩斜塔的傾斜是建筑師為追求個(gè)性而特意設(shè)計(jì)的嗎？還是建造過(guò)程中無(wú)法預(yù)料的問(wèn)題導(dǎo)致的呢？這些問(wèn)題曾一度引起相關(guān)專(zhuān)家的熱議，到了20世紀(jì)，隨著科技的發(fā)展，對(duì)比薩斜塔的測(cè)量越來(lái)越精確、對(duì)地基土層的勘測(cè)設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)，最終這個(gè)問(wèn)題的答案才浮出水面。比薩斜塔在最初的設(shè)計(jì)中實(shí)際上是一幢垂直建筑，但是在建造初期就偏離了正確位置。

究其原因，是因?yàn)樗鼗峦翆拥奶厥庑栽斐傻摹１人_斜塔下有好幾層不同材質(zhì)的土層，各種軟質(zhì)土層的沉淀物和非常軟的粘土相間而成，在約一米深的地方則是地下水層。而地基上的鐘樓塔身又重又高，加上地基僅3米深，因此造成了塔身的不均衡下沉。比薩斜塔在建造過(guò)程中曾一度停工，直到170多年后，人們又繼續(xù)施工。為防止傾斜，設(shè)計(jì)師曾設(shè)法將塔的重心轉(zhuǎn)移，但由于塔身底部三層傾斜已成事實(shí)，所以塔在建成后形成了現(xiàn)在的特殊風(fēng)格。

“比薩斜塔”斜而不倒之謎

比薩斜塔所在地區(qū)自1280年以來(lái)發(fā)生過(guò)至少4次強(qiáng)烈地震，但它仍屹立不倒，這個(gè)謎團(tuán)一直困擾著無(wú)數(shù)專(zhuān)家。2018年，羅馬第三大學(xué)建筑學(xué)教授努提與16名英國(guó)和意大利工程學(xué)、地震學(xué)專(zhuān)家組成的研究團(tuán)隊(duì)給出了答案。

他們從地震學(xué)、地質(zhì)工藝學(xué)及比薩斜塔結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，認(rèn)為這是斜塔結(jié)構(gòu)、高度和堅(jiān)硬建筑材料以及塔下松軟土壤相互配合的結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，建筑物本身的共振頻率與地震頻率相近時(shí)，就會(huì)引發(fā)共振效應(yīng)，增加建筑物受搖晃程度。但比薩斜塔底下的泥土較為松軟，而塔的建筑結(jié)構(gòu)本身相對(duì)堅(jiān)硬，兩者配合下產(chǎn)生了“動(dòng)態(tài)土壤——結(jié)構(gòu)互動(dòng)”現(xiàn)象，改變了斜塔本身的共振頻率，使它不會(huì)在地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生共振，從而減低搖晃的劇烈程度，致使比薩斜塔能夠在經(jīng)歷數(shù)次強(qiáng)烈地震后依然安然無(wú)恙。

可以說(shuō)，比薩斜塔地基下方的土壤既是風(fēng)險(xiǎn)又是功臣，正是迫使塔傾斜的土壤幫助了斜塔在地震中幸存下來(lái)。

比薩斜塔1990年因塔身傾斜4.5米面臨倒塌，從而停止接待游客。為此當(dāng)?shù)爻闪⒘素?fù)責(zé)修復(fù)工程的監(jiān)督小組，該小組自1993至2001年，通過(guò)填埋重物、挖掘傾斜對(duì)側(cè)土壤的方式，將比薩斜塔“扶正”了約40厘米。直至2018年，比薩斜塔已經(jīng)被拉直約44厘米，目前監(jiān)測(cè)小組專(zhuān)家證實(shí)，比薩斜塔現(xiàn)處于“健康狀態(tài)”，以目前的狀態(tài)，塔變直還需要大概4000年左右。