⽐萨斜塔都在直回来,这个世界还有什么是可以相信的

作者: ⼆七

来源: 环球科学

发布日期: 2023-04-26 07:05:48

⽐萨斜塔的建造和维护历史充满波折,经历了多次维修和地质挑战,最终通过科学方法逐渐恢复直立。

右侧的塔看起来⽐左侧的更斜,不过两张图中的斜塔其实完全⼀样。这被称为“斜塔错觉”(图⽚来源:Adriana Olmos/ F. Kingdom et al., 2007)。在中⽂报道⾥,经常⽤这样⼀句话描述⽐萨斜塔“200年烂尾,600年危楼”。这句话完美地概括了⽐萨斜塔的建造和维护历史。

故事还要从⽐萨斜塔刚开始建造时说起,当然,那时它还不叫“⽐萨斜塔”,作为同样洁⽩美丽的⽐萨城⼤教堂的独⽴式钟楼,本应该静静竖⽴在⽐萨城北⾯的奇迹⼴场。1173年,钟楼正式开⼯,但随着钟楼逐渐修建起来,⼈们发现,塔身似乎是歪的。不过,当时的⽐萨(位于意⼤利的中部)⼈⺠似乎没有把这当成多么重要的事情。

可能是他们“习惯了”——据说当时⽐萨有⼏座钟楼在建造初期都或多或少地歪斜过,不过在建造完成后,⼤多钟楼还是能⾃然保持直⽴了。

这与当时的建造技术有关,那时还没有地基勘探的概念,然⽽⽐萨的地质状况对建筑来说堪称困难模式。

⽐萨建在沿海平原(coastal plain)上,⼀条名为Arno河穿过城市,北⾯还邻着Auser河,在过去的⼏千年⾥,每次河⽔泛滥,都会在这⾥留下松散的河漫滩沉积物,⼤多是很细的沙粒或是黏⼟。这些细砂和黏⼟⼀层层铺在平原上,⽐萨就建⽴在这些沉积物上⾯。这样的⼟层本就过于⽆法提供⾜够的强度。

更麻烦的是,⽐萨地区的地下⽔位⾮常⾼,尤其在建造⽐萨钟楼的位置,地下⽔位仅低于地⾯⼀⽶多,使得⼟层更加不稳定。在这样的情况下,可以说只要没有倒塌的塔,就是好塔。

开⼯5年后,⽐萨斜塔已经建到了第三层(最底层为“第零层”,因此第三层实际为第四层)时,塔已经很明显地向北歪斜了。此时,⽐萨斜塔迎来了⾃⼰命运的第⼀个转机:⽐萨斜塔暂时停⽌了修建。

⼀百年后,钟楼再次开⼯,此时的⽐萨斜塔只是向北倾斜⼤约0.2度,塔的最⾼处偏离中⼼点18厘⽶。好运的是,虽然看起来耽误了⼀百年,但这或许恰好让⽐萨斜塔存活了下来。这⼀百年的时间⾥,⽐萨斜塔⾃身的重⼒让下层的⼟壤更加紧实,⽽现代的分析表明,如果在下层⼟壤稳固前施⼯,塔肯定会倒塌。

显然,建筑师也不愿意放任钟楼永远歪斜下去,决定“边建边修”。

就像摞积⽊时⼀样,如果摞起来的积⽊歪了,我们常常把接下来的积⽊放得往另⼀个⽅向偏⼀些,试图平衡之前的偏差。当时的建筑师也做了类似的尝试,为了补偿,他们将接下来每⼀层的北侧都建得⽐南侧更⾼⼀些,还调整了承重柱的粗细,以及墙体的薄厚。最终,⽐萨钟楼的确不再向北倾斜了,⽽是改为了向南倾斜,倾斜的⻆度还变⼤了。这引出了⼀个冷知识——⽐萨斜塔其实不是直的,⽽是类似“⾹蕉型”,是弯的。

(M.B. Jamiolkowski. “The leaning tower of Pisa: End of an Odyssey”)

当⽐萨斜塔封顶时,建筑团队还特地将钟楼最顶层的⼀层建成了和地⾯平⾏的样⼦,“许愿”钟楼能够慢慢恢复直⽴。然⽽当1370年,⽐萨斜塔终于断断续续地修建完成,向南倾斜的趋势已经⾮常明显了。完⼯时,这座⾼近60⽶的⽩塔的塔顶,已经偏离中⼼2.1⽶,⽽且还在持续倾斜。

达摩克⾥斯之剑⽐萨斜塔经历200终于建成,这份洁⽩的美丽与倾⽽不倒的神奇样貌引来了如织的访客。不过政府依然担⼼,⽐萨斜塔会不会越来越斜、最终倒下。于是,⽐萨斜塔迎来了它为期600年的维护之旅。遗憾的是,⼤部分努⼒甚⾄使得倾斜更加严重,区别只在于是故意的还是不⼩⼼。

例如,1838年,建筑师亚历⼭德·德拉盖拉尔代斯卡(Alessandro della Gherardesca)决定在塔身南侧开挖⼀条步道,让沉下去的柱⼦底座和台阶露出来。然⽽这⼀步道导致南侧地下⽔位升⾼,倾斜度增加了0.25度,塔顶⼜多偏了20厘⽶。1934年,墨索⾥尼觉得⼀座斜塔丢了意⼤利的脸⾯,于是采取了更加简单粗暴的⼿段:在塔底周围打了361个洞,注⼊了共计80吨⽔泥浆。

这原本是为了强化塔基的结构,然⽽⽔泥灌注结束后,塔身倾斜得更严重了。

除了诸如此类的“维修”⼯作影响之外,塔体本身还⼀直在⾃然增加倾斜的⻆度,据估算,每年⽐萨斜塔的倾⻆平均会增加5⻆秒(1度=3600⻆秒)。物理学家曾根据塔身的重量和⾼度做过计算,认为当塔的倾⻆超过5.44度时就会倒塌。

在很⻓⼀段时间⾥,由于担⼼影响钟楼整体的稳定性,禁⽌敲响⽐萨斜塔塔顶的钟(图⽚来源:Lonewolf1976)。⼀把达摩克⾥斯之剑悬在所有⼈⼼头。1990年,⽐萨斜塔的倾⻆达到了5.5度,从计算结果来看,这座塔已经是⼀座名副其实的“危楼”了。同时,另⼀个预兆般的事故也让政府陷⼊了恐慌:1989年,建于12世纪的帕维亚市⺠塔倒塌,这座塔的砌体与⽐萨斜塔相似。

综合考虑之下,政府最终决定停⽌向公众开放⽐萨斜塔,⽽拯救塔楼的任务落在了专项委员会身上。

委员会的⽅案包括两部分:临时稳定措施和最终稳定措施。作为临时稳定措施,施⼯团队给⽐萨斜塔的⼀⼆层加了⼀圈钢筋的“束腰”,并在底层铺设了⼀圈混凝⼟环,来稳定⽐萨斜塔的内部结构。之后,他们在塔的北侧堆了600吨铅块作为配重,想靠这份重量,把塔“压”下去。这次的效果令⼈惊喜,1994年7⽉,塔身的倾⻆减少了52⻆秒——这还是⽐萨斜塔第⼀次“直”回来了⼀些。

但让美丽的⽩塔被铅块包围毕竟不是⻓久之计。

为了取代铅块,委员会决定布置10根锚杆,扎⼊地下40多⽶。但想要埋下⻓锚杆,就必须控制住地下⽔。为此,委员会有了⼀个“绝妙”的点⼦:⽤液氮冻结住地下⽔,为安装锚杆做准备。然⽽他们忽略了⼀个重要的问题:⽔结冰后体积会变化。当地下⽔解冻后,塔身开始以每天3~4⻆秒的速度加速向南倾斜,⼀天增加的倾⻆直接接近了此前⼀年的量。这吓坏了所有⼈,计划⽴刻停⽌。

这⼀天还被称为⽐萨斜塔的“⿊⾊九⽉”,为了停⽌倾斜的趋势,铅块不仅没减少,还增加到了900吨。

1998年加了铅块的⽐萨斜塔,的确有点丑(图⽚来源:Rolf Gebhardt)。命运般的转变,就像所有故事情节⼀样,经历了如此多的波折,⽐萨斜塔终于迎来了它“命运般的时刻”。这次,委员会请来了英国帝国理⼯⼤学名誉教授约翰·伯兰(John Burland)。伯兰没有选择施加外⼒,将塔“掰”回来,⽽是决定从塔的北部挖掉⼀些⼟,期待能依靠塔⾃身的重⼒,让塔⾃⼰直回来。

从1998开始,⼯程团队⼩⼼翼翼地在⽐萨斜塔北部地⾯尝试打了⼏个钻孔进⾏实验。1999年,在布设了⼀百多个传感器检测塔身的变化后,团队⼩⼼地开始了⼯作。为了尽可能减缓对塔的⼲扰,团队每天只会移除⼏⼗千克的⼟壤。伯兰的⼯程示意图(图⽚来源:John B. Burland,2002)。这⼀招的确很出乎意料,同时也出乎意料地好⽤。

到2001年完⼯时,北侧共计移除了77吨⼟壤,⽽斜塔也扶正了近40厘⽶,整体恢复到了1838年的⽔平。

借助这次施⼯,伯兰发现了塔持续倾斜的原因。他发现,地下⽔位会随季节上下明显波动。每年⾬季,北侧的⽔位都会升⾼,使得塔身向南倾斜。为了解决这⼀问题,伯兰在斜塔北侧引⼊了⼀套全新的排⽔系统,隔绝了地下⽔的影响。终于,⽐萨斜塔不再烂尾,也不再是那座危楼了。到今天,⽐萨斜塔的倾⻆已经略低于4度,从2001年以来,塔身已经直⽴了约4.8厘⽶。

去年12⽉,委员会的岩⼟⼯程师团队刚刚重新评估了⽐萨斜塔的状况,他们对⽐萨斜塔的现状⼗分满意:“考虑到这是⼀名850岁的患者,倾斜约5⽶,下沉量超过3⽶,⽐萨斜塔的健康状况⾮常好。”⼈们依然能和斜塔拍这样的经典游客照,⽽且很可能还能拍很久(图⽚来源:Rp2006)。

就这样,经历了⼤⼤⼩⼩许多次战争,和⾄少四次强烈地震后,⽐萨斜塔依然斜⽴在奇迹⼴场。令⼈唏嘘的是,曾导致⽐萨斜塔歪斜的软弱⼟层,或许从地震中保护了⽐萨斜塔。2019年的⼀项研究⾸次评估了⽐萨斜塔卓越的抗震性能。按理说,中等震级的地震就⾜以摧毁这样⼀座“脆弱”的斜塔。但塔的⾼度、刚度与地基的软⼟相结合,共同组成了⼀种“⼟壤-建筑结构”动态相互作⽤(DSSI),当地震发⽣时,塔身不⾄于与地⾯发⽣共振。

在此之后,就像当初缓慢倾斜的过程⼀样,⽐萨斜塔正在缓慢地“直”回来。只不过这个速度⾮常慢,即使这种趋势能⼀直持续下去,完全直回来也还得等上上千年。伯兰⾃⼰也对这个结果⾮常满意,毕竟“这个项⽬有两种结果是我们绝对⽆法接受的,其中⼀个是塔完全直了回来”。

你的⼈⽣:⼤多数努⼒都只是在让事情变得更糟,直到那个命运般的选择到来。同样是你的⼈⽣:所有东⻄都不对劲,但总能莫名其妙地⽀棱下去。

UUID: 8292181d-f8d9-4f24-86cb-f377b50a0908

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/科学大院公众号-pdf2txt/2023年/科学大院_2023-04-26「转」_比萨斜塔都在直回来,这个世界还有什么是可以相信的.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0117 元