凭水衣山|成也萧何，败也萧何，让比萨斜塔倾斜的土壤，也让它屹立不倒
说起比萨斜塔 ， 我第一个想起来便是伽利略的经典自由落体物理实验 。 但事实上 ， 并没有确凿的证据证明伽利略真的在这里做过实验 ， 我们也就当过往的故事看看罢了 ， 今天我们的重点也不在这里 。
不过我相信 ， 最让大家关心的还是比萨斜塔为什么会倾斜？又为什么经过几次地震之后还依旧屹立在这里 ， 并成为闻名世界的建筑？
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据说比萨斜塔建造的灵感来自于信仰 ， 意大利的基督徒看到伊斯兰教徒每次祈祷之前 ， 清真寺的阿訇便会在塔尖上大声呼唤 ， 声音空谷回荡 ， 十分振奋人心 。 基督徒看到之后便为之动容 ， 之后便效仿塔尖设计了比萨斜塔 ， 当然一开始并未料想到这座钟塔居然会倾斜 ， 唯一不同的是以钟声代替人喊 。
一、建造过程
比萨斜塔始建于1173年8月 ， 是意大利比萨城大教堂的独立式钟楼 ， 坐标是意大利托斯卡纳省比萨城北面的奇迹广场 。 比萨斜塔是由著名设计师那诺·皮萨诺操刀的 ， 当然一开始的设计是垂直建筑 ， 原计划为8层 ， 54.8米 。
但是在建造的第二年 ， 也就是1174年 ， 比萨斜塔已经偏离了原本的垂直线 ， 但是偏离不严重 ， 所以当局没有对这个项目叫停 。 直到1178年 ， 比萨斜塔已经建造到第4层 ， 开始建立五年时间 ， 但是由于地基的土壤松软 ， 此时塔尖已经向北偏离四分之一度 ， 工程由此被叫停 。
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当时社会上认为比萨斜塔倾斜的原因主要是两种：
一是设计者有意为之 。
二是无法预料的地面下沉造成了倾斜 。
但是由于技术受限 ， 人们对地质的研究也不够深入 ， 所以这两种原因在专家界一直被研究 。
后随着科技的进步 ， 直到20世纪 ， 科学家们才通过精确的鉴定 ， 比萨斜塔之所以会倾斜 ， 主要是因为地基下的土壤材质比较特殊 。 比萨斜塔建造的位置是古代的海岸线上 ， 由于历史的原因 ， 被海水冲刷过的地方 ， 水分充足 ， 土壤中也包含了好几层不同材质的土壤 ， 各种软质尘土的沉淀物和非常软的粘土相间而成 ， 而在深约一米的地方则是地下水 。
所以土壤的硬度不够 ， 造成了地基的不稳 ， 不能让比萨斜塔垂直伫立在世界上 。 不过这些鉴定都是后话了 ， 毕竟在当时 ， 技术条件还达不到 ， 所以当局就只能下令停工了 。
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比萨斜塔最初的设计是钟塔 ， 但是由于地基的不稳定 ， 导致了倾斜 ， 并未装上挂钟 ， 所以他作为钟楼的意义也并未体现出来 。 在这段停工时期 ， 1198年 ， 政府终于为这座斜塔装上撞钟 。
但在第四层尚未开始之前 ， 意大利爆发了宗教战争 ， 时局动荡 ， 比萨斜塔的修建也孑然搁置了 。 直到1231年 ， 政府变动 ， 国家逐渐安定下来 ， 于是政府投入人力、物力重新开始建造比萨斜塔 。 建造者使用提出了多种方法来修正已经倾斜的塔 ， 其中包括故意将塔的上层与倾斜的方向相反的建筑 。
直到1278年 ， 比萨斜塔已经到第7层 ， 但是由于这种建筑方式 ， 那时的比萨斜塔呈凹形 。 不巧 ， 那时意大利再次爆发政治运动 ， 当局再次叫停比萨斜塔的修建 。 到1292年 ， 设计师披萨诺测量了比萨斜塔的倾斜 ， 原本是向北倾斜的塔 ， 在经过又一次修正之后 ， 反而向南倾斜0.6° 。
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据考证 ， 从设计开始的100多年间 ， 比萨斜塔的倾斜角度变化是非常缓慢的 ， 塔与地基形成了一种微妙的平衡 ， 让比萨斜塔在这么多年间依旧保持着不大的倾斜 。 1360年时 ， 政府决定再次动工修建钟楼顶层 ， 这个已经停工近一个世纪的比萨斜塔再次活了起来 。 这是政府对比萨斜塔的最后一次修建 ， 这次修正也非常重要 ， 在修正之后 ， 经测量倾斜角度增加到1.6° 。
【凭水衣山|成也萧何，败也萧何，让比萨斜塔倾斜的土壤，也让它屹立不倒】1817年 ， 倾斜角度为5°；1550年 ， 再次测量的倾斜仅仅增加了五厘米 ， 那时距离1817年已经过去了267年 。 由于塔的倾斜角度变化非常缓慢 ， 所以人们并没有对比萨斜塔进行特意的修正 。
比萨斜塔全部采用大理石建造 ， 十分坚固 ， 对于底层土壤的压力也很大 。 但石块之间的粘合十分巧妙 ， 是比萨斜塔倾斜却不至于撕裂的一种非常重要的原因 。
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二、“扶”正过程
1838年 ， 建筑师为研究比萨斜塔的地基挖掘了底层的土壤 ， 以探究地基的成分和构造 。 就是这样一个工程 ， 打破了比萨斜塔与地基的微妙平衡 ， 这让比萨斜塔突然加速倾斜 。 在此前300年间 ， 倾斜的幅度只有不到5厘米 ， 但是这次工程却导致比萨斜塔的倾斜程度达到20厘米 ， 甚至充足的地下水开始涌入比萨斜塔 ， 腐蚀地基 ， 甚至地基开始开裂 。
自1838年的工程结束后 ， 比萨斜塔的快速倾斜程度依旧持续了几年 ， 之后又再次形成了平衡 ， 趋于平缓 ， 据测量趋于平缓时每年倾斜0.1厘米 。 1934年 ， 意大利政府为了减少地下水对它的腐蚀 ， 所以往周围浇了近90吨的水泥 ， 以作防水设施 ， 但是这个操作反而使得比萨斜塔更加不稳固 ， 倾斜程度加快 。
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但积少成多 ， 据测量 ， 比萨斜塔塔身与地基最大的偏离角度是5米多 。 而且在当时比萨斜塔已经吸引了很多的游客 ， 成为意大利的一个著名城市 ， 也因此成为比萨市的经济支柱 ， 但面临着濒临倒塌的比萨斜塔 ， 人们不得不开始着手“扶正”斜塔 。
1990年 ， 意大利政府禁止游客进入 ， 正式开始了比萨斜塔的修正 。 1992年 ， 意大利成立了拯救比萨斜塔委员会 ， 向世界征集拯救这座世界闻名建筑的方法 。 收到来自世界的各式各样的方法 ， 但是都不奏效 ， 最终拯救比萨斜塔的还是在1962年 ， 由意大利工程师Terracina已提出过的方法 ， 在当时被称为“掏土法” ， 现在被称为“地基效应解除法” 。
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这个方法很简单：
在塔倾斜的另一面 ， 把地基下的土掏出来 ， 这样原本往南倾斜的塔就会往北偏 ， 可以减少比萨斜塔的倾斜程度 。
但是 ， 在1962年 ， 由于这个方法过于简单 ， 所以一直被搁置 。 可谁能想到这居然是拯救比萨斜塔的一个重要方法 。 或许正如阿兰的书所写的 ， 最复杂的问题往往有最简单的答案 。
到1999年 ， 正式实施了这个方法 。 采用斜向钻孔的方式 ， 将北侧的土壤慢慢抽出 ， 使得北侧的地基下降 ， 倾斜程度有所好转 。 直到2001年6月 ， 比萨斜塔的倾斜程度已经回到安全范围 ， 差不多是3.9米 。
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三、保护伞
意大利处于地中海-喜马拉雅火山地震带 ， 是亚欧板块和非洲板块的交界处 。
处于板块交界处 ， 地震频发 ， 自比萨斜塔从建成之后 ， 前后经历了多次地震 。 原本地基就十分不稳定的比萨斜塔 ， 在经历过地震之后 ， 我们也都应该能猜想到会发生什么 。
但是 ， 比萨斜塔却并没有倒塌 ， 反而是在几次大地震中幸存 ， 据说 ， 比萨斜塔所经历过的震幅最大震级高达6级 。 当时 ， 在那场大地震中 ， 许多坚固的 ， 较为古老的建筑大多都倒塌了 。 民居更是数不胜数 ， 但总重14453吨的比萨斜塔却奇迹地屹立在世界上 。
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另一个记录是在1972年10月 ， 比萨城发生地震 ， 比萨斜塔居然在摇晃了22分钟之后 ， 依旧矗立着 。
那么到底是什么神秘力量让比萨斜塔经历过如此多的磨难却仍然伫立在世界上？
众多科学家也对此产生了极大的的兴趣 。 英国布里斯托大学的学者组成了一支16人的研究小组 ， 从比萨斜塔的建筑材料、土壤地质等各方面的因素 ， 来研究为何比萨斜塔能稳固地站在一片较为软的土地上 。 最终学者们认为 ， 高强度的大理石与松软的地基结合在一起 ， 产生了土壤-建筑结构的动态相互作用 。
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在发生地震的时候 ， 建筑物的共振频率会向地震频率靠齐 ， 从而引发共振效应 ， 使得建筑物的摇晃程度加大 。 但比萨斜塔的地基土壤比较松软 ， 于是在发生地震时 ， 土壤改变了共振频率 ， 使得比萨斜塔在地震中的摇晃程度降低 ， 这就是土壤-建筑结构的动态相互作用 。
让比萨斜塔倾斜的土壤 ， 在此时显然是保护它的英雄 。 于是 ， 我们才能在800年后的今天 ， 看到这座经典的历史建筑 。
总结
所谓成也萧何 ， 败也萧何 。
显然 ， 在这座闻名世界的比萨斜塔上 ， 土壤地质就是决定它的萧何 。 由于土壤松软 ， 无法承受如此大的压力 ， 而导致它偏离垂直线；又是由于土壤松软 ， 使得比萨斜塔在经历多次地震后 ， 依然伫立在这里 ， 并成为世界游客心之所向的旅游景点 。
我相信 ， 在800年后的今天 ， 比萨斜塔的存在的秘密还是值得我们去探索 。 这不仅仅是一道靓丽的风景线 ， 更是一个奇迹般的存在 。
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