原创 环球科学 2023-03-26 09:00 发表于北京
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。
撰文 | 二七
审校 | clefable
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）人民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，倾斜的角度还变大了。
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角度，据估算，每年比萨斜塔的倾角平均会增加5角秒（1度=3600角秒）。物理学家曾根据塔身的重量和高度做过计算，认为当塔的倾角超过5.44度时就会倒塌。
一把达摩克里斯之剑悬在所有人心头。1990年，比萨斜塔的倾角达到了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世纪的帕维亚市民塔倒塌，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，塔身的倾角减少了52角秒——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长久之计。为了取代铅块，委员会决定布置10根锚杆，扎入地下40多米。但想要埋下长锚杆，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角秒的速度加速向南倾斜，一天增加的倾角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。
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，比萨斜塔的倾角已经略低于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。”
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：所有东西都不对劲，但总能莫名其妙地支棱下去。
参考链接：
https://www.pbs.org/wgbh/nova/pisa/interventions.html
https://www.geological-digressions.com/the-leaning-tower-of-pisa/
https://www.geoengineer.org/education/web-class-projects/ce-179-geosystems-engineering-design/assignments/the-tilt-of-the-tower-of-pisa-why-and-how
https://www.nature.com/articles/news000914-2
https://www.ndtv.com/feature/leaning-tower-of-pisa-stands-a-little-upright-now-loses-a-tiny-bit-of-its-landmark-tilt-report-3631053
https://www.scientificamerican.com/article/leaning-tower-of-pisa-corrects-itself-a-little/