John Burland與比薩斜塔

在現代岩土工程學科發展以前，很多人都想不通比薩斜塔為什麼會傾斜。多數人直觀地認為原因是當時沒有精確的控制手段，施工時沒控制好重心。

上世紀七十年代，在帝國理工學院任職的John Burland 教授接手了比薩斜塔的扶正項目的時候，給出了答案：地基是不穩定的。

在歐洲的岩土界，John Burland可謂鼎鼎大名。1967年畢業於劍橋大學並完成博士學位，師從KennethH. Roscoe教授，Burland 對於極限狀態土力學和重塑土的修正劍橋本構模型有較深的研究。在這二十多年扶正斜塔的生涯里，他早已視比薩斜塔為自己的生命。現已81歲高齡的他仍然活躍在課堂上，時不時地講述自己與斜塔的故事。

什麼叫不穩定？下圖就是地球上每一個理工科學生都在課堂上看過的示意圖。凡是出現了擾動但系統不能提供足夠回復力的狀態就是不穩定。

很多人小時候玩過一個遊戲，在木桌子上把中國象棋壘起來，最高時候能壘到三十二個。但是假如在皮椅子上壘棋子，最多不會超過十個。儘管皮椅子也是一個平面。

在桌子上壘象棋的時候，可以把它看作一個圓柱。即便有一陣風吹來，將圓柱的重心往一側傾倒，但是與此同時傾倒方向一側的底部壓強變大，變大的支撐應力能夠提供一個彎矩將圓柱複位，整個系統處於穩定性很好的狀態。但是在皮椅子上，一旦重心偏移，底部沒有足夠的反饋力，因而會加速重心偏移，最終失穩。

比薩斜塔的地基，就是我們的皮椅子。如果不採取措施，它的失穩是遲早的。

在1820年波特蘭水泥發明以前，全世界沒人關心地基失穩的問題——因為壓根就不會發生。「棍子」形狀的建築是現代建築材料發展的產物。

我國著名古建築滕王閣高度達57m，可以說是古代建築的巔峰作品，但是其建築面積達到了13000多平方米。遠遠看去，也不過是一個「矮胖子」 。滕王閣的材料也是木材為主，這樣的建築對於地基壓強當然很小，也就並沒有 「地基沉降失穩」 之類的問題需要考慮。普通百姓住的平房就更不在考慮之列了。

但是比薩斜塔是個特例。通體石材，高度53.5米，重量達到了14500噸——相當於一艘小型航母。它的底面積只有可憐的285平米——比半個籃球場略多一些，壓強達到了480千帕，基礎埋深還不到5米，又建在了軟土地基上。還有那一直為世人稱讚的圓形地基也是為其傾斜埋下了禍根。

在現代工程師眼裡，比薩塔不傾斜才能算得上是 「奇蹟」——畢竟實在找不到讓它保持穩定的理由。七十年代Burland團隊接手這個項目的時候，面對的是加速的向南傾斜，一萬多噸的重量，接近於地表的地下水位和海相沉積物這些課題。要說什麼有利條件，只能是先前義大利人做出的一些「努力」經驗了——譬如1934年臭名昭著的注水泥事件：政府一聲令下，90噸水泥被注入了斜塔的地基，最後得到的唯一結果是加速了塔的傾斜並遭到了民眾譴責。

Burland接手的第一個任務就是短期內暫緩傾斜的速度。

第一個臨時方案就是在左右加鋼支撐，猶如保護颱風前的小樹那樣，這個方案實行起來倒也容易，成本也低，但是提出不久就被政府否決了——比薩斜塔是當地每年重要的旅遊收入來源，無論是加支撐還是在後側拉鋼索這種簡單粗暴的方法都有礙觀光。要知道斜塔就是比薩人的半條命，要讓斜塔變醜簡直無法容忍。

另一個方案就是在北側挖開基礎後打樁並且連接樁和基礎。這似乎聽起來不錯，但是施工難度光想想就高得可怕——這就像你給一個80歲本來就站不穩的老頭穿鞋，可能還沒穿好老頭就訛在你身上了。

最終想出的辦法是用鋼絲箍住塔身，提高塔本身的剛度來暫緩傾斜，同時也緩解了塔內部的開裂現象——但僅僅是暫緩。

一轉眼到了九十年代初，義大利人的心都吊到了嗓子眼，1993年雨季連續的暴雨，塔的傾斜達到了歷史巔峰——塔頂偏移相比1911年多出了整整120mm，塔頂總體偏移到了五米多。這一切似乎在預示著這座塔將挺不過這個世紀了。

於是扶正計劃開始了。

Burland首先想到的是在北側——傾斜方向的另一側壓重塊。於是從1993年開始，六百多噸石塊被陸陸續續地堆積到了斜塔的北側。畢竟大力出奇蹟，僅僅過了一年零四個月，塔的傾斜居然停止了。就當Burland輕舒一口氣的時候，團隊內部就出現了分歧，其中一個核心分歧就是如果時間一長，將來有一天要是我們把這600多噸的壓重撤離（總不能一直壓下去吧），比薩斜塔是和現在一樣安然無恙呢還是「嗖」 地一下彈回去了？要知道，重壓下面的黏土隨著時間的推移發生蠕變，其彈性和強度會越來越強，要是到時候真的回彈，這是十分危險的。於是1994年中旬，團隊在深思熟慮中又推出了一個新的方案——用十根錨桿連接北側基礎深入地下，來代替原來的壓重。

顯然無論從美觀角度還是經濟角度，錨桿都要好一些。大家一致通過，並且迅速開展了施工。

然後果不其然地，災難發生了。

1995年9月在比薩斜塔的歷史上稱之為 「黑九月「，這也是Burland一生中揮之不去的陰影。

當時，工程師們計劃把40m長的錨桿深入地下。但是比薩地區過高的地下水位給施工帶來了很大的麻煩，在北側開挖基礎後，為了控制住地下水，施工團隊做了一個大膽的決定——用液氮冷凍。其實液氮冷凍技術在岩土工程中很早被發明了，但是應用不多。很快，液氮將斜塔的整個地基全部冷凍了起來，地下水的問題終於解決了！

但是萬萬沒想到，水結冰後體積會膨脹，地基發生了可怕的拱起。冷凍一結束，在塔的基礎和土體之間的冰立刻融化形成了縫隙。整座斜塔立即發生了下沉，同時傾斜度急劇增大，塔的內部也開始開裂。

Burland回憶，當時已經沒人關心如何安裝錨桿了，他自己本人也像是做夢一樣。

團隊緊急地中止了錨桿的安裝，隨後又緊急抽調三百噸的重石，壓在了塔的北側，這樣一來總壓重達到了900噸之巨，終於緩了下來。

Burland躲過一劫。

要是斜塔倒了，別的地方不敢說，但他至少成為了比薩的歷史罪人。

隨後的兩年，委員會經過兩次解散和重組。期間有不斷的討論，方案也一改再改。事實上從90年代開始，義大利政府早已公開向全球徵集方案扶正斜塔，但是幾乎沒有讓人中意的。

正當Burland一籌莫展的時候，只有在雞湯文中才會出現的片段戲劇般地出現了：一個義大利九歲小孩子的繪畫激發了他的靈感。

1998年，永久扶正的方案—— 「把斜塔北側的土給掏掉「確定了，這也是最後Burland成功的關鍵。說來也好笑，這個辦法早在1962年工程界就有人提了出來，但由於」看上去過於低端「，根本沒人把它當回事。

斜鑽孔掏土的方式產生了奇效，斜塔開始被緩慢扶正。

John Burland一生中帶過了無數本科生和研究生，現在早已退休十多年。在校園裡，任何一個普通的學生去找他答疑，他都會微笑地解答並詢問學生的名字。

也有許多土木系的學生找他要簽字。

畢竟在許多岩土人眼裡，他就是英雄。