比萨斜塔,谱奏倾斜史诗.docx

比萨斜塔，谱奏倾斜史诗17世纪牛顿由下落的苹果发现了万有引力定律，苹果以另一种姿态响彻天南地北；1564年意大利科学家伽俐略在一座著名的建筑上做了测量地球引力的实验，这座著名的建筑——比萨斜塔，以倾斜的姿态闻名全球。（图·比萨斜塔·意大利）从文艺复兴之都佛罗伦萨驱车西北，1小时左右便托到达比萨城。这个质朴的小城依然保留着文艺复兴以前的意式小镇风格，由于建筑上的“阴差阳错”，这座斜塔的形象流传中外，若不是因为矗立在奇迹广场上的比萨斜塔，也许今天的比萨城依然与“热闹” 词相去甚远。在建筑日益趋向高科技化的今天，当鸟巢、水立方向世人呈现若建筑的科技之姜时，保留古遗也威为与科技建筑并驾齐驱的一大课题，如何让屹立近千年而不倒的比萨斜塔继续保持倾斜之美．至今依然让建筑界为之探索。有人猜想塔的倾斜是故意的，是为了大胆的展示建筑师的技艺，然而更多人更科学地分析后认为，这是设计者知道将在硬度不够的地上造塔，于是计划允许建造的地基有一定的沉降幅度。但随着岁月的流逝，塔的倾斜幅度越来越大20世纪韧，斜塔偏离垂线4．3米，而现在B经是4．6米了，看着这个有294级台阶的倾斜建筑，人们只能为斜塔能够依旧矗立的事实而感到惊奇。塔的建造始于1137年8月，约到1178年工程停止时，已造了四层，完成了1/4；停工原因不明，但再继续建造下去，B层的土壤难以承重，塔可能会倒塌；约在1272年，建议继续建造，那时，粘土由于在塔的重压下强固（即使那时还不知道这点知识）；约在1278年，再次停止建造，建筑已造了七层（毫无疑问，如果在此阶段将塔完工，塔会倒塌）；约在1360年，铺底的粘土再次强固时，开始钟房的建造；约到1370年完成（距开始建造约200年），可谓奇特的一场“建塔持久战”。（图·比萨斜塔·意大利）更奇的，必然归根于两个字——“倾斜”，由图片可看出塔的中心线不是直的，它向北弯曲。为了纠正倾斜，曾有人在每一层用锥形的砖石块来改变塔中心线的弯曲。仔细分析砖石建筑的相对倾斜可知此塔的奇特的倾斜历史：在第一阶段结束时，塔实际上已向北倾斜约1/4°，随着第四层以上的楼层的建造，开始向南移并慢慢增加，以致到1278年，第七层造好后，向南倾斜了约0.6°，1360年开始建造钟房时，已增加到了1.6°，1817年二位英国建筑师用一铅垂线测量倾斜，已经有是5°了——钟房的建造对倾斜引起了显著的增加。先进的计算机分析显示在柔软的地毯上的模型砖上直接模拟建造塔，当到达第七层和增加钟房时，倾斜快速增加，塔的实际情况也是如此。1911年精确的测量工作正式展开，而所测出的比萨斜塔倾斜度也在连年持续增加，从20世纪30年代中期开始，倾斜的速率已经加倍，1990年，倾斜速率已相当于每年1 5厘米的水平位移，加上一些对塔的干扰也导致了倾斜的明显增加。例如，1934年用灌浆方法来加固地基，结果突然向南移动了约10mm；1970年从低处的砂石中抽地下水，结果使移动增加了约12mm。为何比萨斜塔会出现这种奇迹？业内众说纷纭，就数学角度来看，比萨斜塔的基础为圆环形，其外径为19.58 m，内直径为4.5 m。基础下约7～37 m几乎均为黏土，其渗透系数大约在 10 m/s数量级，排水性能较差。这就意味着，基础在加载后，瞬间产生的孔隙压力需要很长的时间才能消散。 有效应力q的大小不受孔隙水压力的影响，而有效应力p却对孔隙水压力很敏感，因此对于同样的外加荷载，孔隙水压力的产生以及能否及时消散直接影响着地基水各点在p-q坐标上的有效应力路径。姚仰平等人的《比萨斜塔斜而不倒的数学奥秘》一文中，在对比萨斜塔历经200年分3次修建而达到目前的倾斜状态以及Burland等所预言的一次修建将倒塌两种情况解释说明的同时，作者提出第三种猜想：采用极为缓慢的修建，塔身将可能倾斜得很小。分别从3种快慢不同修建方式所导致地基土中有效应力路径的显著差异入手，从变形加载变的加载应力路径相关性，通过曲线积无关的充分必要条件对经典Cam-clay表述的加载应力路径，从物理机制上，分析了分应力路径相关性进行检验，证实其与实际相符。以微积分学中曲线积分的路径相关性为理论基础，对土材料变形的加载次序相关性进行机制分析。从积分应力路径相关性层面解释了3种不同的地基变形，并最终揭示出当前比萨斜塔斜而不倒的数学奥秘。说到“倾斜”，人们便会自然而然地联想到“稳定”一词，比萨塔的稳定对土木工程师是一个巨大的艰难的挑战。塔建造在薄弱的高可压缩性的土层上，且倾斜年复一年不可抗拒地增加，快达到一个不稳定的倾斜状态，对南边土地有任何的扰动是非常危险的，这就排除了常规的岩土工程的处理，如加固地基和灌浆，而且砖石高度受压，有倒塌的危险；比萨塔是世界闻名的且是珍贵的，国际上公认的保护珍贵历史遗迹的惯例要求保留塔原有的特性、历史、工艺和迷惑性。因此对塔的侵入或可