斜而不倒！和縣文昌塔有何秘密？

撰文/劉晨（合肥工業大學）

在義大利托斯卡納省比薩城北面的奇蹟廣場上，有一座非常有名的斜塔，因為它是義大利比薩大講堂的鐘樓，所以後人稱之為「比薩斜塔」。其實，在安徽省馬鞍山市和縣境內也有一座斜塔，名叫「文昌塔」。它與比薩斜塔類似，也是斜而未倒。

文昌塔的前世今生

矗立於和縣橫江河和得勝河之間的文昌塔為磚木結構，外形呈六方形，塔高30米，共7級。塔體以青磚砌築而成，而塔內7級台階則以木板鋪墊而成。

關於此塔的來歷，據和縣《文昌塔記》記載，當時的古代人信風水，認為和縣風水不好，從而導致文風不振、士不登朝，希望建成此塔後，能振興和縣的文風，使其昌盛。據記載，此塔建成時並未傾斜，但不知是何緣故，也不知是從什麼時候開始，文昌塔開始由南向北傾斜，傾角頗大，導致了現在的模樣。

安徽和縣文昌塔

近四百年來，文昌塔歷經風雨，飽受戰火的洗禮。日本侵略中國時，日軍曾在和縣金河口水面炮擊文昌塔，但因塔身堅固，即使被炮擊中也未倒塌。直到現在，在文昌塔的一側，還留有一炮彈窟窿。1985年，當地曾有一頑童在此處玩火，結果導致塔內木結構著火，後經消防隊員撲救，才得以倖存。

實際上，在世界範圍內，同樣也出現了許多斜塔。除了上文中提到的這些，還有如博洛尼亞雙塔（兩座塔）、巴特弗蘭肯豪森鎮教堂鐘樓、德國雅特塔、納維亞斯基斜塔、大本鐘等。當然，除了和縣的文昌塔，在中國其他地方也出現了一些類似的斜而未倒的塔。比較著名的有南京市江寧區的定林寺塔（又叫「方山斜塔」），蘇州市的虎丘斜塔，以及山西省應縣城內的應縣木塔，其他還有近十個。定林寺塔至今仍堪稱「世界第一斜塔」；虎丘斜塔修建時代久遠，它比比薩斜塔還早200多年；而應縣木塔與巴埃菲爾鐵塔、比薩斜塔並稱為「世界三大奇塔」。

虎丘斜塔

應縣木塔

塔為何會發生傾斜？

塔傾斜的主要原因是由於斜塔所處的地理和地質結構造成的。一般斜塔下都有好幾層不同材質的土層，各種軟質粉土的沉澱物和非常軟的黏土相間形成，從而產生地基不均勻、土層鬆軟的現象。由於黏土和砂組成的地基難以平衡地承受重達數噸的塔身，導致地面沉降，引起地面下沉累積效應，於是塔開始向土質軟的方向傾斜。文昌塔坐落在縣城小南門外的橫江河南岸，建造的地點位於沉積泥沙和礫石地層的地方，從而產生塔身向東北傾斜的現象。

可以這樣講，世界上所有的斜塔在建成初期大都是直立的，後來由於地質原因下陷而造成傾斜。

斜塔斜而未倒之謎

根據現有的科學知識，我們可以從斜塔的結構和建築材料兩個方面來簡單分析一下原因。

眾所周知，一個物體結構的穩定性來自三個方面：重心的位置、支撐面的大小和結構的形狀。根據物理知識：「從重心引出的重垂線如果通過支點或在物體底部的支承面內，物體就不會倒下。」把斜塔設想成是一個長方體，把塔底看作是平衡點，把重心看作是力的作用點。當長方體（斜塔）傾斜的角度較小時，重垂線仍然在物體底部的支承面內，長方體（斜塔）不會倒；當長方體（斜塔）傾斜到重垂線與斜線重合，即「重垂線通過支點」時，長方體（斜塔）也不會倒下；而當長方體（斜塔）傾斜的角度大到重垂線過了支點時，這時長方體（斜塔）就會轟然倒下。

實際上，這裡涉及兩個方面的知識：一是槓桿原理，一是平衡原理。由於傾斜的角度很小，所以作用點到平衡點的力矩很小，還沒有破壞到塔的平衡，所以斜塔是不倒的。在日常生活中，我們也可以看到類似的情況。比如一摞書，當我們將它整齊放置時，它穩如泰山；而當我們將每本書都往一邊慢慢往外放置時，剛開始不會出現倒塌，而當到了一定傾斜程度時，一摞書就會頃刻倒下。

長方體傾斜角度較小時

長方體傾斜到重垂線與斜線重合時

長方體傾斜的角度大到重垂線過了支點時

從科學的角度講，一個物體的結構強度由三個因素決定：結構的形狀、使用的材料和連接方式。上文說過和縣斜塔為磚木結構，每層外部以磚砌而成。國內其他的斜塔也都有相似的情況。這表明，斜塔斜而未倒的原因可能是因為石磚與石磚之間的黏合極為巧妙，從而有效地防止了塔身傾斜引起的斷裂。

古代先民們建塔時所使用的壘砌搭配技術是相當成熟和優良的。從塔的磚牆體裸露部分看，條磚規格基本一致，砌築搭配合理，這使得塔保持著相當高的整體強度和優良結構。這種成熟的砌築法將塔的上下、內外塔壁連接成一個整體，形成類似內外兩個塔體套合在一起的結構，即套筒結構，其形體相當於內塔連結著一個外塔。這種建築和連接方式有效地增強了塔身的結構強度，一定程度上阻止了塔身傾斜可能引起的倒塌。

另外，塔斜而未倒應該和塔使用的建築材料也有很大的關係。古代建造石塔時，用米燒成很黏稠的粥，打成漿後以一定比例和石灰、沙子拌在一起來黏合磚塊，這種古代黏接材料很堅固，使得黏合的強度甚至超過現代的水泥砂漿，其韌性接近於現代的鋼筋混凝土。用這種優良的黏合劑，同時利用精湛的古代砌磚技藝，使整座塔渾然一體，再加上這種黏合劑隨著建築時間的推移，會越來越堅固，因此成為斜塔不倒的一個主要原因。

本文轉載自：地震三點通

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