Затянувшееся падение (или история ремонта одного долгостроя)
Тосканский город Пиза был в начале второго тысячелетия нашей эры весьма активным участником торговых и обычных войн и прочих событий, разворачивающихся на карте Средиземноморья. После морского сражения при Палермо в 1063-м году, надолго умиротворившего сарацин - основных конкурентов пизанцев, изначально маленькое, но гордое город-государство расцветало и приумножалось территориями до тринадцатого века. Затем серия дипломатических просчётов и военных поражений привела к утрате былого величия и уходу Пизы в тень от более успешных Генуи и Флоренции.
Но вернёмся к победе над турками. Это событие, существенно изменившее геополитический расклад, определённо нуждалось в увековечении для потомков. Потому на реквизированные у турок средства в 1064-м году на будущей площади Чудес (Piazza dei Miracoli) был заложен кафедральный собор, открытый в 1093-м году.
Кафедральный собор. Взгляд изнутри.
Какой же это собор - и без колокольни ( campanile)? Непорядок, решили пизанцы, и в 1173-м году бригада каменщиков (наверняка - масонов) под руководством архитектора Боннано начала возведение будущего символа Пизы. Сама конструкция башни была выбрана довольно простой: на кольцевом фундаменте возводилась этакая труба с двойными стенками из блочного камня (мрамора, между прочим). Промежуток между каменной опалубкой заливали цементным раствором, обильно пересыпаемым уже необработанным щебнем. Цемент, кстати, был не простой, а пуццолановый, с добавками кремнистого вещества. Такой раствор, схватившись, обладает повышенной устойчивостью к действию подземных вод. Так как основание башни находится менее чем в трёх метрах над уровнем моря, использование водостойкого цемента было весьма здравым решением. Для подъёма звонарей и прочих туристов внутри каменного кольца разместили спиральную лестницу.
Стена башни в разрезе. Лестница в кадр не попала.
В 1178-м году работы были остановлены. Точная причина неизвестна, но есть предположение, что заминка вышла из-за начавшихся колебаний башни, и до кучи - в связи с войной с Флоренцией. В недоделанном состоянии башня простояла около сотни лет, что, кстати, пошло ей на пользу. Но об этом - чуть позже.
Вторая серия началась позднее, в 1272-м году, под предводительством Джованни ди Симонэ. В 1278 году наступил очередной перерыв, на этот раз - на войну с Генуей. Завершала работу (1360-1370) уже третья бригада с архитектором Томассо во главе. Заметный наклон башни обнаружился по окончании первого этапа строительства, и с 1370 года непрерывно увеличивался одновременно с погружением основания башни.
Пизанская башня: краткая история строительства.
Огрехи первой бригады масонов, как могли, пытались скорректировать команды, приглашённые для строительства второй и третьей «ступеней» башни. Наклоняется - исправим! И вот кампанилу строят уже не вертикально, а с небольшим наклоном на север, придавая конструкции форму этакого… банана, например.
Изгиб башни, немного приукрашенный художником.
Длительное время пизанцы были уверены, что башню поддерживает сам Всевышний из любви к их городу вообще и памятникам архитектуры - в частности. Человеческий фактор, напротив, лишь усугублял ситуацию. Например, в 1838-м году архитектор Алессандро Делла Герардеска для очистки колонн, ушедших под землю (ну некрасиво же!), дал команду отрыть траншею (Catino) вокруг башни. В образовавшуюся яму немедленно устремились грунтовые воды, что вызвало дополнительный наклон башни на полградуса. Мелочь, но неприятно. Для борьбы с новой напастью Герардеска забетонировал основание траншеи. Получилось этакое каменное колечко толщиной 0,7 метра. Помогло оно слабо: доступ подземных вод к фундаменту продолжался. Приток воды был остановлен лишь в 1934-м году, посредством инъекций бетона в дно и стенки траншеи. Кстати, на эту провокацию башня тут же отреагировала дополнительным наклоном.
Растущий крен кампанилы и разрушение колокольни Сан-Марко в Венеции в1902-м году (без всякого наклона, просто камень устал) заставили администрацию Пизы искать вариант, альтернативный надежде на помощь высших сил, то бишь бездействию. Началось активное изучение ситуации, в том числе - геологической. Для этого раз за разом создавались всё новые комиссии, общим числом шестнадцать штук. По результату работ комиссии можно разделить на две группы - активную и наоборот. Представители второй группы ограничивалась осторожными наблюдениями и рекомендациями оставить башню в покое: их работу сооружение презрительно игнорировало. Напротив, каждое вмешательство специалистов из комиссий активного толка (бурение, закачка цементного раствора и др.) башня встречала одобряющим кивком.
В целом, по итогам работы комиссий, вырисовывалась довольно печальная картина. С геологией Пизе явно не повезло - крепкие скальные породы залегают на глубине более ста метров. А над ними - этакий «слоёный пирог» из рыхлых отложений. Башня, как и другие сооружения города, построена на достаточно плотных илах, намытых рекой Арно, их мощность - около десяти метров. Ниже залегает тридцатиметровый слой морских глин, отличающихся пластичностью и ползучестью. Ещё глубже залегают пески. Всё это как следует пропитано водой.
Трёхслойное основание башни. Слой А (сверху) - илы, слой В - преимущественно глины, слой С - пески.
Чередование ила, песка и глины - на редкость неудачная основа для серьёзных построек. И глина, и ил по свойствам близки скорее к вязкой жидкости,чем к камню: под весом здания скальный грунт немного сжимается, как пружина, и держит надёжно, а глина - растекается… Не бесконечно, разумеется (если точнее - башня продавила грунт примерно на три метра), но строителям от этого не легче. Для справки: грунт в инженерной геологии - любая порода, служащая основанием для сооружений. Естественно, архитекторы в начале второго тысячелетия нашей эры не подозревали ни об особенностях местной геологии, ни о механике пизанских грунтов. Построили? Построили. Осело немного? Вот и славно, главное - дальше не садится. Чего ещё-то надо?
Надо было как минимум не экономить на фундаменте, говорят благодарные потомки. «Из всех ошибок, происходящих на постройке, наиболее пагубны те, которые касаются фундамента, так как они влекут за собой гибель всего здания и исправляются только с величайшим трудом», - так писал архитектор позднего Возрождения Андреа Палладио в трактате «Четыре книги об архитектуре».(осторожно, тяжёлый pdf по ссылке). Кольцевой фундамент башни (каменная кладка диаметром 20 м, заглублённая изначально менее чем на 2 метра!) создаёт нагрузку в 5 килограмм на каждый квадратный сантиметр основания. Для перевода в личные ощущения можно взять пятилитровую бутылку с водой, поставить на тарелку, чтобы донышко не пружинило, и взгромоздить то, что получилось, на ладонь, лежащую на столе. Не забыв предварительно положить на ладонь кубик от какой-нибудь настольной игры. Неприятно? Вот-вот, а глине каково, причём удовольствие - не на минуты, а на столетия. Потому пластичные грунты и отползали потихоньку. Кстати, по современным нормам в аналогичной ситуации давление не должно превышать трёх килограммов на квадратный сантиметр.
Нельзя сказать, что исследования оказались совсем уж безрезультатными. Например, выяснилось, что если бы не долгострой, связанный с перерывами на войны с недавними союзниками, башня завалилась бы практически сразу. А так за столетние перерывы грунт успевал хоть немного уплотниться перед следующим сюрпризом от очередной бригады строителей.
Но что-то действительно не складывалось, причём уже в веке двадцатом. Если толща под фундаментом башни неустойчивая, но однородная: все слои выдержаны по толщине, или, как говорят геологи, мощности - почему же наклон именно на юг?
Тем временем рухнувшая в 1989-м году колокольня в Павии (почти ровесница Пизанской башни) подтолкнула правительство Италии к ещё более энергичным действиям. В 1990-м году доступ посетителей к башне был закрыт. Результат не заставил себя ждать - количество туристов сократилось вдвое. Горожане были в ярости и требовали открыть башню обратно - романсы тающих финансов их совершенно не вдохновляли.
Дабы наверняка и навсегда закрыть проблему, в марте того же года премьер-министр Италии создаёт новую комиссию - последнюю по порядку и уже пятнадцатую по счёту в двадцатом веке. В её состав включают специалистов по структурной и инженерной геологии, архитектуре, истории архитектуры, археологии и реставрации. Приглашают даже настоящего британского учёного. 72-летний Джон Берлэнд (John Burland), почётный профессор Имперского колледжа Лондона, имел богатый опыт общения с различными по составу и устойчивости грунтами. Комиссии было велено ни в чём себе не отказывать, особенно - в кофе по ночам. Главное - чтобы башня стояла.
Девяностые годы прошлого уже века - время становления цифровых технологий. Неудивительно, что комиссия возжелала просчитать ситуацию на компьютере - а вдруг бог из машины выдаст готовое решение? На самом деле, конечно, специалистов в первую очередь интересовала динамика колебаний башни. Регулярные замеры наклона начались с 1911-го года. Но тем не менее, кое-какая информация о предшествующем этапе строительства и существования башни таки была получена. Изучение кладки показало, что башня сперва кренилась на север (примерно на четверть градуса). Затем конструкцию перемкнуло, и к моменту завершения четвёртого этажа наклон был уже на юг. На момент сооружения седьмого яруса колонн наклон был 0,6 градуса. После монтажа колокольной камеры, венчающей башню, наклон составлял уже 1,6 градуса. Логично: нагрузка на грунт возросла, центр тяжести поднялся… В XIX столетии башня отклонилась уже на метр к югу: благодаря замерам двух британских архитекторов известно, что угол наклона достиг в 1817 году уже пяти градусов.
Озадаченный компьютер не подвёл: во-первых, обнаружилось, что современные подвижки башни связаны в первую очередь с верхним слоем ила (слой А), который первоначально был вне подозрений. Благодаря измерениям, проводимым с 1911-го года,выяснилось, что башня прекратила проваливаться вглубь из-за растекания подстилающего илы глинистого слоя, но продолжала медленно, но верно проворачиваться вокруг горизонтальной оси, расположенной примерно на высоте потолка первого этажа. Во-вторых, выяснилось, что проворот, приближающий падение, происходит после каждого сильного дождя (или очередного вмешательства). Наблюдение за колебаниями уровня грунтовых вод подтверждало диагноз. Причём в скважинах, расположенных к северу от башни, уровень поднимался сильнее. Раз за разом своеобразный гидравлический домкрат приподнимал башню, чуть-чуть наклоняя её, а вернуться обратно не давала сила тяжести…
Ситуация осложнялась перераспределением напряжений в конструкции: из-за наклона основание башни в южной её части испытывала длительное чрезмерное сжатие. По каменной кладке зазмеились трещины. По мнению членов комиссии, в любой момент могла случиться hernia (да, в статье именно так). Для предупреждения оной первым делом в 1992-м году вокруг первого этажа соорудили бандаж из восемнадцати стальных тросов, упакованных в пластик, дабы не повредить шкурку башни. В этом же году серьёзно занялись самой кладкой: стальные скрепы стянули внешнюю и внутреннюю кладку, не позволяя ей расползаться под нагрузкой, также были зацементированы пустоты в кладке (масоны, оказывается, тоже иногда халтурят).
После укрепления башни занялись её телодвижениями. «Если южная часть опускается, а северная поднимается» - рассуждал Бэрлэнд, - «надо сделать так, чтобы всё стало наоборот». По крайней мере - хотя бы временно остановить вращение, пока комиссия не придумает уже что-нибудь умное и действенное. Самым простым решением оказался свинцовый противовес. Вокруг башни быстро соорудили съёмное кольцо из напряжённого железобетона. Схватившееся как следует колечко аккуратно загрузили с северной стороны свинцовыми блоками - и башня остановилась. Впервые, пожалуй, за всю историю своего затянувшегося падения. Мало того - началось выпрямление: к лету 1994-го года откат составил около 50 угловых секунд, или две трети дюйма.
Укладка свинцовых блоков.
Члены комиссии, а следом за ними и горожане облегчённо выдохнули и тут же озаботились новой проблемой. Эстетической. Пятиметровое нагромождение свинцовых блоков определённо не добавляло красоты шедевру архитектуры. Наиболее агрессивные эстеты полагали, что башне лучше упасть, чем существовать с этаким уродством сбоку.
Тем временем Бэрлэнд предлагает членам комиссии окончательное, на его взгляд, решение пизанского вопроса. Собственно, идея была не его и не нова - впервые извлечение грунта из-под северной стороны башни было предложено ещё в 1962 году инженером Фернандо Террачина. Этот метод неплохо зарекомендовал себя в Мехико: под накренившееся сооружение с приподнятой стороны бурится несколько скважин, извлекается грунт, образовавшиеся полости неспешно схлопываются, здание выпрямляется. Но для того, чтобы быть уверенным на все сто в сохранности уникального сооружения, мало предложить. Нужно ещё и обосновать. А хорошее обоснование требует времени. А туристы, горожане и мэр негодуют. А свинцовая кучка по-прежнему не радует глаз. И тут рождается новая идея… едва не похоронившая всё.
Почему бы не заякорить башню снизу? Вместо уродливой кучки свинцовых «чушек» - невидимые струны анкерной крепи, надёжно удерживающие кампанилу с севера через зыбкую толщу панконских глин в надёжных песках? Есть, правда, одна маленькая проблема - грунтовые воды. Это ещё Герардеска в 1838-м году выяснил по случаю. Но ведь сейчас не девятнадцатый, а уже двадцатый век, технологии совсем другие… А воду можно просто заморозить. Что и было сделано.
Дальше всё получилось ровно по поговорке про дорогу и благие намерения. Заморозка северной части основания прошла без приключений. В сентябре 1995-го года, в самый сезон дождей, с помощью жидкого азота начали замораживать грунт в южной части башни. Реакция башни оказалась настолько же быстрой, насколько и неожиданной - она вновь начала крениться к югу, причём со страшной скоростью(4-5 угловых секунд в день). Раньше эти самые секунды кампанила проходила за год…
Искать объяснение внезапной реакции грунтов было некогда - нужно было срочно спасать ситуацию и башню. Благо, информация просочилась в печать: в адрес комиссии прозвучало много хорошего и разного. Мэр Пизы, например, заявил, что обычный сантехник с вантузом сработал бы лучше, чем эти яйцеголовые.
Для пресечения внезапного рывка к уже имеющимся запасам свинца срочно добавили ещё 300 тонн. Кроме этого, чтобы окончательно зафиксировать беглянку, в 1998-м году на неё накинули «аркан» - два троса, ещё более изуродовавших первоначальный замысел древних зодчих. Идею с якорями благополучно похоронили, эстеты были в неистовстве.
Тем временем для проверки работоспособности предложенного метода спасения посредством экстракции грунта неподалёку была построена модель, на которой были проведены все необходимые эксперименты. Поскольку модель выжила, учёные принялись за многострадальную башню.
Сперва пробурили двенадцать скважин. Опущенные в стволы скважин архимедовы винты аккуратно извлекли на поверхность семь кубометров грунта.
Тренировка на кошках. Модель башни в ходе испытаний. Наклон имитирован дополнительной нагрузкой с противоположной буровому станку стороны.
Башня на привязи. На заднем плане - буровой станок и линия скважин, справа за башней - свинцовые блоки.
Башня отреагировала на вмешательство смирно, и тогда начался решающий этап операции: сорок одна скважина, тридцать восемь тысяч кубометров извлечённого грунта. И на этот раз всё прошло по плану, и Пизанская башня медленно, но верно вернулась к позиции начала XIX века. В принципе, можно было выставить её вообще вертикально, но эту идею не оценили ни горожане, ни туристы. Почему-то.
Работы официально были прекращены 17 июня 2001-го года, в день памяти покровителя Пизы святого Раньери. Открытие башни для туристов было запланировано на двенадцатое сентября, но из-за трагических событий с двумя башнями в США состоялось в декабре.
Последующие наблюдения показали, что колебания Пизанской башни теперь связаны исключительно с её нагревом под действием Солнца. Да, проблему скачков уровня подземных вод решили в 2002-м году посредством создания дренажной системы.
Вроде бы и всё... Хотя нет. В середине 80-х годов прошлого века была ещё одна попытка. Что характерно, о ней совсем нет информации ни в научных статьях, ни в популярных изданиях.
Расположение - Пизанский собор, Пиза, Италия
Высота - 56,7 м; 8 этажей.
Внешний диаметр основы - 18,484 м
Внутренний диаметр основы - 10,368 м
Вес - 14700 т
Толщина стен в основе - 4,05 м
Направление наклона - 1173-1250 Север, 1272-1997 Юг.
Число колоколов - 7
Наибольший колокол - L’Assunta (Успение). 3,5 т., установлен в 1655 году
Самый старый колокол - Pasquarreccia
Ступенек - 257
При создании поста использованы следующие материалы:
Stabilising the leaning tower of Pisa
Solving the 800-year mystery of Pisa's Leaning Tower
Leaning tower of Pisa - updated information (http://scholarsmine.mst.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2265&context=icchge)
Википедия
Источник - d3.ru