Пизанская башня: Архитектурное чудо или инженерная неудача? - Строительство и ремонт

Наклонная Пизанская башня – это беломраморная колокольня, стоящая рядом с собором итальянского города Пиза, узнаваемая во всем мире как архитектурная достопримечательность благодаря своему непреднамеренному наклону в одну сторону.

Строительство башни началось в 1170 году и продолжалось (с двумя длительными перерывами) около 200 лет. По сути, сооружение представляет собой полый цилиндр из каменной кладки с колоннами и сводами, поднимающимися от основания цилиндра.

На этапе строительства башня начала наклоняться на юг, и впоследствии ее наклон продолжал увеличиваться. В 1993 году максимальный угол наклона башни к югу составил 5,5°.

Наклоняющаяся Пизанская башня
Image Courtesy: McPig

Пизанская Наклонная башня построена на аллювиальных отложениях на неустойчивой поверхности почвы, что постепенно привело к наклону башни в одну сторону. Постоянное увеличение наклона фундамента произошло из-за совместного воздействия ползучести почвы и колебаний грунтовых вод.

В 1993 году итальянское правительство, обеспокоенное прогрессирующим увеличением угла наклона и риском внезапного обрушения конструкции, назначило международный комитет по охране и стабилизации Пизанской башни.

После создания комитета были приняты временные и постоянные стабилизационные меры для повышения устойчивости башни. В настоящее время, после проведения ряда стабилизационных мероприятий, башня стабильна. Однако будущее поведение башни во многом зависит от эффективности дренажной системы на северной стороне.

В данной статье описывается конструкция башни, грунтовые условия, на которых она была построена, история возникновения наклона, а также временные и постоянные меры, принятые для ее стабилизации.

4. Процесс стабилизации башни

4.1 Временная стабилизация
4.2 Постоянная стабилизация

5. Будущее Пизанской наклоняющейся башни

5.1 Оптимистический сценарий
5.2 Пессимистический сценарий

Часто задаваемые вопросы

1. Геология объекта

Ниже описана геология участка:

В городе Пиза разнообразие горных пород варьируется от палеозойских до третичных. В результате тектонической деятельности пласты города подверглись сильной деформации. Кроме того, под городом Пиза проходит разлом, проходящий через коренные породы.

Город Пиза расположен на аллювиальных отложениях, и средний уровень моря составляет всего 3-4 м.

Почвенный профиль под башней состоит из трех горизонтов.

Горизонт-А состоит в основном из эстуарных отложений. Этот пласт заложен в условиях приливов и отливов. Поэтому количество песчаных и глинистых илов под пластом варьируется. Толщина горизонта-А составляет 10 м.

Горизонт-B состоит из морской глинистой и песчаной почвы. Песчаная почва находится между слоями глинистой почвы. Верхний глинистый слой очень чувствителен, тогда как нижний глинистый слой жесткий и менее чувствительный. Толщина горизонта-B составляет 40 м.

Горизонт-C состоит из плотного песка. Толщина горизонта-C простирается на значительную глубину.

Количество ила и глины больше на южной стороне башни. Кроме того, слой песка намного тоньше, чем на северной стороне башни. Это одна из причин, которая привела к наклону башни в сторону южной стороны.

Естественный уровень грунтовых вод находится на 1-2 м ниже поверхности земли. Однако в прошлом добыча воды из нижнего песка привела к просачиванию вниз из слоя горизонта-А. В результате распределение порового давления немного ниже гидростатического давления.

Профиль почвы под башней

2. Строительство башни

Ниже описана конструкция башни:

Башня была построена в виде полого цилиндра. Стены башни облицованы мрамором, а полость между внешней и внутренней стеной заполнена смесью щебня и раствора.

После пяти лет строительства работы остановились из-за нехватки средств.

Строительные работы вновь начались в 1272 году, и в общей сложности было построено семь этажей. Однако в 1278 году строительные работы снова были приостановлены из-за сильного землетрясения, произошедшего в 160 км от Пизы.

И снова, в 1360 году, начались работы по возведению колокольной камеры Пизанской башни. Для этого потребовалось построить шесть ступеней на южной стороне башни, по сравнению с четырьмя ступенями на северной стороне между седьмым карнизом и полом колокольной камеры. Однако на этом этапе башня начала значительно наклоняться к югу.

Строительство башни было завершено в 1370 году. На строительство башни ушло почти 200 лет.

История строительства башни

3. Наклон башни

Ниже описана причина наклона башни:

Во время предварительного строительства башни, когда было построено в общей сложности четыре этажа, башня установилась с наклоном на север. Поэтому, когда работы возобновились в 1272 году (после перерыва в 100 лет), башня наклонилась под углом 0,27°.

Когда строительство седьмого этажа башни было завершено, она стала наклоняться к югу под углом 0,67°.

После очередного перерыва в строительстве, длившегося 90 лет, башня продолжала наклоняться к югу. В 1360 году наклон башни увеличился до 1,6°.

В 1817 году угол наклона башни составил поразительную величину – 4,87°.

Состояние ухудшилось в 1838 году, когда архитектор Алессандро прорыл дорожку вокруг фундамента башни. К сожалению, когда котлован оказался ниже уровня грунтовых вод, вода попала в котлован, в результате чего наклон башни, составляющий 4,87° в южном направлении, увеличился примерно на 0,575°.

В 1928 году рядом с фундаментом были установлены четыре нивелирные станции для измерения наклона башни.

Башня была очень чувствительна к разрушениям грунта и изменениям в состоянии грунтовых вод.

В 1934 году в кладке фундамента было просверлено 361 отверстие и закачано 80 тонн цементного раствора для укрепления каменной кладки. В это время в результате нарушения грунта и временного понижения грунтовых вод произошло внезапное увеличение наклона башни.

В 1970 году откачка воды из аллювиальных песков вызвала проседание грунта, и башня еще больше накренилась к югу.

В 1990 году было замечено, что башня наклоняется к югу и достигла максимального угла в 5,5°.

Пизанская Наклонная башня в 19 веке

3.1 Причины наклона башни

Быстрое увеличение наклона любого здания или башни к концу процесса строительства известно как неустойчивость при наклоне. Неустойчивость при наклоне высокого узкого сооружения возникает на критической высоте, когда опрокидывающий момент, возникающий при небольшом увеличении наклона, равен или больше соответствующего момента сопротивления, создаваемого фундаментом.

Неустойчивость при наклоне возникает не из-за недостаточной прочности грунта, а из-за недостаточной жесткости. Очевидно, что сочетание очень мягкого грунта и геометрических особенностей привело к тому, что Пизанская башня достигла своей критической высоты.

Факторами, способствовавшими наклонению Пизанской башни, являются:

Изменение уровня грунтовых вод, вызвавшее проседание аллювиального песка

Сильные ливни

Перепады температуры летом привели к изменению устойчивости наклона башни.

Процесс стабилизации башни

4. Процесс стабилизации башни

На устойчивость башни влияют два основных аспекта. Первый связан с самой конструкцией, а второй – с грунтом под конструкцией. Подход к стабилизации был разделен на два этапа. Во-первых, увеличение запаса прочности путем принятия временных мер, а во-вторых, обеспечение постоянного решения.

4.1 Временная стабилизация

Ниже описаны меры временной стабилизации, принятые для повышения устойчивости башни:

Мраморная облицовка вокруг внешней стены башни начала проявлять признаки растрескивания. Поэтому, чтобы уменьшить разрушение мраморной облицовки, в 1992 году с подходящим интервалом до второго этажа были установлены временные стальные сухожилия с легким предварительным напряжением, покрытые пластиком.

Со временем не только южная сторона башни накренилась, но и северная сторона неуклонно поднималась. Поэтому исследователи предложили нагрузить северную сторону каменной кладки фундамента. Это позволило бы противодействовать постоянному наклону башни и, возможно, несколько уменьшить его.

С этой целью вокруг цокольного этажа башни было сооружено временное кольцо из сборного бетона. Для нагружения свинцовые слитки помещались на сборное бетонное кольцо с соответствующим интервалом времени.

Нагрузка на северную сторону была приложена в четыре этапа, чтобы наблюдать за ее воздействием на башню.

Первый свинцовый слиток был помещен в июле 1994 года, а последний – в январе 1995 года. Через месяц после приложения нагрузки башня начала наклоняться в северном направлении.

Наблюдались значительные изменения в наклоне. Однако из-за приложения нагрузки башня осела примерно на 2,5 мм относительно уровня окружающего грунта.

Размещение первого свинцового слитка на северной стороне башни

4.2 Постоянная стабилизация

Чтобы окончательно повернуть башню обратно в северном направлении, комитет искал постоянное решение и провел испытания нескольких методов. Эти методы включали дренаж под северным фундаментом с помощью скважин, консолидацию под северным фундаментом с помощью электроосмоса и нагрузку на грунт вокруг северного фундамента с помощью прессующей плиты, нагруженной грунтовыми анкерами. Однако ни один из этих методов не оказался удовлетворительным.

После этого комитет решил применить метод индуцированного оседания на северной стороне башни. В следующих пунктах описывается метод индуцированного оседания для поворота башни назад с северной стороны:

Этот метод предполагает установку нескольких труб для забора грунта непосредственно под северной стороной фундамента.

Сначала этот метод был применен на пробном фундаменте, установленном рядом с башней. Пробный фундамент был успешно повернут на 0,25°.

В августе 1998 года на северном фундаменте башни начались работы по постоянной стабилизации. Сначала с северной стороны фундамента был извлечен небольшой объем грунта, в результате чего образовалась полость. Полость начала автоматически закрываться под действием давления вскрышных пород, что привело к небольшой осадке поверхности.

Вышеупомянутый процесс был применен для всей ширины северной стороны фундамента. На северной стороне фундамента было установлено около 41 вытяжного отверстия с шагом 0,5 м.

После полного проседания башня значительно повернулась в сторону северной стороны.

Процедура извлечения грунта для метода индуцированной просадки

4.2.1 Дополнительная стабилизация фундамента Меры

В дополнение к вышеперечисленным мерам, для уменьшения наклона башни были приняты еще два постоянных решения.

Во-первых, у основания башни было установлено цементно-конгломератное кольцо толщиной 0,8 м, которое было соединено с фундаментом башни посредством стальной арматуры. Кроме того, кольцо было усилено методом пост-натяжения. В результате была увеличена эффективная площадь фундамента, что также повысило безопасность против неустойчивости при опирании.

Цементно-конгломератное кольцевое соединение с фундаментом башни

Во-вторых, чтобы уменьшить колебания уровня грунтовых вод в сезон дождей, была установлена дренажная система. Эта система состоит из трех колодцев. Эти колодцы были построены с радиальными субгоризонтальными дренажами, проходящими под северной стороной фундамента. Уровень воды в выпускных трубах контролирует уровень воды в колодцах. Установка этой дренажной системы вызвала дальнейшее вращение башни в северном направлении.

Дренажная система для повышения устойчивости башни

5. Будущее Пизанской наклоняющейся башни

Хотя мониторинг башни продолжается до сих пор, основное беспокойство вызывает то, как башня будет реагировать в будущем. Из-за сложных явлений и четкого взаимодействия грунта и конструкции, бесспорный ответ на этот вопрос невозможен. Тем не менее, исследователи привели два следующих возможных сценария:

5.1 Оптимистический сценарий

Явления опирающейся неустойчивости и продолжающегося вращения прекратились, остались лишь небольшие движения, вызванные сезонными колебаниями грунтовых вод. Этот случай предполагает, что доминирующей системой, вызывающей неустойчивость при опирании, были изменения уровня грунтовых вод вблизи фундамента.

5.2 Пессимистический сценарий

Как только действие метода индуцированного оседания завершится, башня останется неподвижной в течение нескольких лет. Более того, за этим может последовать возможное вращение в южную сторону. Но скорость вращения будет медленно увеличиваться и может снова приблизиться к углу, близкому к 5,5°.

В худшем случае работы по стабилизации вернут наклон башни к состоянию, существовавшему в конце XII века. Исследователи предполагают, что башне потребуется не менее 200 лет, чтобы вернуться к наклону 1993 года.

Вопросы и ответы

Какова высота Пизанской башни?

Высота Пизанской башни составляет 56 м.

Каков уровень грунтовых вод в Пизанской башне?

Естественный уровень грунтовых вод находится на 1-2 м ниже поверхности земли.

Какого максимального угла наклона достигла Пизанская башня?

В 1990 году было замечено, что башня наклоняется к югу и достигла максимального угла в 5,5°.

Каковы основные причины наклона Пизанской башни?

Ниже перечислены факторы, которые способствовали наклону Пизанской башни:
1. Изменение уровня грунтовых вод, вызвавшее оседание аллювиального песка
2. Сильные ливни
3. Колебания температуры в летний период привели к изменению устойчивости наклона башни
4. Процесс стабилизации башни
5. Чувствительность материалов фундамента

Конструктивные детали Бурдж Халифа – марка бетона и фундамент

Каковы основные конструктивные особенности высоких сооружений?

Методы улучшения грунта для стабилизации почвы для различных целей

Читайте далее: