تثبیت، مقاوم سازی و اصلاح بخشی از نشست رخ داده در برج پیزا

تثبیت، مقاوم سازی و اصلاح بخشی از نشست رخ داده در برج پیزا

تثبیت، مقاوم سازی و اصلاح بخشی از نشست رخ داده در برج پیزا

معرفی برج پیزا و تاریخچه اجرای آن

برج مشهور ناقوس در پیزا به نظر بعضی افراد یکی از عجایب هفتگانه به حساب می آید که یکی از نمونه های قابل توجه در سبک معماری رومی است. برج پیزا با معماری سبک رومی را می توان یکی از آثار قابل توجه تاریخی مربوط به قرون وسطی دانست. برج دارای معماری و بنایی شگفت انگیز است و در شهر پیزا در ناحیه توسکانی ایتالیا بنا شده است.

این منطقه شامل چهار ساختمان مربوط به قرون وسطی با نمایی از سنگهای سفید و درخشان مرمر است که شامل برج ناقوس، کلیسای مرکزی، تعمیدگاه و بنای گورستان است. مانند دیگر ساختمانها در پیازا (Piazza)  برج ناقوس همانند یک سمبل شهری ساخته شده بود تا در عین زیبایی، منحصر به فرد بودن و مرموز بودن، حالت ثروتمند بودن این قسمت از شهر را منعکس می کند.




در سال 1173 عملیات ساختمانی برج آغاز شد معمار اصلی این برج بنانوپیزانو (Bonanno Pisano) بود که احتمال همفکری وی با دیوتیسلاوی (Diotislavi) معمار تعمیدگاه بسیار زیاد است. در سال 1178 که ساختن بنا به طبقه چهارم نزدیک می شد، عملیات متوقف گردید. تحقیقات نشان داد که مقاومت برشی خاک زیر سازه کافی نیست تا بنا را نگه دارد و با ادامه ساختمان سازی امکان فرو ریختن آن وجود داشت. 94 سال بعد و در سال 1272 که مقاومت برشی خاک (رس) زیر بنا بر اثر وزن برج افزایش یافت، عملیات ساختمانی دوباره آغاز شد.
در سال 1278 ساختمان سازی به طبقه هفتم نزدیک می شد، اما کار دوباره متوقف گردید و هیچ شکی نبود که اگر عملیات ادامه پیدا کند بخاطر انحنای غیر پایدار، برج فرو خواهد ریخت

در حدود سال 1360، بعد از تثبیت دوباره زمین، عملیات ساختمانی از سر گرفته شد، با توجه به کج شدگی برج به سمت جنوب و نگرانیهای بوجود آمده ناشی از آن، معماران بر آن شدند تا در جهت بهبود آن اقدام به بلندتر ساختن قسمت شمالی برج نسبت به قسمت جنوبی آن کنند و در همین راستا برای تصحیح کج شدگی برج، محفظه ناقوسها را با کمی فاصله به سمت شمال ساختند که در نتیجه می توان شکل برج را همانند هلالی فرض کرد که تقعر آن به سمت شمال و در کل مایل به سمت جنوب است. برج در حدود سال 1370 پس از تقریبا 200 سال پس از شروع عملیات ساختمانی بالاخره کامل شد.

هشت طبقه برج 863/55 متر از سطح زمین و در حدود 60 متر نسبت به کف پی ارتفاع دارد که هفت ناقوس در روزنه هایی از دیوار استوانه ای شکل در طبقه هشتم، بر روی تیرهای افقی نصب شده و حول آنها تاب می خورند.

در سال 1930 به خاطر ترس از فرو ریختن برج، این ناقوسها برداشته شدند و در عوض برای به صدا در آوردن ناقوسها یک سیستم الکترومغناطیسی به کار انداخته شد که هنوز هم باقی است.

مشخصات فنی برج پیزا در جدول 1 داده شده است.

جدول 1: مشخصات فنی برج پیزا

ردیفمشخصاتمقدار
1ارتفاع از سطح دریا2 متر
2عرض جغرافیایی43o 43’ 0”
3طول جغرافیایی10o 22’ 60”
4قطر داخلی مقطع برج368/7 متر
5قطر خارجی مقطع برج484/15 متر
6محیط برج در پایه8/48 متر
7قطر پی برج6/19 متر
8عمق پی برج5/5 متر
9وزن برج14500 تن
10ارتفاع مرکز جرم برج6/22 متر بالاتر از پی
11متوسط فشار وارده از پی1/5 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع
12حداکثر فشار وارده بر خاک در بخش جنوبی *11-10 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع

* این مقدار فشار وارد بر خاک زیر پی نشان از بروز گسیختگی موضعی در آن می باشد.

وضعیت خاک منطقه و آب زیرزمینی:

خاک منطقه پیزا مطابق شکل، از سه لایه بندی افقی مختلف تشکیل می شود. لایه A به ضخامت حدود 10 متر متشکل از رسوبات رودخانه ای سیلتهای ماسه دار و رس دار می باشند. لایه B از رس ساحلی نرم عادی تحکیم یافته حساس تشکیل شده که تا عمقی حدود 40 متر ادامه می یابد. به دلیل بالا بودن میزان حساسیت این خاک، در صورت دستخوردگی بیشتر مقاومت خود را از دست می دهد. لایه C ماسه ساحلی متراکم تشکیل می شود که تا عمق 60 متر ادامه می یابد. تراز آب زیرزمینی در لایه A بین 1 تا 2 متر زیر تراز برج قرار دارد. نکته جالبی که در اینجا می توان عنوان کرد اینست که در محل تماس بین لایه های A و B در زیر برج وضعیت لایه ها بصورت مقعر شده است که نشان دهنده تجربه نشست متوسطی در حدود 3 تا 5/3 متری برج در عمر خود می باشد.  

وضعیت لایه بندی خاک در منطقه برج پیزا

وضعیت تراز آب زیرزمینی در لایه افقی A

مشخصات سازه ای و مصالح مورد استفاده در ساخت برج

شکل بیرونی و نمای برج بصورت استوانه ای ستون بندی شده است که هر ستون 5/3 متر طول داشته و ارتفاع کف تا سقف طبقات 8/4 متر می باشد. ستونها عمدتا از جنس سنگ مرمر ساخته شده اند که البته در سالهای بعد به دلیل تعمیرات صورت گرفته در آن از نواع دیگری از سنگها نیز استفاده شده است.

در کف برج، 15 ستون ساختمان را احاطه کرده اند و در طبقات بعدی از 30 ستون در هر طبقه استفاده شده است. نمای داخلی و بیرونی برج از قطعات 240*32 سانتیمتر از سنگ مرمر است که بصورت محکم به هم متصل شده اند. فضای بین این قطعات از نوعی ملات مخلوط با سنگ می باشد که ملات ساختمانی برج ترکیبی از نوعی رسوبات رودخانه ای و آهک شکفته است که چون آهک در طبقات بالا سریع به کربنات کلسیم تبدیل می شد به آن مقدار قابل توجهی سیلیس اضافه می کردند (Tania Marchesini 2002)

یک راهروی مارپیچ 294 پله ای از پایین به بالای برج کشیده شده است. ضخامت دیوارهای طبقه اول 410 سانتیمتر و در طبقات بالا نازکتر می شود تا به 270 سانتیمتر می رسد که هم علت زیباشناختی دارد و هم به علت پایداری بنا می باشد.

وضعیت برج قبل از بهسازی و تثبیت:

در اثر کج شدگی ایجاد شده پی برج در حدود 5/5 درجه به سمت جنوب شیب پیدا کرده و طبقه هفتم در حدود 450 سانتیمتر به سمت جنوب از شرایط قائم دچار انحراف شده بود.

در نقطه ای از قسمت جنوبی طبقه دوم که پلکانها می گذرند، به علل زیر بیشترین فشار وجود داشت:

  1. سنگ استفاده شده در این قسمت از مقاومت پایین تری برخوردار بود.
  2. وجود فشار ماکزیمم ناشی از کج بودن برج به این نقطه
  3. عبور پلکان از این مکان
  4. وجود سوراخهای متعدد ناشی از داربستها
  5. قسمت بیرونی دیوارها از سنگ مرمر قویتری ساخته شده اند ولی قسمت داخلی دیوارها فقط از خرده سنگ و آجر بودند.

دیوارهای احاطه کننده پلکان جنوبی در این منطقه تحت فشار بسیار زیادی بودند که اگر فشار زیادتر می شد احتمال شکستن دیوارها می بود. در همین راستا مصالح رویین این منطقه بطور وسیع شکسته بودند.

در بین اعضای سازه ای برج، ستونها بیشترین صدمه را دیدند. نازک بودن قطر ستونها و پایین بودند مقامت مصالح آنها از مهمترین علل این رویداد شناخته شدند. فشار ناشی از کج شدگی برج، تنش زیادی را در ستونها ایجاد کرده بود که بر اثر آن بسیاری از ستونها تغییرشکل داده بودند که در نتیجه، کارایی آنها کاهش یافته بود که در همین راستا تنها در قرن شانزدهم 50 ستون تعویض شدند.

وضعیت برج قبل از انجام عملیات بهسازی

وضعیت ستونهای تحت فشار

وضعیت راهروهای تحت فشار

نشست:

شهر پیزا از همه طرف در محاصره آب بود و بطور کلی منطقه پیزا به تدریج نشست می کرد. علت این موضوع عبور جریان آبی از شمال تا جنوب در زیر این منطقه بود، که به تدریج باعث فرسایش لایه های زیرین می شد ولی بعضی از نواحی آن سریعتر از بقیه نواحی نشست می کرد که متاسفانه برج ناقوس بر روی همین مناطق قرار گرفته است. چون قابلیت فشردگی خاک ضلع جنوبی نسبت به ضلع شمالی بیشتر است، برج به سمت جنوب کج شده است. دوره های سرد و گرم شدن زمین و بارندگی های مداوم بر میزان کج شدگی برج تاثیرگذار بوده است.

در سال 1838 معمار الساندرو دلا گرادسکا (Alessandro della Gheradesca) برای تثبیت برج و آشکار کردن پایه ستونها و پله هایی که در خاک مدفون شده بودند، به اندازه یک پیاده رو دور برج را حفر کرد و حفاری زیر سطح ادامه پیدا کرد تا اینکه آبهای زیرزمینی به داخل حلقه دور برج نفوذ کرد و در نتیجه برج در حدود 25/0 درجه کج شد، در نتیجه گرادسکا یک حلقه به قطر 7/0 متر از بتن در کف پیاده رو ساخت که از قرار معلوم برای تثبیت پیاده رو بود ولی کمک زیادی به تثبیت برج در حال فرو ریختن کرد (Tania Marchesini 2002). زمین برج از سه لایه جدا از هم تشکیل شده بود، لایه بالا که 10 متر عمق داشت از مخلوطی از لای و رسوبات و سنگهای بسیار زیر ته نشین شده در آبهای کم عمق رودخانه ای و مردابی در کمتر از 1000 سال قبل بود. لایه دوم از رسوبات دریایی بسیار نرم و تغییرشکل پذیر ته نشین شده در 30000 سال قبل که تا عمق 40 متری به صورت یکنواخت و یک شکل گسترش یافته بود و لایه سوم، لایه تراکم یافته ای از شن و ماسه که تا عمق قابل توجهی گسترش یافته بود، می باشد. تعداد زیادی سوراخ زیر و اطراف برج به وجود آمده بود که نشان از انحنای لایه دوم به خاطر وزن برج بود و با توجه به نشست برج بین 5/2 متر تا 3 متر می توان میزان فشردگی خاک را درک کرد. محور برج به اندازه کافی مقاوم نبود و در نتیجه، انحنای برج به سمت جنوب، محور برج به سمت شمال خم شده بود که برای اصلاح آن از قطعات مخروطی شکل و نوک تیز استفاده کردند.

با تجزیه و تحلیل مربوط به لایه های خاک، تاریخچه کج شدگی برج بدست می آمد.

حرکت فونداسیون برج در طول خزش مداوم (افزایش تدریجی ناپایداری) Burland, Viggiani (1994)

در پایان اولین فاز ساختن برج (1173-1178) برج به سمت شمال در حدود 25/0 درجه کج شده بود ادامه کار ساخت باعث کج شدن بیشتر برج به سمت جنوب شد و سپس با شتاب گرفتن عملیات ساخت تا سال 1278 که به طبقه هفتم رسیده بود، انحرافی در حدود 6/0 درجه رو به سمت جنوب ایجاد شده بود و این مقدار تا سال 1360 به 6/1 درجه رسید. هنگامیکه مراحل نصب محفظه ناقوسی در حال انجام بود، دو معمار انگلیسی انحنای برج را محاسبه کردند که در حدود 5 درجه شده بود و به وضوح مشخص کرد ادامه عملیات ساخت دلیل بسیار عمده ای در افزایش انحنا بوده است.

در سال 1911 اندازه گیری کج شدگی برج بطور دقیق آغاز گردید که نشان می داد در طول قرن بیستم انحنای برج به طور ثابت در هر سال افزایش یافته و اگر این رویه ادامه یابد بین سالهای 1930 تا آخر قرن بیستم میزان کج شدن برج دو برابر می شود (Michele Jamiolkowski, 2000).

در تجزیه و تحلیلهای رایانه ای که در سال 1992 در دانشکده علوم و فن آوری سلطنتی لندن انجام شد، مشخص گردید که افزایش سرعت کج شدن هنگامی شروع شد که سازه به طبقه هفتم رسید و یا ناقوسها مستقیما به برج متصل شدند.

شروع مطالعات بهسازی

در سال 1989 بعد از اینکه یک برج در شمال ایتالیا در شهر پاویا فرو ریخت و سه نفر کشته شدند، کمیسیونی تاسیس شد تا طرحهایی در ارتباط با ایمنی برجها تهیه کنند که در پی آن کمیسیون رای به بسته شدن برج بر روی بازدیدکنندگان داد. در همان سال یک کیسیون توسط نخست وزیر تاسیس شد تا اقداماتی را برای پایدارسازی و تثبیت برج انجام دهند که تعدادی از مهندسین ساختمان، ژئوتکنیک و ترمیم بناهای قدیمی عضو این کمیسیون بودند.

اگرچه اکثر طرحها برای کمیسیون گران تمام می شد، ولی به علت اهمیت موضوع جذب توریست، کمیسیون مجبور بود تا هرچه سریعتر طرحی را تصویب کند. در سال 1990 سرعت کج شدن برج برابر با حرکت افقی 5/1 میلیمتر در سال بود. موارد زیر نشان دهنده حالتهایی از تغییرپذیری و معلق بودن برج می باشند: در سال 1934 قصد داشتند مصالح پی را به وسیله تزریق دوغاب تثبیت کنند که منجر به حرکت ناگهانی به سمت جنوب در حدود 15 میلیمتر شد و همچنین ته نشین شدن آبها به طرف آبهای زیرزمینی در شن و ماسه پایین پی در سال 1970، منجر به جابجایی به سمت جنوب در حدود 12 میلیمتر شد.

حال معلوم می شود که عملیات تثبیت باید چقدر دقیق باشد و هرگونه اقدامی باید آرام و برگشت پذیر باشد. کمیسیون به دنبال یک روش دائمی بود، در این حین پایدارسازی موقت موقعیت پی، مستلزم کاهش میزان گشتاور چرخشی برج بود.

در طول نیمه دوم سال 1993 وزن 600 تنی قطعات سربی که بر روی قطعات قابل انتقال پیش تنیده بتنی در اطراف ضلع شمالی قرار گرفتند باعث کاهش کج شدگی در حدود 1 دقیقه شد و با توجه به اینکه این کاهش حدود 10درصد گشتاور خمشی را تقلیل داده بود، در سپتامبر 1995 وزن سربها به 900 تن افزایش یافت.

وزنه های تعادل در بخش شمالی برج

کمیسیون اعلام کرد که طرحهای حفاظتی و تثبیت سازی برج باید دارای چهار معیار زیر باشد:

  1. تغییری در ظاهر تاریخی برج ایجاد نکند.
  2. کمترین هزینه را داشته باشد.
  3. با شرایط موجود سازگار باشد.
  4. پایداری بلند مدت داشته باشد.

روش تثبیت سازی

از میان طرحهای برگزیده شده، فقط طرح Novelli در برگیرنده تمام معیارها بود. در سال 1990، Novelli Vittoro طرح خود را به کمیسیون پیشنهاد کرد که شامل حفاری خاک، پی بتنی و سیستم کابلها در بالای زمین بود، که در این طرح مقدار کاهش کج شدگی پیش بینی شده حدود 5/0 درجه بود که برای کاهش فشار و تثبیت می توانست کافی باشد.

روش مذکور شامل حفاری از زیر و فشار توسط قطعات سرب از بالا می شد، هیچکدام از این راه حلها ثابت شده و قانع کننده نبود و کارایی آنها بسیار شک برانگیز بود. در این روش که شامل استخراج و حفاری خاک به تدریج به وسیله نصب یکسری لوله های انحصاری فقط در زیر قسمت شمالی پی بود که می توانست موافقت کمیسیون را جلب کند. چون این روش قبلا با موفقیت برای کاهش صدمات ناشی از نشست در کلیسای جامع در مکزیکوسیتی انجام شده بود، اما این روش در مورد برج، آن هم در منطقه ای بسیار متفاوت کمی شک برانگیز بود.

طرح Novelli Vittoro برای تثبیت و بهسازی برج پیزا (1990)

مدلسازی برج در مقیاس واقعی

بعد از دوره ای چند ساله این روش ابتدا به وسیله مدلهای شبیه سازی شده و سپس با تجزیه و تحلیل عددی و در انتها به وسیله مدلهای بسیار بزرگ مورد مطالعه قرار گرفت. بعد از مطالعه مدلها و تجزیه و تحلیل پی، به وجود خطی بحرانی پی برده شد که وسعتی به اندازه نصف شعاع در لبه جنوبی پی داشت و شامل شیار یک ترک بود که در آن خاک بسیار متراکم و فشره است. اگر حفاری و انتقال خاک در شمال این خط صورت گیرد واکنش برج مثبت خواهد بود ولی اگر به هر علتی حفاری در جنوب این خط صورت گیرد امکان حرکت برج به سمت جنوب و در نتیجه ناپایداری برج خواهد بود. در حفاری شبیه سازی شده در پیزا، شمال تعمیدگاه و مقیاس زیاد خاک در عمق 7 متر متوجه شدند که ناپایداری می تواند خود را با نشست لبه جنوبی پی و سپس با چرخش به سمت جنوب آشکار کند.

به هر حال، حفاری در قسمت جنوبی خط بحرانی باعث سرعت در نشست قسمت جنوبی و در نتیجه چرخش به سمت جنوب شد. این آزمایشها شش هفته به طول انجامید و در نتیجه یکی از فونداسیونهای آزمایشی را تثبیت کردند که در طول این فرآیند اطلاعات بسیاری بدست آمد (Vittorio Novelli, 1998).

الف- تکنولوژی استخراج:

هدف اصلی از آزمایشات در مقیاس بزرگ ایجاد پیشرفت در تکنولوژی استخراج بود. که دستگاه حفاری شامل یک لوله تو خالی با یک مته مارپیچ بود (معروف به پیچ ارشمیدس) که در یک محفظه به قطر 180 میلیمتر جا داده شده بود. موقعیکه مته شروع به ایجاد سوراخ می کرد یک کاوشگر که در داخل آن جای داده شده است می توانست از مته خارج شود و حفره را بررسی کند. کوشش نها نشان داد که سوراخهای حفر شده در خاک لای دار ریز پی به آرامی بسته شده و استخراجهای مکرر می توانست در همان منطقه انجام شود و در نتیجه پی که از بالا تحت فشار بود می توانست در حدود 25/0 درجه بچرخد.

روش کار دستگاه استخراج خاک

بالاخره در آگوست 1996 کمیسیون با حفاری محدود خاک برای رویت واکنشهای برج موافقت کرد. در دسامبر 1998 کابلهای محافظ موقت به طبقه سوم برج متصل شدند که شامل 31 کابل مهارکننده ستونها و 49 ریسمان 24 میلیمتری در بر گیرنده برج بودند که برای ککش مناسب باید تعداد کابلها در پایه ستونها نسبت به بالای برج بیشتر باشد.

برای توزیع یکنواخت کشش ناشی از نیرویی که هر کابل وارد می کند، از یک سری حلقه های مخصوص برای اتصال به بدنه برج استفاده می شد (John Burland 2002).

ب- دستگاه مهار کننده کابلها

برای حفاظت از بنا و برای توزیع بهتر بار انتقال داده شده از کابلها، لایه ای از چوب و یا ماده ای پلاستیکی بین حلقه های مخصوص و بنا قرار داده می شد که این کشش از فاصله ای 100 متری پس از عبور کابلها از قرقره توسط دو جسم عظیم A شکل صورت می گرفت. برای ثابت نگه داشتن برج، کابلها به وسیله وزنه هایی از سرب کشیده می شدند و در این عمل قصد کشیدن برج به سمت شمال را نداشتند و کار آن فقط ثابت نگه داشتن برج بود.

نتایج اولیه

عملیات حفاری بسیار آرام و سنگین انجام می شد و در هر روز بیش از دو مرتبه حفاری نمی توانست انجام شود و هر روز 20 لیتر خاک استخراج می شد که با رسیدن به هدف نهایی که کاهش کج شدگی در حدود 20 دقیقه بود کارایی سیستم را بطور روشن ثابت کرد.

یک سیستم پیچیده ارتباطی بین مهندسین کمیسیون و پیمانکار حفاری در محل نصب شده بود که شامل فاکسهای روزانه از محل بنا به اداره مهندسین بود و شامل جدیدترین اطلاعات برج در مورد کج شدگی و نشست برج بود. مهندسین هم بر اساس یافته های بدست آمده از آزمایشات در مقیاس بزرگ و تجزیه و تحلیل واکنشهای برج دستورالعملهای صریح و مشخص شامل عملیات استخراج بعدی را با فاکس به آنها اطلاع می دادند.

در 9 فوریه 1999 در اثر نیروهای ناشی از کشش، اولین استخراج حرفه ای انجام شد. در اولین روزهای حفاری بر روی لبه پی، برج واکنشهای غیر قابل تشخیصی نشان می داد و سپس شروع به چرخش به سمت شمال کرد و تا 23 فوریه در حدود 7 دقیقه به سمت شمال چرخید اما پس از آن ناگهان شروع به چرخش به سمت جنوب کرد و در این روز در حدود 2 دقیقه چرخید.

مرحله مقدماتی استخراج خاک توسط حفاری چند سوراخ در زیر برج

بررسی دقیق نتایج بدست آمده نشان داد که این موضوع به نشست در جنوب مرتبط نیست بلکه مرتبط به تندباد شمالی تشدید شده به وسیله کاهش دمای ناشی از بارش برف در آلپ و تغییرات سطح آبهای زیرزمینی بوده است که بر اساس سابقه و اطلاعات ضبط شده معمولا منجر به جابجایی بسیار ناچیز به سمت جنوب می شده و موقعیکه تندباد فرو نشسته و درجه حرارت افزایش یافت مجددا شروع به حرکت به سمت شمال کرد که تسکینی برای مهندسین و افراد مرتبط با پروژه بود. این حادثه هوشیاری مهندسین و مراقبت در تمام دوران استخراج را نشان می دهد.

در ژوئن 1999، موقعیکه چرخش به سمت شمال به حدود 80 دقیقه رسید، استخراج خاک متوقف شد و شتاب نزولی چرخش به سمت شمال ادامه پیدا کرد تا جولای 1999 که سه قطعه از قطعات سربی برداشته شدند که یکباره تمام جابجایی متوقف شد. نمودار زیر مربوط به نتایج حفاری مقدماتی است که بسیار راضی کننده می باشد. موفقیت در مرحله مقدماتی حفاری کمیسیون را متقاعد کرد که این روش برای تمام عرض و پهنای پی امن و مطمئن است، از این رو از دسامبر 1999 تا ژانویه 2000 تعداد 41 سوراخ حفاری به فواصل 5/0 متر از هم تعبیه شد که هر کدام بصورت اختصاصی دارای مته و پوشش بودند (Prof Piero Pierotti, 2001).

عملیات نهایی

در 21 فوریه سال 2000، استخراج نهایی با تمام ظرفیت شروع شد که با یک برنامه کامل میزان بیشتری از چرخش به سمت شمال نسبت به استخراج اولیه بدست آوردند. حفاری با تمام ظرفیت باعث متوسط چرخش 6 دقیقه در روز و استخراج 120 لیتر خاک شد. در جریان عملیات، برج نشان داد که تمایل به حرکت به سمت شرق دارد که با تجزیه و تحلیلها به این نتیجه رسیدند که لازم است استخراج خاک در قسمت غربی 20 درصد بیشتر نسبت به قسمت شرقی انجام گیرد. بررسی نشان می دهد که برج در یک مسیر فوق العاده راست و قائم به سمت شمال در حرکت است. در اواخر سال 2000، انتقال و برداشتن قطعات سرب آغاز شد، در ابتدا به میزان 2 قطعه در هفته (18 تن) و در سپتامبر 2000 این کار به 3 قطعه در هفته افزایش یافت و این میزان در نوامبر به 4 قطعه رسید. جابجایی قطعات سربی منجر به افزایش قابل توجهی در گشتاور چرخشی برج شد. اما برای کم کردن تاثیر آن حفاری همچنان ادامه داشت.

مرحله نهایی استخراج خاک توسط حفاری 41 سوراخ در زیر برج

وضعیت چرخ برج در طول عملیات استخراج خاک از زیر پی

تثبیت پی

در 16 ژانویه 2001 آخرین قطعه از سربهای قرار گرفته بر روی قطعات پیش تنیده برداشته شدند و پس از آن فقط استخراج محدود خاک انجام می شد. در اواسط فوریه حلقه بتنی دو برج برداشته شد و در اوایل مارس دستگاههای حفاری جمع آوری شدند و سوراخها هم توسط نوعی دوغاب تشکیل شده از خاکستر بادی و مواد سبک پر شد. در نهایت در اواسط ماه می کابلها هم جدا شدند که این عملیات باعث چرخش چند دقیقه ای به سمت جنوب شد که برای خنثی کردن آن حفاری محدودی صورت گرفت و در 6 جون آخرین استخراج صورت گرفت و آخرین دستگاههای حفاری برداشته شدند و می توان گفت که برج از حالت بحرانی خارج شد. در ادامه برای کاهش کج شدگی عملیات بهسازی در مناطقی که مصالح تحت فشار زیاد قرار داشتند انجام گردید که شامل تزریق دوغاب در فضاهای خالی درون قطعات سنگی ترک خورده و بکارگیری تسمه های فولادی ضد زند در مناطقی که خطر پرت شدند مصالح روکار بیشتر بود.

حفاری دور برج و تثبیت آن بوسیله بتن مسلحی به ضخامت 2 متر و دیوارهای عمودی به ضخامت 80 سانتیمتر بصورت مقطعی دایره ای شکل که بطور محکم دور بنا را احاطه می کردند و باعث تقویت پی می شدند که پی جدید پی قدیمی را احاطه می کرد که نسبت به آن از هر طرف 4 متر گسترده بود که از ترکیب این دو پی، پی جدید بوجود می آمد و پس از تثبیت این پی دیوارهای 80 سانتیمتری محاطی فاصله بین کف پی جدید و دیوارهای بنا را احاطه می کردند.

در دسامبر 2001 در یک جمع بندی کلی مقدار کاهش کج شدگی در حدود 1835 دقیقه بود که معادل با جابجایی طبقه هفتم برج به سمت شمال در حدود 242 میلیمتر است و اگر بخواهیم به عقب باز گردیم وضعیت برج شبیه حالت آن از در سال 1830 است که در آن زمان Gheradesca محل پیاده رو را خاکبرداری کرده بود.

پایدارسازی برج پیزا را  می توان مبارزه مهندسین با شرایط سخت و دشوار دانست که شامل برج بنا شده بر پی ضعیف، خاک شدیدا تحکیم پذیر، جابجایی لایه های خاک و رسیدن به نقطه ای که نشان از ناپایداری برج می داد و جلوگیری از فرایندهای مرسوم زمین شناسی مهندسی مثل تقویت زیر و تزریق دوغاب و بعلاوه مصالحی که شدیدا تحت فشار بوده و از طرف دیگر ملزم به یکسان سازی و تطبیق فن آوری استخراج با عوامل حفاظتی برج و استفاده از روشی بسیار نرم و آهسته و انجام آزمایشهایی در مقیاس بسیار بزرگ و نظارت دقیق بر کلیه این مراحل، کنترل و ضبط تغییرات باد و فشار هوا و تشعشعات خورشیدی و حرکات زمین و کج شدگی و جابجایی افقی برج در جهات مختلف و عمق شکاف لایه ها و رفتار لایه ها و مقاومت و فشار بر روی مصالح برج می شد که اندازه گیری قبل از عملیات هر 4 روز یکبار و در موقع عملیات گاهی به هر 4 دقیقه یکبار می رسید. دقت این اندازه گیری ها برای طول 01/0 میلیمتر و برای زاویه 1 ثانیه بود.

بالاخره برج در 16 جون 2001 طبق تشریفات خاصی به مراجع ذیصلاح شهر تحویل داده شد و در 15 دسامبر برای بازدید عموم رسماً بازگشایی شد.

مشاهدات مربوط به حرکتهای برج پس از عملیات تثبیت

رفتار فونداسیون برج به لحاظ چرخش و نشست پس از تکمیل عملیات تثبیت خاک زیر پی در شکلهای زیر آورده شده است. در نتیجه استخراج خاک زیر پی و کنترل آب زیر زمینی در لایه A، کج شدگی فونداسیون برج در اواسط 2002 به میزان 1880 ثانیه کاهش یافته بود (حدود 10 درصد حداکثر مقدار خود که در سال 1993 اندازه گیری شده بود). در سپتامبر 2008 کاهش کج شدگی فونداسیون به 1948 ثانیه رسیده است و طبق اندازه گیری های انجام شده از سپتامبر 2006 تا سپتامبر 2008 نرخ چرخش بخش شمالی فونداسیون برج به میزان 2/0 ثانیه در سال بوده است.

چرخش فونداسیون برج پس از عمیات تثبیت

نشستهای بخش جنوبی، مرکز و شمال فونداسیون در شکل زیر داده شده است. در سپتامبر 2008 مرکز فونداسیون پی حدود 90 میلیمتر نشست داشته و با سرعت کمتر از 1 میلیمتر در سال در حال نشست می باشد.

نشست پی برج پس از عملیات تثبیت

پیش بینی رفتار برج در آینده:

در حالیکه رفتارنگاری برج ادامه دارد، سوالی در ذهن محققین هنوز مطرح است که رفتار برج در آینده به چه صورتی خواهد بود؟ به دلیل پیچیدگی فرایند کنترل ناپایداری برج که در نوع خود بی نظیر است، و همچنین به دلیل پیچیدگی رفتار اندرکنش خاک و سازه، نمی توان پاسخ مشخصی برای این سوال یافت. اما بر اساس بررسی های صورت گرفته دو سناریو عنوان شده است.

سناریوی خوش بینانه: پدیده ناپایداری و کج شدگی برج متوقف شده است و فقط برخی حرکات ریز ناشی از نوسانات فصلی آب زیرزمینی و تغییرات اثر تابش خورشید بر مصالح سنگی ایجاد خواهد شد.

سناریوی بدبینانه:  میزان چرخش به سمت جنوب بسیار کاهش می یابد و تا حدود 200 سال آینده برج نیازی به انجام عملیات تثبیت مجدد ندارد.

نتیجه:

  • صرف 25 میلیون دلار برای تثبیت برج پیزا نشان دهنده دقت و ظرافت عملیات می باشد.
  • با توجه به تمامی محاسبات پیچیده کامپیوتری و نتایج عملیات آزمایشگاهی، شبیه سازی واقعی برج خود نشان دهنده احتمال هرگونه رفتار غیر قابل پیش بینی در خاکهای تحت رطوبت بالا را نشان می دهد.
  • تزریق دوغاب سیمان یا ژل سیلیسی را می توان یکی از قدیمی ترین و پرکاربردترین روشهای تثبیت زمینهای ماسه ای نام برج که هم اکنون نیز کاربرد دارد.
  • رطوبت نقش موثری در رفتارهای خاک تحت فشار، بویژه تغییرشکلهای لایه ها ایفا می کند.
  • عملیات تثبیت برج را می توان یک نمونه عالی از تعامل و همفکری مجموعه ای از مهندسین سازه، خاک و پی، معماری، مکانیک، الکترونیک و کامپیوتر در جهت رسیدن به یک هدف مشترک دانست.

نوشتن یک پیام

ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

کلمات کلیدی را وارد نمایید