Ochrona zabytków wymaga spojrzenia z perspektywy wielu różnych nauk: kulturalnych, humanistycznych, socjalnych, administracyjnych, technicznych i ekonomicznych. Wymaga zatem ścisłej współpracy specjalistów wszystkich z tych branż, a często znacząca rola przypada w udziale inżynierii geotechnicznej. O roli geotechniki w ratowaniu jednych z największych symboli kultury światowej: Krzywej Wieży w Pizie, Wenecji zagrożonej powodziami i zabytków zlokalizowanych nad nowo budowaną linią C rzymskiego metra, będziemy informować w kolejnych numerach "Buildera".

Krzywa Wieża w Pizie posadowiona jest na słabych gruntach, a badania wskazują na to, że zaczynała pochylać się już od momentu budowy. Przechył postępował przez wieki, aż w 1990 roku wychylenie osiągnęło niepokojącą wartość 4,7 m i wzrastało z szybkością 1,5 mm rocznie.

Pierwsze próby
Wiarygodną informacją z historii budowy jest to, że kamieniarze wzmacniali grunt pod progresywnie chylącą się wieżą, na tej podstawie można poznać historię nachylenia fundamentów wieży przedstawioną na rys. 2.
W trakcie pierwszej fazy budowy (1173-1178) do wysokości niewiele ponad trzeciego gzymsu wieża chyliła się lekko na północ. Budowa została wstrzymana na niemalże cały wiek, a gdy znów rozpoczęła się w ok. 1272 r., wieża zaczęła przesuwać się na południe. Prace wstrzymano ponownie około 1278 r., gdy konstrukcja sięgnęła siódmego gzymsu. Na tym etapie nachylenie wynosiło około 0,6° w kierunku południowym. W czasie następnych 90 lat nachylenie zwiększyło się do ok. 1,6°. Po wybudowaniu dzwonnicy około roku 1370 nachylenie znacząco wzrosło. W 1817 roku, kiedy brytyjscy architekci Cresy i Taylor dokonali pierwszych odnotowanych pomiarów przy użyciu pionu, nachylenie wieży wynosiło już 4,9°. W roku 1859 Rohault de Fleury dokonał kolejnego pomiaru, uzyskując wartość znacznie wyższą niż Cresy i Taylor. W okresie pomiędzy tymi dwoma pomiarami architekt A. Gherardesca wydobył grunt wokół fundamentu, tworząc tak zwane catino. Chciał odkryć osiadający fundament. Wykopanie catino poważnie zagroziło stabilności wieży i spowodowało nagły wzrost nachylenia o około 0,5°. Od 1911 r. obrót wieży monitorowany był na różne sposoby (rys. 3).
Długoterminowy, stały wzrost nachylenia przerwany był dwoma zdarzeniami (pierwsze miało miejsce w 1935 r., drugie we wczesnych latach 70.). Pierwsze związane było  z wtłaczaniem cementu w fundament i grunty otaczające catino w celu wzmocnienia gruntu. Drugie zaburzenie wiązało się z odpompowywaniem wód podziemnych powodujących opadanie całej równiny Pizy. Zamknięcie pewnej liczby studni w sąsiedztwie wieży zatrzymało szybki wzrost nachylenia. Mimo  wzrostu zauważonego w roku 1935 i latach 1970-73 oraz kilku mniejszych zaburzeń tempo pochylania się było ustabilizowane i niemal podwoiło się od 1938 do 1993 roku. We wczesnych latach 90. nachylenie wynosiło około 5,5°.
Powołanie pierwszej Komisji ds. Wieży w Pizie założonej przez rząd włoski było konsekwencją zawalenia się wieży dzwonniczej S. Marco w Wenecji w 1902 r. Komisja wykonała liczne badania, których wyniki prezentowane są w specjalnym raporcie ogłoszonym w 1912 r.
Inne Komisje prześcigały się w badaniu możliwych sposobów stabilizacji wieży. W latach 1934-35 fundament wieży i grunt otaczający catino stały się wodoszczelne przez wtłoczenie 100 ton cementu w kamienny fundament i 21 m3 chemicznej zaprawy w grunt. Interwencja zakończyła się sukcesem: zatrzymano napływ wody do catino. Ceną, którą trzeba było za to zapłacić, był jednak nagły wzrost nachylenia wieży.
Około 100 lat po wydrążeniu catino kolejna interwencja, która miała pomóc w stabilizacji wieży, poważnie jej zagroziła. Po II wojnie światowej jasne stało się, że wieża wciąż się przechyla, pomimo podjętych prób ratowania w 1935 r. Później proponowano jeszcze inne rozwiązania w kolejnych latach, ale na szczęście żadne z nich nie zostało wzięte pod uwagę, gdyż wszystkie były silnie inwazyjne i naruszałyby integralność zabytku.
W 1964 roku powołana została nowa Komisja, której zadaniem było przygotowanie dokumentów do międzynarodowego konkursu na projekt i realizację prac stabilizacyjnych. Na czele Komisji stanął prof. Gianluca Polvani, a po raz pierwszy zawierała ona grupę geotechniczną w składzie Carlo Cestelli Guidi, A. Croce, E. Schultze, Alec W. Skempton.
W celu udostępnienia kompletnej dokumentacji Komisja Polvaniego wykonała dalsze badania (geotechniczne, historyczne, konstrukcyjne) i zdobyła ogromną wiedzę na ten temat. Ogłoszenie przetargu nastąpiło w 1973 r. Pięć propozycji: Konoike, Fondile, Fondisa, Geosonda i Impresit-Gambogi-Rodio, zostało ocenionych jako warte uwagi spośród jedenastu zgłoszonych na konkurs, ale żadna z nich nie została nagrodzona. W tym czasie odkryto, że na terenie  Piazza dei Miracoli w Pizie wystąpiło osiadanie gruntu z powodu odpompowywania wód gruntowych. Ten aspekt nie został uwzględniony w przetargu i prawdopodobnie był jednym z powodów niepodpisania umowy. W każdym razie rozwiązania nie były do końca korzystne, bo choć zadowalające z punktu widzenia przetrwania i bezpieczeństwa wieży, wcale nie miały na uwadze integralności obiektu.
W 1989 roku nastąpiło kolejne spektakularne zawalenie się wieży we Włoszech - tym razem Wieży Miejskiej w Pavii. Odnotowano przy tym pięć ofiar śmiertelnych. W efekcie zaczęto poświęcać więcej uwagi bezpieczeństwu wieży w Pizie, a rząd zabronił do niej dostępu turystom.
Zamknięcie wieży spotkało się od razu z silną presją ze strony opinii publicznej z żądaniem ponownego szybkiego otwarcia. Presji nie poddano się, gdyż eksperci do spraw renowacji ostrzegali przed pochopnymi i nieprzemyślanymi odpowiednio decyzjami. Rząd zdecydował powołać kolejną Komisję - Międzynarodowy Komitet Ratowania Wieży w Pizie, kierowany przez inżyniera geotechniki i składający się z historyków sztuki, konserwatorów, inżynierów konstrukcji budowlanych i geotechniki. W ten sposób po raz pierwszy powstała naprawdę interdyscyplinarna grupa specjalistów, mająca za zadanie odkrycie, zaprojektowanie i realizację koniecznych prac stabilizacyjnych.

Badania Międzynarodowego Komitetu
Przekrój wieży w płaszczyźnie największego nachylenia przedstawiony jest na rys. 4. Profil geologiczny i niektóre właściwości gruntu przedstawione są na rys. 5. Pochodzą one z badań prowadzonych przez Komisję Polvaniego, a później ze zintegrowanych i poszerzonych przez Międzynarodowy Komitet Ratowania Wieży w Pizie.
Dokładne badanie zachowania się wieży doprowadziło do konkluzji, że wpływ na nią miała równowaga graniczna , zależąca od sztywności, a nie od wytrzymałości gruntu.
W celu zademonstrowania tego zjawiska można posłużyć się prostym modelem odwróconego wahadła (rys. 6). Wyraża to wzór: FS=Ms/Mo, gdzie FS jest współczynnikiem bezpieczeństwa, Ms - momentem utrzymującym, Mo - momentem wywracającym.
Nawet ten prosty model pozwolił na wyciągnięcie ważnego wniosku, a mianowicie, że wieża w Pizie była w stanie granicznej równowagi . Obserwowano, jaki wpływ wywierają cykliczne zjawiska, np. zmiany temperatury w ciągu dnia oraz zmiany poziomu wód gruntowych.
Stan równowagi granicznej wieży  badano różnymi sposobami, przy użyciu różnych metod, włączając małej skali fizyczne testy przy naturalnej grawitacji i w wirówce, a także wykonano analizy metodą elementów skończonych na bazie różnych istotnych modeli gruntu.
Analiza doprowadziła do wniosku, że stopniowy wzrost nachylenia mógł zakończyć się zawaleniem. Inną niezwykle znaczącą konkluzją był fakt, że zmniejszenie nachylenia, nawet relatywnie małe, może spowodować poprawę stateczności wieży.

Stabilizacja
W pełni świadomie, że potrzeba długiego czasu, by wymyślić, zaprojektować i zrealizować szereg regularnych pomiarów stabilizacyjnych, Komitet podjął wstępną decyzję o realizacji tymczasowych i w pełni odwracalnych interwencji w celu lekkiego poprawienia bezpieczeństwa przed przewróceniem i w celu zaoszczędzenia czasu na właściwe zaprojektowanie i realizację stałego rozwiązania. Obciążenie o wartości 6,9 MN w postaci ołowianych sztabek zostało zainstalowane między majem 1993 r. i lutym 1994 r. na północnej granicy podstawy wieży (rys. 7). Spowodowało to zmianę nachylenia o 48'' i dodatkowe osiadanie na ok. 2,5 mm. Osiadanie i obrót spowodowane przez przeciwwagę (sztabki) zostały obliczone za pomocą metody elementów skończonych. Zgodność między przewidywaniami i obserwacją była zadowalająca, dawała pewność modelu stworzonego za pomocą metody elementów skończonych. Ważne było, że postępujące nachylenie wieży w kierunku południowym zostało zatrzymane. Komitet wyrobił sobie pewny pogląd na temat zachowania się wieży na podstawie interpretacji jej historii, pomiarów odbytych w ostatnim wieku i biorąc pod uwagę zjawisko równowagi granicznej. Po dogłębnej dyskusji wyciągnięto wniosek, że zmniejszenie pochylenia wieży o pół stopnia (1800'', około 10% pochylenia w 1990 roku) mogło być wystarczające, by zatrzymać postępujący wzrost nachylenia i zdecydowanie poprawić warunki stabilności.
Komitet przestudiował szczegółowo niektóre możliwe sposoby zmniejszenia nachylenia i ostatecznie zdecydował się na na wybranie małych objętości gruntu spod północnej części fundamentu.
Spośród wielu zalet rozwiązanie to było idealne dla zachowania formalnej, historycznej i materiałowej integralności zabytku. Testy modelowe małej skali w naturalnej grawitacji i wirówce oraz liczne analizy potwierdziły słuszność przyjętego rozwiązania, zachęcając Komitet do podjęcia eksperymentu na wielką skalę, rozwinięcia wyposażenia i odkrycia procedur technologicznych (rys. 8). Próba zakończyła się sukcesem.
Na podstawie wszystkich wykonanych badań nie można było całkowicie przewidzieć możliwych reakcji ze strony wieży, zagrożonej utratą stateczności, zadecydowano zatem o realizacji wstępnego wydobycia gruntu spod wieży w celu zaobserwowania jej reakcji.
Aby zapobiec wszelkim nieprzewidzianym i niekorzystnym ruchom zabytku, konieczny był system zabezpieczeń. Składał się on z dwóch poziomych stalowych odciągów (rys. 9) połączonych z wieżą na poziomie trzeciej kondygnacji i dwóch zakotwień znajdujących się w odległości około 100 metrów od siebie.
Ustalono, że w razie potrzeby przeznaczy się odpowiedni czas na stabilizację wieży.
System zabezpieczeń został zainstalowany w grudniu 1998 roku, a rozebrany pod koniec prac, nie będąc nigdy potrzebnym w operacji.
Eksperyment wstępnego drążenia odbywał się od lutego do czerwca 1999 roku, kiedy to z dwunastu wykonanych pod kątem otworów wydobyto 7 m3 gruntu, 71% z północnej części wieży, a 29% spod fundamentu. Do czerwca 1999 roku, kiedy interwencja zakończyła się, wieża obróciła się w kierunku północnym o 90'', a do połowy września obrót powiększył się do 130''.
W tym czasie usunięto 3 z 97 ołowianych sztabek i od tej pory obserwowano jedynie nieznaczne ruchy wieży.
Po tak pozytywnych rezultatach wstępnego drążenia Komitet przystąpił do drążenia pełnego. Realizowane było między 21 lutego 2000 roku i 6 czerwca 2001 roku. Polegało ono na wydobyciu z 41 otworów aż 38 m3 gruntu (70% spod catino, na zewnątrz obwodu fundamentu). W tym samym czasie usunięto wszystkie ołowiane sztabki. W czerwcu 2001 roku zdemontowano odciągi. Cel zredukowania nachylenia wieży o 0,5° został w pełni osiągnięty! (rys. 10)
Interwencja ta przywróciła wieży jej pozycję z początków XIX wieku, tuż przed wykopaniem catino (rys. 11). Można potraktować to jako swoistą naprawę nieostrożnego postępowania architekta Gherardeski i zauważyć pewnego rodzaju poetycką sprawiedliwość w leczeniu szkodliwego efektu jednej nieprzemyślanej ekskawacji inną - przemyślaną i dobrze zorganizowaną!
Po wykopach i innych mniejszych interwencjach w czasach obecnych wieża nie porusza się, z wyłączeniem niewielkich cyklicznych przemieszczeń związanych z działaniami środowiskowymi.

Kontrola zmian poziomu wód gruntowych
Poziom wody w mulistych i piaszczystych warstwach na poziomie A (rys. 12) jest trochę wyższy na południe niż na północ od wieży. Ponadto zmienia się to nagle i znacząco - po intensywnych opadach deszczu poziom wody podnosi się i różnica między północą a południem zdaje się zanikać, wywierając na wieży delikatne odchylenie w kierunku południowym. Zostało wielokrotnie zaobserwowane, że podniesienie poziomu wody związane z obfitymi opadami deszczu powoduje niewielki i niemal natychmiastowy obrót wieży w kierunku południowym. Po takim zdarzeniu obrót wieży nie powracał całkowicie do stanu poprzedniego - stopniowo akumulacja takich małych obrotów uważana jest za jeden z głównych powodów stałego wzrostu nachylenia, jaki wieża odnotowała w przeszłości. W celu eliminacji lub złagodzenia procesu konieczne były kontrole ruchów poziomu wód. Dlatego wykonano drenaż na warstwie żwirowej pod catino. Drenaż składał się z trzech studni (A, B i C, rys. 13) wywierconych przy północnej części wieży, około 1 m na zewnątrz obwodu catino.
Pięć studzienek sięgających warstwy drenażowej spod catino zostało wydrążonych z każdej studni (rys. 13).
Studnie połączone są rurą odpływową odprowadzającą zawartość do kanału ściekowego po przejściu przez dwie dodatkowe studnie mające jedynie sens konstrukcyjny.
Drenaż wykonano między kwietniem i majem 2002 roku. Zapoczątkował on późniejszy obrót wieży w kierunku północnym o ponad 100'', jak pokazano na rys. 14.

Podsumowanie
W przypadku Krzywej Wieży w Pizie i ogromnej wartości kulturowej, historycznej i konstrukcyjnej, jaką reprezentuje ten zabytek, olbrzymia liczba badań prowadzonych przez komisję pozwoliła na odnalezienie sposobu zapewnienia bezpieczeństwa i konserwacji na zadowalającym poziomie. Osiągnięcie Międzynarodowego Komitetu Ratowania Wieży w Pizie powinno być odbierane jako etap finalny starań dokonanych na przestrzeni wieku. Zdiagnozowanie utraty stateczności na podstawie interpretacji historii wieży i wybór bardzo delikatnego rozwiązania, w pełni zgodnego z zasadami renowacji, możliwe były dzięki interdyscyplinarnemu składowi  Komitetu. Co prawda, jego interdyscyplinarność utrudniała dyskusje i spowalniała podejmowanie decyzji, ale w efekcie końcowym okazała się bardzo stymulująca i owocna.

                                                               prof. zw. Alberto Burghignoli
                                                         Uniwersytet "La Sapienza" w Rzymie
                                                                 prof. Michał Jamiołkowski
                                                                   Uniwersytet w Turynie
                                                                    prof. Carlo Viggiani
                                                       Uniwersytet "Federico II" w Neapol

                                                                  więcej na www.ebuilder.pl