Tháp nghiêng Pisa

• Thời điểm xây dựng: 1173 - khoảng 1370
• Địa điểm: Pisa, Ý

Tháp nghiêng vươn cao Vòi phun Putti, với nhóm ba putti đang cầm huy hiệu của Pisa, tác phẩm của Giusepe Vaccà, 1764

Hãy hình dung một tháp xây dựng bằng vật liệu mềm như cao su mút, với độ nghiêng chầm chậm và chắc chắn tăng dần đến mức sắp sửa ngã. Khối xây dựng trong tháp dễ vỡ đến mức ứng suất tạo ra do độ nghiêng gia tăng đang đến gần giới hạn độ bền của vật liệu - nó có thể nổ tung bất cứ lúc nào. Sự rối loạn phát sinh từ sự phun vữa hay sự chống đỡ tạm thời tường để gia cố chân móng ở cạnh nhô ra ngoài sẽ là nguyên nhân khiến tháp đổ, trong khi sự chống đỡ bằng cột hay kéo bằng cáp sẽ gây ra sự sụp đổ của khối xây. Đây chính là hình ảnh chính xác của tình trạng hạn chế của Tháp nghiêng Pisa, với sự ổn định thể hiện sự thách thức kỹ thuật xây dựng ở mức cao nhất.

Tháp nghiêng Pisa không chỉ là nơi thu hút một số du khách cáu kỉnh, mà tháp chính là hòn ngọc kiến trúc và mãi là một trong những công trình tưởng niệm quan trọng nhất của châu Âu thời Trung cổ cho dù tháp không nghiêng đi nữa. Tọa lạc ở Piazza del Duomo, tháp chỉ là một bộ phận của khu phức hợp gồm 4 công trình màu trắng bóng quan trọng, gồm thánh đường (Duomo), tháp chuông (campanile - tháp nghiêng), phòng Rửa tội và nghĩa trang (Camposanto). Cũng như các công trình khác ở Piazza, tháp chuông dự định thể hiện sự tự hào và vinh quang đời thường của nhà nước thành bang Pisa thịnh vượng, nên tháp mới có vẻ đẹp độc đáo và bí ẩn như thế.

Chi tiết xây dựng

Tháp gồm 8 tầng cao 58,4m; trọng lượng 14.500 tấn; móng khối xây có đường kính 19,6m; với chiều sâu tối đa 5,5m bên dưới cao trình mặt đất. Móng nghiêng về hướng Nam 5,5 độ so với phương nằm ngang, do đó tầng thứ 7 nhô ra ngoài 4,5m so với tầng thứ nhất. Công trình xây theo hình dạng của một hình trụ rỗng với các dãy cột bao quanh. Mặt trong và ngoài của hình trụ đều ốp bằng cẩm thạch mối nối rất khít khao, nhưng vật liệu giữa các lớp ốp ngoài này chỉ toàn là vữa và đá nên phát hiện có nhiều lỗ rỗng rộng bên trong. Một cầu thang xoáy ốc dẫn lên đỉnh tháp nằm bên trong vách.

Cảnh chụp thánh đường Pisa, cùng với tháp nghiêng phía sau

Lớp đất dưới gồm ba lớp dễ phân biệt. Lớp A dày khoảng 10m, gồm lớp trầm tích bùn xốp hay thay đổi dưới một chỗ nước nông cách đây chưa đầy 10.000 năm. Lớp B là đất sét biển, xốp, yếu nằm bên dưới cách đây khoảng 30.000 năm, sâu đến 40m. Lớp C là cát đặc với độ sâu đáng kể. Nước ngầm nằm ở lớp A có độ sâu từ 1m và 2m. Nhiều lỗ khoan đất xung quanh và ngay cả ở bên dưới, tháp cho thấy bề mặt của lớp B có dạng hình đĩa do trọng lượng của tháp phía trên, qua đó có thể suy luận độ lún trung bình của tháp từ 2,5 - 3m, cho thấy đất phía dưới có thể bị nén đến mức nào.

Số liệu thực tế:

• Biểu đồ tháp nghiêng cho thấy độ nghiêng ngày càng lớn qua các giai đoạn xây dựng.

  Chiều cao từ chân móng đến tháp chuông: 58,4m
• Đường kính chân móng: 19,6m
• Trọng lượng tháp: 14.500 tấn
• Khởi công xây chân móng: ngày 9 tháng 8 năm 1173
• Công trình đình hoãn ở tầng thứ 4: khoảng năm 1178
• Xây dựng đến khói đắp nổi trang trí có hình bậc thang (ở tầng thứ 7): khoảng năm 1272-1278
• Tháp chuông xây dựng hoàn tất: khoảng 1370
• Đào lối đi quanh chân tháp: năm 1838
• Tháp nghiêng về hướng Nam: 5,5 độ
• Chân móng bị lún: khoảng 3m

Lịch sử xây dựng

Tháp khởi công xây dựng vào ngày 9 tháng 8 năm 1173 dưới sự điều khiển của Bonanno Pisano. Vào khoảng năm 1178 khi xây đến tầng thứ tư thì tạm dừng. Lý do vẫn chưa rõ, nhưng công việc tiếp tục với sự vất vả hơn rất nhiều ở lớp B có lẽ không đủ lực chịu tải và tháp như đã bị nghiêng. Sau thời gian tạm dừng gần 100 năm, Giovanni di Simone đề nghị xây dựng vào khoảng 1272, qua khoảng thời gian này cường độ đất sét gia tăng do sự gia cố bằng trọng lượng của tháp. Khoảng năm 1278 xây dựng đến tầng thứ 7 thì lại tạm dừng (nguyên nhân có thể do nội chiến). Chắc chắn tháp đã được hoàn thành trong giai đoạn này thì đã bị nghiêng. Khoảng năm 1360, khi sự gia cố thêm tầng đất sét diễn ra, Tommaso Pisano bắt đầu công trình xây dựng trên tháp chuông hoàn tất vào năm 1370 - gần 200 năm sau ngày khởi công.

Tháp phải nghiêng khi khởi công xây tháp chuông, nhưng cũng đáng lưu ý phần tháp chuông thẳng đứng hơn phần tháp còn lại. Ở cạnh phía Nam có 6 bậc thang trên khối đắp nổi trang trí ở tầng thứ 7 dẫn đến tầng đặt tháp chuông, trong khi ở cạnh phía Bắc chỉ có 4 bậc thang.

Quá trình nghiêng

Có chứng cứ cho thấy sự nghiêng đã bắt đầu ngay khi xây tháp - trục tháp không thẳng đứng mà nghiêng về hướng Bắc. Trong một nỗ lực uốn lại cho thẳng, các khối xây nhỏ dần sử dụng ở cao trình của mỗi tầng để nắn trục tháp cho thẳng. Bằng cách phân tích tỉ mỉ độ nghiêng tương đối của các lớp khối xây, quá trình nghiêng của tháp hiện rõ. Vào cuối giai đoạn đầu tiên, tháp nghiêng về hướng Bắc khoảng 1/4 độ. Lúc đó khi công trình xây dựng đến tầng thứ 4 thì tháp lại bắt đầu nghiêng về hướng Nam, đến mức vào năm 1278 khi xây đến tầng thứ 7, tháp đã nghiêng về hướng Nam khoảng 0,6 độ. Đến năm 1360, độ nghiêng tăng đến 1,6 độ.

Phân tích bằng máy tính cao cấp cho thấy độ nghiêng tăng lên nhanh chóng khi xây đến tầng thứ 7 và lúc thêm vào gác chuông cũng xây dựng giống như tháp bằng gạch ép khuôn trên một thảm xốp.

Sự liên kết cáp an toàn tạm thời ở tầng thứ 3

Có thể xây dựng đến một độ cao cho phép nhất định, nhưng không được cao hơn, cho dù có xây cẩn thận đến đâu chăng nữa. Tháp chỉ ở độ cao cho phép của nó và rất gần giới hạn an toàn.

Năm 1817, hai kiến trúc sư người Anh dùng dây dọi để đo độ nghiêng và phát hiện rằng vào thời điểm này tháp nghiêng đến 5 độ. Vào năm 1838, kiến trúc sư Alessandro della Gherardesca đào một lối đi quanh móng tháp để lộ ra các phần chân cột và các bậc thang của móng có dụng ý ban đầu trước khi tháp lún. Kết quả là nước ùa vào cạnh phía Nam, vì ở đây đào đất nằm dưới mực nước ngầm. Cũng có chứng cứ cho thấy ở thời điểm này độ nghiêng của tháp đã tăng đáng kể thêm gần nửa độ, khoảng 5,4 độ.

Đo đạc chính xác bắt đầu vào năm 1911 cho thấy độ nghiêng của tháp cứ luôn tăng qua mỗi năm, và sau giữa thập niên 1930, độ nghiêng tăng gấp đôi. Năm 1990, độ nghiêng giống như sự chuyển dịch theo phương nằm ngang ở phần đỉnh khoảng 1,5mm mỗi năm. Ngoài ra, tất cả tác động ở tháp đều do độ nghiêng của tháp tính theo độ nghiêng ngày càng nhiều. Chẳng hạn, trong năm 1934 gia cố khối xây ở chân móng bằng cách phun vữa gây ra sự dịch chuyển đột ngột về phía Nam khoảng 10mm và rút nước ngầm ở lớp cát phía dưới trong thập niên 1970 khiến cho tháp dịch chuyển khoảng 12mm. Những phản ứng này khẳng định tháp xây dựng trên nền đất yếu như thế nào, và bất kỳ một phương pháp dùng để ổn định tháp đều phải tinh vi, phức tạp đến mức nào.

Ổn định tháp

Bố trí thiết bị khoan hút đất bên dưới cạnh phía Bắc của chân móng tháp.

Năm 1990, sau khi tháp chuông ở Pavia đổ, cho dù không bị nghiêng, một ủy ban do giáo sư Michele Jamiokowski làm chủ tịch do Thủ tướng Ý thành lập nhằm tham khảo ý kiến và thực hiện công tác ổn định tháp Pisa. Nhiều hội nghị được quốc tế công nhận bàn về công trình tưởng niệm lịch sử vô giá này yêu cầu phải bảo tồn đặt điểm cơ bản của tháp cùng với lịch sử và trình độ thủ công khéo léo. Vì thế bất kỳ sự can thiệp bừa bãi nào đối với tháp phải ở mức nhỏ nhất và kế hoạch ổn định cố định hay chống đỡ nhìn thấy đều không thể chấp nhận được, và trong mọi trường hợp đều có nguy cơ làm tăng sự đổ sụp của khối xây vốn rất mỏng manh này.

Giải pháp tìm thấy là giảm bớt độ nghiêng của tháp ở mức độ nhỏ không nhìn thấy bằng mắt thường nhưng phải giảm ứng suất trong khối xây và ổn định chân móng. Sau nhiều năm nghiên cứu, phân tích và thử nghiệm trên quy mô rộng người ta chấp nhận phương pháp hút đất, bao gồm việc lắp đặt nhiều ống hút đất nằm kế chân móng và ngay bên dưới cạnh phía Bắc của chân móng.

Một số ống khoan nằm đúng vị trí xử lý khâu hút đất

Khởi công vào tháng 2 năm 1999, trong một không khí vô cùng căng thẳng, theo cách tiến hành từng bước một rất chậm, được giám sát thật cẩn thận, từng khối lượng đất không nhiều được lấy ra khỏi lớp A bằng một máy khoan đặc biệt. Do đất xốp, lỗ rỗng hình thành do mỗi lần hút từ từ khép kín lại, kết quả tạo ra sự lún sụt ở bề mặt không nhiều và xoay tháp trở lại hướng Bắc một chút.

Công việc hút đất diễn ra trong 2,5 năm; độ nghiêng của tháp giảm nửa độ. Nếu tháp bắt đầu nghiêng về hướng Nam có thể lặp lại quá trình hút đất ở một giai đoạn nào đó trong tương lai. Ngoài khâu hút đất, cũng tiến hành gia cố một ít khối xây ở những điểm dễ bị hư hại nhất ở cạnh phía Nam.

Ngọn tháp huyền bí, kiều diễm này đã và đang được ổn định khi áp dụng phương pháp tôn trọng và bảo tồn cả đặc điểm lẫn sự tương tác hấp dẫn với tầng đất cái.

Tháp nghiêng nhìn từ phía Bắc, vẫn còn cáp tạm thời gắn chặt trong khu hút cát.
Những dây cáp này là đai an toàn để giữ cho tháp khỏi đổ nếu có bất kỳ sai lầm trong xử lý.