Любой местный житель знает, что Венеция — это перевернутый лес. Этот итальянский город, которому 1604 года, построен на миллионах деревянных бревен, вбитых в землю. Лиственница, дуб, ольха, сосна, ель и вяз длиной от 3,5 м до менее 1 м, удерживают каменные палаццо и высокие колокольни на протяжении уже нескольких столетий, являясь настоящим инженерным чудом, использующим силы физики и природы. В большинстве современных сооружений работу этого перевернутого леса выполняют железобетон и сталь. Но несмотря на их прочность, немногие фундаменты сегодня могли бы прослужить так же долго, как венецианский, рассказывает Би-би-си.
Это перевод статьи корреспондента Би-би-си. Оригинал на английском языке можно прочитать здесь.
«Современные бетонные или стальные сваи проектируются с расчетом на [срок службы] 50 лет», — говорит Александр Пузрин, профессор геомеханики и инженерии геосистем в Цюрихском университете ETH.
«Конечно, они могут прослужить дольше, но при строительстве жилых и промышленных объектов стандартом считается срок в 50 лет», — добавляет он.
Венецианская техника строительства на сваях впечатляет своей геометрией, многовековой прочностью и огромными масштабами.
Сколько миллионов свай скрыто под городом, не знает никто, но только под мостом Риальто находится 14 000 плотно сбитых деревянных опор, а под базиликой Сан-Марко, построенной в 832 году, 10 000 дубовых свай.
Как они это сделали
«Я родилась и выросла в Венеции», — говорит Катерина Франческа Иззо, профессор экологической химии и охраны культурного наследия в Венецианском университете.
«Когда я росла, как и все, я знала, что под венецианскими зданиями — деревья из Кадоре [горный регион рядом с Венецией]. Но я не знала, как эти сваи устанавливали, как их считали и забивали, и что баттипали (буквально переводится, как «забивальщики свай») были очень важными специалистами. У них даже были свои песни. Это невероятно интересно с технической и технологической точки зрения», — рассказывает профессор.
Баттипали вручную забивали сваи и пели древнюю песню, чтобы сохранять ритм. Завораживающая и повторяющаяся мелодия с текстом прославляла Венецию, ее республиканскую славу, католическую веру и обещала смерть врагам того времени — туркам.
В Венеции до сих пор используется выражение na testa da bater pai (буквально — «голова, подходящая для забивания свай»), которое в шутку означает, что человек тугодум или недалекий.
Сваи вбивались как можно глубже, начиная с внешнего края конструкции и продвигаясь к центру фундамента. Обычно на каждый квадратный метр приходилось девять свай, размещенных по спирали.
Затем верхушки свай спиливались, чтобы получить ровную поверхность, находящуюся ниже уровня моря. Сверху укладывались поперечные деревянные конструкции — либо zatteroni (доски), либо madieri (балки). Для колоколен использовали балки толщиной до 50 сантиметров. В других постройках — не более 20, а порой и меньше. Самым прочным материалом считался дуб, но он был и самым дорогим. Позже дуб использовали только для строительства кораблей — он был слишком ценным, чтобы вбивать его в грязь. На этот деревянный фундамент рабочие укладывали камни здания.
Вскоре Венецианская республика начала охранять свои леса, чтобы обеспечить достаточное количество древесины для строительства и кораблестроения.
«Венеция изобрела лесоводство», — объясняет Никола Маккиони, директор по исследованиям Института биоэкономики при Национальном исследовательском совете Италии, имея в виду практику культивирования лесов.
«Первый официальный документ по лесоводству в Италии действительно принадлежит Великолепному сообществу долины Фьемме [к северо-западу от Венеции] и датируется 1111 годом. В нем изложены правила использования лесов без их истощения», — рассказывает Маккиони.
По его словам, эти методы охраны природы, должно быть, применялись задолго до того, как были записаны: «Это объясняет, почему долина Фьемме и сегодня покрыта пышным еловым лесом». В то же время такие страны как Англия уже сталкивались с нехваткой древесины к середине XVI века, добавляет он.
Венеция — не единственный город, использующий деревянные сваи в качестве фундамента, но есть ключевые отличия, которые делают ее уникальной.
Амстердам — еще один город, частично построенный на деревянных сваях. Здесь, как и во многих других городах Северной Европы, сваи уходят вглубь до самого основания и работают как длинные колонны или как ножки стола.
«Это работает, если скальная порода находится близко к поверхности», — говорит Томас Лесли, профессор архитектуры Университета Иллинойса.
На берегу озера Мичиган в США, где работает Лесли, скальное основание может находиться на глубине до 30 метров.
«Найти такие большие деревья сложно, не правда ли? Есть истории из Чикаго 1880-х годов, когда пытались вбивать одно бревно поверх другого — как вы понимаете, это не сработало. В итоге поняли, что можно полагаться на трение с грунтом», — рассказывает Лесли.
Принцип основан на идее укрепления грунта путем вбивания как можно большего количества свай, что увеличивает трение между сваями и грунтом.
«Гениальность в том, — говорит Лесли, — что вы как бы используете физику… Вся прелесть в том, что вы используете текучие свойства почвы, чтобы создать сопротивление, удерживающее здания».
Технический термин для этого явления — гидростатическое давление, что по сути означает, что почва «схватывает» сваи, если их в большом количестве плотно вбить в одном месте, — говорит Лесли.
Венецианские сваи действительно работают именно так — они слишком короткие, чтобы достичь коренной породы, и вместо этого удерживают здания благодаря трению. Однако история такого способа строительства уходит еще дальше в прошлое.
Об этой технологии упоминал еще римский инженер и архитектор I века Витрувий. Римляне использовали погруженные сваи для строительства мостов, которые опять же возводились рядом с водой.
В Китае водные шлюзы также строились на сваях, удерживаемых трением. Ацтеки применяли их в Мехико, пока испанцы не разрушили древний город и не построили на его месте католический собор, отмечает Пузрин.
«Ацтеки понимали, как строить в своей среде гораздо лучше, чем пришедшие позже испанцы, у которых теперь большие проблемы с этим кафедральным собором [где пол проседает неравномерно]», — говорит Пузрин.
Пузрин ведет курс для магистрантов в ETH, посвященный известным геотехническим провалам.
«Кафедральный собор в Мехико, как и сам Мехико, настоящий музей под открытым небом всего, что может пойти не так с фундаментами», — добавляет он.
Почему дерево не гниет?
За полторы тысячи лет, проведенных в воде, венецианские фундаменты доказали свою поразительную прочность. Однако они не застрахованы от повреждений.
Десять лет назад команда из университетов Падуи и Венеции (включавшая факультеты лесного хозяйства, инженерии и охраны культурного наследия) начала исследование состояния городских фундаментов, начиная с колокольни церкви Санта-Мария Глориоза деи Фрари, построенной в 1440 году на ольховых сваях.
Колокольня Фрари оседает со скоростью 1 мм в год с момента своего строительства — и сейчас сместилась вниз в общей сложности уже на 60 см..
В сравнении с церквями и другими зданиями колокольни оказывают большее давление на меньшую площадь — из-за чего оседают быстрее и глубже. «Как каблук-шпилька», — говорит Маккиони, участник команды, исследовавшей фундаменты города.
Катерина Франческа Иззо работала на месте, занимаясь бурением, сбором и анализом образцов дерева из-под церквей, колоколен и со стороны каналов, которые в то время были осушены и очищены. Она сказала, что им приходилось быть осторожными, работая на дне сухого канала, чтобы избежать внезапных выбросов сточных вод из боковых труб.
Команда обнаружила, что во всех исследованных конструкциях древесина повреждена (плохая новость), но система из воды, ила и дерева удерживает все это вместе (хорошая новость).
Они опровергли распространенное мнение о том, что древесина под городом не гниет потому, что находится в бескислородной или анаэробной среде. Бактерии действительно разрушают древесину, даже без доступа кислорода. Но действуют они гораздо медленнее, чем грибки и насекомые, которые активны в присутствии кислорода.
Кроме того, вода заполняет клетки, опустошенные бактериями, что позволяет деревянным сваям сохранять форму. Так что даже если деревянные сваи повреждены, вся система — древесина, вода и ил — удерживается вместе под высоким давлением и сохраняет устойчивость на протяжении веков.
«Стоит ли беспокоиться? И да, и нет. Но нам все равно стоит подумать о продолжении таких исследований», — говорит Иззо. С момента сбора проб десять лет назад новых они не собирали — в основном из-за сложной логистики.
По словам Маккиони, неизвестно сколько еще веков простоят эти фундаменты.
«Однако [это просуществует] до тех пор, пока окружающая среда остается неизменной. Система фундамента работает, потому что она состоит из дерева, почвы и воды», — объясняет Маккиони.
Почва формирует бескислородную среду, вода не только поддерживает ее, но и сохраняет структуру клеток, а дерево обеспечивает трение. Без одного из этих трех элементов система рушится.
«Безумно красиво»
В XIX и XX веках дерево было полностью заменено цементом в строительстве фундаментов. Однако в последние годы наблюдается новый интерес к строительству из дерева, в том числе к возведению деревянных небоскребов.
«Сейчас это вроде как модный материал и это вполне оправдано», — комментирует Лесли.
Древесина поглощает углерод, разлагается естественным образом и, благодаря своей гибкости, считается одним из самых устойчивых к землетрясениям материалов.
«Разумеется, сегодня мы не можем строить целые города на деревянных конструкциях, потому что нас слишком много на планете, — добавляет Маккиони. — Но нельзя отрицать, что без искусственных материалов и без двигателей древние строители просто были вынуждены быть более изобретательными».
Венеция — не единственный город с деревянными фундаментами, но это «единственный город, где [техника трения применялась] массово, который до сих пор существует и так безумно красив», — добавляет Пузрин.
«Были люди, которые не изучали механику грунтов и геотехническую инженерию, и тем не менее они создали то, о чем мы можем только мечтать, и что просуществовало так долго. Они были удивительными интуитивными инженерами, которые поступили абсолютно правильно, воспользовавшись всеми этими особыми условиями», — говорит Пузрин.