Boren in boter

In 1993 voerde het instituut, onder leiding van wetenschappelijk directeur prof. dr. F. B. J. Barends, een aantal bemonsteringen uit om de bodem rond en onder de scheve toren in kaart te brengen.

„Wij zijn destijds in beeld gekomen vanwege onze deskundigheid op het gebied van slappe grond”, zegt ir. E. P. van Jaarsveld, die zich bij het Delftse instituut vooral bezighoudt met tunnelbouw. „We beschikken over technieken om monsters te nemen uit slappe bodems zonder die te verstoren, de zogenaamde Begemann-boringen. Als je met een willekeurige grondboor een monster trekt, verandert de pakking van de grond, en vaak valt het zand uit elkaar als je het monster uit de boor verwijdert. Toch is het soms nodig om precies de samenstelling van de ondergrond te weten, bijvoorbeeld voor het ophogen van dijken op een slappe bodem. In Nederland kan de slappe toplaag wel 15 meter dik zijn.”

De speciale monsterbuizen die GeoDelft gebruikte voor de bodem in Pisa zijn lange holle buizen met een diameter van ongeveer 7 centimeter. „Verderop in de buis bedraagt de wanddikte wel enkele millimeters, maar de steekmond is messcherp, met kartels, zodat de verstoring minimaal is. De buis gaat niet met een draaiende beweging de bodem in, maar wordt de grond in gedrukt.”

Belangrijk is vooral de wrijving aan de binnenkant van de monsterbuis. Tijdens het nemen van het monster rust aan de binnenkant van de buis een zuiger op de grond, zodat die niet omhoog kan komen. Bij het indrukken van de buis rolt een kunststof kous met een speciale coating zich af langs het grondmonster, zodat de grond vrijwel geen enkele weerstand ondervindt van de wand van de monsterbuis.

„Dat is het geheim van de smid. We kunnen probleemloos tot 10 of 20 meter diep bemonsteren, zolang het ten minste slappe grond is, doordat we de buis met stukken van 1 meter verlengen. Daardoor zijn we in staat een continuprofiel te maken.”

De monsters uit de Italiaanse bodem zijn ter plekke in een laboratorium geanalyseerd. „We kijken eerst welk type klei het betreft, hoeveel water erin zit, hoe groot de kleideeltjes zijn. Van sommige stukken uit het profiel gebruiken we kleine stukjes om de sterkte en stijfheid van de klei te bepalen. Dat gebeurt in samendrukkingsproeven waarin meet hoe diep en met welke snelheid een gewichtje in de klei zakt.”

Uit de gegevens blijkt dat de toren gebouwd is op een overgangsgebied langs een oude rivierbedding. Het zakken van de toren wordt veroorzaakt doordat de dikte van de kleilaag varieert: naar de rivier toe is de kleilaag dikker, ervandaan dunner. „De kleilaag is de zwakke schakel”, zegt Van Jaarsveld.

„We hebben de gegevens verwerkt tot een driedimensionaal computermodel. Daarin zitten niet alleen gegevens over welke lagen waar lopen, maar ook over de stijfheid en de sterkte van de bodem en de belasting van de toren. Daarnaast weten we uit proefjes die we met de monsters doen hoe zo'n bodem zich in de loop van de tijd gedraagt.”

Barends: „We hebben tientallen monsters genomen rondom de toren, tot een diepte van 14 meter. Onder de toren zitten twee kleilagen, een dunne zandlaag, weer twee kleilagen en dan een dikke zandlaag. De toren heeft geen fundering maar staat direct in de klei. Het is de meest uitgebreid onderzochte fundering ter wereld.” Vorige week had Barends nog contact met Jamiolkowski. „De techniek is bewezen, maar nu is het geld op. Sinds het weghalen van de kleine hapjes grond gestopt is, zakt de toren zelfs weer in de verkeerde richting.”

Van Jaarsveld verwacht niet dat de toren van Pisa ooit zal instorten omdat de bodem inzakt; lang voor die tijd heeft de toren het begeven. „Met een soortgelijk computermodel is gekeken naar de sterkte van de steensoorten en spanningen in de toren. Daaruit blijkt dat bij een overhelling van 6 meter de spanning groter wordt dan de sterkte. De toren is niet gewapend, dus dan knalt hij uit elkaar.”