Город Мехико, построенный на озере
Когда меня пригласили в Мехико рассказать о своей карьере и проектировании высотных зданий, я не упустила эту возможность, отчасти потому, что мне хотелось посетить там много разных мест: Национальный музей антропологии, парк Чапультепек, древние пирамиды Теотиуакана и, конечно, Торре-Латиноамерикана, когда-то самый высокий небоскреб в Мехико и по-прежнему одно из лучших мест, где можно насладиться видом на бескрайние просторы мегаполиса. Естественно, мне также хотелось изучить уникальную почву, на которой стоит город, и ее странное воздействие на здания.
В инженерии то, что находится под поверхностью, так же важно, как то, что мы видим снаружи. Ведь можно построить большое красивое здание (то, что мы видим над землей), но если его не поддерживает хорошо спроектированная устойчивая структура (то, что находится под землей), если слои и состояние почвы, на которой мы строим, изучили недостаточно, если этой почвой не пользоваться соответственно, то и все здание не будет устойчивым. В результате может получиться падающая Пизанская башня. (Я бы и хотела, чтобы туристы приходили смотреть на мое здание, но уж точно не потому, что оно падает.) Я знала, что в Мехико условия для строительства одни из самых сложных в мире из-за его почвы, – к тому же там еще наблюдается сейсмическая активность, поэтому решила, что эта поездка – потрясающая возможность услышать от самих экспертов, как им удается сохранять устойчивость городских зданий.
Место закладки города определило видение. Ацтекам явился их бог Уицилопочтли (бог войны и солнца) и велел переселиться с высокогорного плато на новое место, а столица должна находиться там, где они найдут орла со змеей в клюве, сидящего на верхушке кактуса нопали (это изображение стало эмблемой их национального флага). Ацтеки начали поиски и примерно через 250 лет нашли орла из божественного предсказания. Тот факт, что орел сидел на крошечном острове посреди озера Текскоко, их, кажется, не беспокоил (хотя я легко могу представить, как инженеры их племени проклинают свою новую водную строительную площадку на чем свет стоит).
Теночтитлан, что означает «место кактуса нопали», был основан в 1325 году. В период своего расцвета это был прекрасный город с плодородными садами, каналами и величественными храмами, а его правители повелевали обширными землями. Чтобы соединить город-остров с сушей, ацтеки построили три большие дамбы, забив бревна вертикально в озеро, а сверху насыпав землю и глину, чтобы получилась дорога. Сейчас эти дамбы служат основными дорогами, проходящими через исторический центр города.
Сваи, на которых здания держатся в мягкой почве
Эти бревна – пример свай. Они бывают разных форм и размеров, но устроены по общему принципу: это колонны, погруженные глубоко в землю, которые поддерживают постройку наверху. Если земля слишком мягкая и недостаточно сильная, чтобы выдержать вес постройки, сваи распределяют этот вес таким образом, что почва не испытывает чрезмерной нагрузки. Древние племена использовали стволы деревьев, а современные сваи, на которых держатся более крупные строения, обычно представляют собой бетонные столбы цилиндрической формы или, реже, стальные трубки или столбы в форме буквы «Н» или трапеции. Фундамент здания закладывают поверх свай, и он соединяется с ними стальными плитами.
Сваи могут направлять силы в землю двумя способами: через трение между поверхностью сваи и почвы (висячие сваи) или напрямую через основание (сваи-стойки). В зависимости от веса и типа строения на поверхности свай может быть разное количество, и они могут быть разной длины в зависимости от сил, которые на них действуют, и типа почвы, в которую их погружают.
Висячие сваи работают за счет силы трения между поверхностью сваи и почвой, в которой они распределяют вес постройки. Чем больше свай, тем больше площадь их поверхности в контакте с почвой и тем больше трения. Эта сила трения сопротивляется весу: если взглянуть на нее с точки зрения третьего закона Ньютона, то это сила, направленная вверх и возникающая как противодействие силе притяжения здания, направленной вниз.
Иногда почва слишком слабая для создания трения, и тогда используют сваи-стойки. Их делают достаточно длинными, чтобы они погружались в более глубокий и более плотный слой почвы. Нагрузка в сваях воздействует на их основание и переходит в землю.
На самом деле, сваи не обязательно должны быть либо висячими, либо стойками: они могут выполнять обе функции. Некоторые виды почвы, например глина, хорошо взаимодействуют с помощью силы трения и крепко держат сваи. Но если нагрузка слишком большая, а места недостаточно, то одной силы трения для сопротивления недостаточно. В этом случае сваи можно сделать настолько длинными, чтобы они доставали до более плотного слоя грунта. В Лондоне, например, весьма компактный слой песка глубиной около 50 м, который мы проходим насквозь для укрепления крупных зданий.
Инженерам важно рассчитать, сколько для строительства нужно свай и какого размера. Мы основываемся на отчете об исследовании почвы, в котором сказано, какие слои находятся под местом постройки и насколько они глубокие и плотные. Тогда, если я пойму, что одного бетонного фундамента недостаточно, чтобы здание не утонуло, я предпочту сваи. С помощью информации в отчете – и геотехнических инженеров – я могу рассчитать, насколько глубоко нужно поместить сваи, чтобы они зашли в твердый слой почвы, и каковы свойства всех слоев при трении.
Затем мне нужно выбрать диаметр. Свая меньшего диаметра лучше тем, что она дешевле и легче устанавливается, но она может оказаться недостаточно сильной. У сваи большего диаметра больше площадь поверхности, что увеличивает силу трения. Площадь ее основания тоже больше, а значит, и сама свая сильнее. С помощью расчетов я нахожу нужный компромисс. Я выбираю диаметр, рассчитываю, сколько нагрузки придется на одну сваю с выбранной длиной, а затем делю общий вес здания на силу, которую выдерживает одна свая, и получаю число свай, которые понадобятся. Если это количество свай можно разместить под фундаментом, то мы переходим к следующему шагу. Если нет, то я увеличиваю размер сваи и делаю расчеты заново. Для постройки 40-этажной башни возле Олд-стрит в Лондоне мы изготовили около 40 свай диаметром от 0,6 м до 0,9 м, и некоторые из них, в местах наибольшей нагрузки, были длиной более 50 м. Многие современные небоскребы стоят на сваях, которые работают на одном только трении (если почва достаточно хороша и выдерживает нужную нагрузку). Но эта башня стоит и на висячих сваях, и на сваях-стойках, потому что лондонская глина до определенной глубины довольно слабая.
Поместить сваи в землю – очень непростая задача. Огромные сваи стало возможно устанавливать совсем недавно благодаря современной механизации. Обычно сваи устанавливают с помощью буровой установки, напоминающей гигантский штопор, который закручивают глубоко в землю, затем вынимают вместе с почвой, а полученное отверстие заполняют бетоном. Когда бетон еще сырой, в него погружают стальную клетку, чтобы усилить сваю. Многие столетия, еще до механизации, большинство инженеров просто забивали сваи в землю, как это делали ацтеки на озере Текскоко. С инженерной точки зрения их постройки были успешны и уверенно простояли еще два столетия.
