ости 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.
Но потом прибыли иностранцы.
В 1521 году испанцы захватили Теночтитлан и сровняли его с землей, а затем отстроили город заново на фундаментах ацтекских храмов-пирамид. Они вырубили деревья вокруг озера, чем вызвали глиняные оползни и эрозию, из-за которых озеро обмелело. Уровень воды поднялся, и в XVII–XVIII веках город часто страдал от наводнений, приносящих разрушения и хаос (после наводнения 1629 года город оказался под водой на пять лет). В конце концов озеро засыпали землей, чтобы расширить город, но он по-прежнему регулярно страдал от наводнений из-за высокого естественного уровня воды в почве.
В земле есть определенный уровень, под которым проходят естественные потоки воды, которые насыщают землю: его называют уровнем грунтовых вод. Если выкопать яму в месте, где высокий уровень грунтовых вод, то эта яма довольно быстро будет заполняться водой: таким первоначально и было озеро Текскоко. Если яму заполнить землей – как заполнили озеро Текскоко, – а потом поливать почву водой, имитируя дождь, то постепенно вода начнет скапливаться на поверхности земли (так же как лужи образуются у нас в саду, потому что почва насыщена водой). Так произошло и с Мехико. Озеро заполнили землей, но воде было некуда деться. Когда шел дождь, то почва перенасыщалась влагой, которой в ней и так было много из-за грунтовых вод, и вода скапливалась на улицах города. Наводнения стали контролировать только в XX веке с помощью огромной сети туннелей, по которым уводили избыток воды. Но традиции строительства на столь непредсказуемой и нестабильной земле по-прежнему прослеживаются в современном городе.
Кафедральный собор, Мехико
Стоя во дворе огромного серого Кафедрального собора Мехико, я искала в толпе доктора Эфраина Овандо-Шелли, геотехнического инженера, который, судя по фотографии, носил солнечные очки и одежду цвета хаки и немного напоминал Индиану Джонса. Стройные твердые колонны собора резко контрастировали с изящной резьбой между ними, но по-настоящему мое внимание как инженера привлекли трещины в здании. Я увидела черное пространство, открывшееся в слоях раствора и каменной кладки, а две массивные колокольни по бокам от главного входа казались не совсем вертикальными. Но мои мысли прервал доктор Овандо-Шелли, который явился точно в назначенное время в солнечных очках, поздоровался со мной, дал свою книгу и повел меня к собору на очень необычную экскурсию.
Как только мы вошли в собор (см. карту, точка А), кое-что показалось мне очень странным. Толпы туристов замерли перед величием этого места, а верующие сидели, почтительно наклонив головы, на полированных деревянных скамьях. Но мое внимание привлек пол. Мы двигались к задней части собора, словно поднимаясь в гору. И так и было – из-за неравномерного оседания почвы, которое исторически происходит на этом месте, пол собора поднимается вверх.
Карта Кафедрального собора
Строительство собора началось в 1573 году на фундаменте ацтекской пирамиды. Архитектор Клаудио де Арсиньега знал об особенностях почвы и спроектировал хитрый фундамент. Первым делом он поместил более 22 тысяч деревянных кольев – 3–4 м длиной – в почву, чтобы «сцепить» ее в единое целое. Представьте ящик с песком, в который опустили множество шампуров с заданным рисунком. Если встряхнуть ящик, то песок движется по нему уже гораздо меньше, чем если бы в нем не было шампуров. Колья выполняли не совсем ту же функцию, что сваи, потому что они были рассчитаны не на то, чтобы выдерживать вес собора, а всего лишь на укрепление почвы.
После этого строители возвели поверх кольев массивную кладку. Ее размеры – 140 × 70 м, она примерно той же ширины, что футбольное поле, но в полтора раза длиннее, а толщина около 900 мм. На эту кладку уложили массивные балки – особым орнаментом наподобие вафли – таким образом, чтобы колонны и стены собора опирались на них. Верхняя поверхность балок расположилась на уровне пола собора и распределила вес колонн по кладке, а та, в свою очередь, передала нагрузку земле. Такой тип фундамента (с балками или без) называется сплошным.
Слои, составляющие сплошной фундамент собора
Функция такого фундамента соответствует названию: он покрывает всю поверхность земли под постройкой. При строительстве на мягкой почве главное – не сосредоточивать большую нагрузку на маленькой площади. Это все равно что наступить на глину тонкими шпильками. Многим приглашенным на летние свадьбы знакомо ощущение, когда тонкий каблук тонет в земле, так как он оказывает на нее большое давление (его можно вычислить, разделив силу на площадь поверхности). Обувь на плоской подошве так просто не увязнет, потому что та же сила распределяется на гораздо большую поверхность – по этому принципу работают снегоступы. Таким образом, платформа из кладки выступила в роли туфель на плоской подошве, и вес здания распределился на большую поверхность. Но проблема в том, что иногда земля такая мягкая, что даже распределения веса здания на большой поверхности во избежание точечной нагрузки оказывается недостаточно.
Вероятно, стоит отметить, что ни висячие сваи, ни сваи-стойки не предназначались для поддержки веса здания. Возможно, из-за фундамента древней пирамиды, а может, потому, что инженеры того времени понимали, что если сваи будут доходить до твердого слоя почвы, то собор, наоборот, может начать подниматься. И в самом деле, колонна с Ангелом Независимости в городе Мехико (возведенная в 1910 году) стоит на сваях, и за сто лет к ее основанию пришлось добавить 14 ступенек, потому что она растет относительно улицы. Инженеры в Мехико согласны с тем, что лучше давать городским постройкам медленно, стабильно и равномерно тонуть, чем расти.
Когда собор построили, то верх кладки совпадал с уровнем земли. На фундаменте стояли балки глубиной 3,5 м, а сверху на них опирался уже сам пол собора. Таким образом, изначальная постройка находилась в 3,5 м над землей, то есть инженеры предусмотрели, что здание утонет, и планировали, что к окончанию строительства оно как раз утонет до того уровня, чтобы пол сровнялся с землей. Они надеялись, что здание утонет равномерно и без повреждений. Несмотря на усилия де Арсиньеги, во время строительства, так как на тяжелый камень сверху укладывали тяжелый камень, здание начало тонуть неравномерно. Юго-западный угол собора (на диаграмме левый передний угол) утонул глубже, чем северо-восточный. Чтобы скомпенсировать эту неравномерность, строители увеличили толщину 900-миллиметровой кладки с южной стороны.
Причина того, что платформа осела неравномерно, кроется в том, что у почвы есть свой багаж. Недостаточно просто познакомиться с почвой и спросить, как она себя чувствует, в день начала строительства, а потом предполагать, что какие-нибудь ее переживания из прошлого никак не отразятся на дальнейшем поведении. У нее есть история и характер, которые инженер должен принимать во внимание. Ацтеки построили свою пирамиду как раз в том месте, где находится собор, со временем добавляя почве новые слои, отчасти по религиозным причинам, а отчасти для того, чтобы возместить ущерб, нанесенный поселением. Эта постройка оказала влияние на физическое состояние почвы: некоторые зоны и так находились под давлением, и они уплотнились, а другие, на которые не было нагрузки, остались менее плотными. В тех местах, где новый фундамент опирается на уплотненную почву, он утонул не так сильно, а та его часть, которая построена на менее плотной почве, опустилась гораздо глубже.