Почему небоскребы Дубая не тонут в песках?

Небоскреб Бурдж-Халифа — самый высокий в мире. В нем сто шестьдесят три этажа, он в два раза выше Эмпайр-стейт-билдинг и в три — выше Эйфелевой башни. Общий вес бетона для фундамента здания составляет сто десять тысяч тонн. Это как две тысячи двести самолетов Боинг семьсот сорок семь, пятьдесят тысяч внедорожников внедорожников, или шестьдесят девять тысяч бегемотов. На строительство ушло двадцать два миллиона человеко-часов. Если бы вы сами строили Бурдж-Халифу, на это ушло бы две с половиной тысячи лет. А теперь представьте, что этот небоскреб медленно погружается в песок.

Небоскребы обычно строятся на твердой земле. Если копнуть чуть глубже под небоскребом в Нью-Йорке, под ним будет каменный фундамент, который может выдержать вес здания. Но если выкопать яму в Дубае, там будет только песок. Теоретически весь город должен был утонуть в песке, но он все еще стоит на месте. Причина, по которой Бурдж-Халифа не тонет, заключается в том, что песок для ее фундамента привезли из Австралии. Да, но ведь Дубай находится в пустыне, и там миллиарды тонн песка!

Верно, но проблема в его форме. В Дубае много пыльных бурь, во время которых песчинки трутся друг о друга, полируются и превращаются в микроскопические шарики. Это делает песок очень рыхлым. И если сжать горсть такого песка, между этими шариками будет много воздуха. А все потому, что они совсем не цепляются друг за друга. Но обычно песчинки имеют форму бриллианта, и если сжать в руке такой песок, то зерна будут давить друг на друга как кусочки головоломки и выдерживать сильное давление. Поэтому инженеры привезли в Дубай миллионы тонн песка, чтобы создать прочную основу для фундамента небоскреба.

Вторая особенность этого типа песка — это трение. Чем оно меньше, тем труднее по нему скользить. Здание будет буквально цепляться за песок своим фундаментом. А теперь давайте заглянем под Бурдж-Халифу. Сначала инженеры пробурили сто девяносто две скважины — каждая глубиной около пятидесяти метров. Это как три вагона метро. Затем в эти отверстия залили бетон и около тридцати девяти тысяч тонн стальной арматуры для усиления конструкции. Они называются сваями. Бетон хорошо противится сжатию, но не любит скручивания или изгибы. К счастью, стальная арматура отлично справляется с его силой.

Песок вокруг свай плотно прилегает к бетону, а трение песка удерживает сваи от дальнейшего погружения. Это все равно что сунуть руку в песок на пляже — она легко пройдет несколько сантиметров, а дальше ее остановит трение. Когда сваи были готовы, пришло время создать основание здания — бетонную подушку. Оно имеет форму цветка с тремя лепестками. Но не столько для красоты, сколько для надежности. Если наступать ногой на рыхлый снег, то нога в него погружается, но если надеть снегоступы, то можно ходить и по снежной поверхности. Все потому, что наш вес распределяется по площади снегоступов. Форма основания Бурдж-Халифы работает так же, равномерно распределяя вес конструкции, чтобы здание не погрузилось в песок.

Когда база была готова, началось строительство самого здания. Оно немного раскачивается, но не волнуйтесь! Это сделано специально, чтобы небоскреб не рухнул. Если конструкция будет слишком жесткой, то в какой-то момент сильный порыв ветра может просто сломать ее у самого основания, и здание упадет. Поэтому все небоскребы делаются немного гибкими. Когда ветер дует, все здание наклоняется, и это создает нагрузку на одну из сторон фундамента. Но бетон имеет тенденцию слегка сжиматься, ослабляя эту силу. Затем бетон снова разжимается и возвращается в нормальное состояние. При сильном ветре шпиль Бурдж-Халифы может раскачиваться на два метра.

Недавно архитекторы придумали для Дубая еще более безумную идею — вращающееся здание. Каждый этаж небоскреба будет вращаться на триста шестьдесят градусов. Внутри него планируется установка жесткого стержня, удерживающего вес здания. Затем к этому стержню прикрепят этажи. Жители каждого этажа смогут выбирать направление и скорость вращения. Так что строить на песке довольно просто. Сложнее возводить небоскребы на Манхэттене. Хоть там и есть порода, способная выдержать небоскреб, она находится под землей на глубине десяти этажей. Поэтому инженеры придумали гениальное решение.

Колодцы. Сначала на землю укладывается бетонное кольцо, и под ним выкапывается яма. Мягкий грунт удаляется, и бетонное кольцо начинает проседать под собственным весом. Затем поверх него строители кладут еще одно кольцо и продолжают копать. Одно за другим кольца опускаются все ниже, а небольшой кран помогает поднимать почву на поверхность. По сути, получается вертикальный туннель. Когда колодец достигает твердой породы, он заполняется бетоном — и несколько таких мощных свай поддерживают большой небоскреб.

Гораздо сложнее создать фундамент здания в сейсмически активной зоне — там, где часто происходят землетрясения. Впрочем, защитить от них здания довольно просто. Как и при сильном ветре, здание должно быть гибким, так что давайте взглянем на фундамент такой конструкции. Старые добрые сваи выдерживают вес небоскреба. Но бетонная площадка самого здания стоит на огромных пружинах. Во время землетрясения земля движется из стороны в сторону. Но пружины ослабляют и компенсируют сдвиги, и здание остается стоять на месте.

Кроме того, инженеры окружают здания в зонах землетрясений подземными бетонными кругами. Итак, вот небоскреб и его фундамент. Вот одно кольцо вокруг него, а вот другое. Во время землетрясения эти кольца ослабляют силу колебаний. И если вокруг колец все похоже на сильные волны, то внутри периметра это выглядит как спокойная бухта. Другой вариант — укрепить здание стальными балками, как на опорах для мостов. Тогда на каждой балке устанавливаются маленькие цилиндры. Каждый цилиндр заполнен маслом и имеет поршень. Когда во время землетрясения здание начинает раскачиваться, поршень сжимает масло в цилиндре, и оно превращает механическую энергию от раскачки в тепло. И так гасит энергию землетрясения.

Иногда здания приходится строить в местах с водянистой почвой. Если просверлить там отверстие для сваи и заполнить его бетоном, вода смоет цемент или не даст ему затвердеть. В таких случаях воду нужно замораживать. Для этого на строительной площадке делаются небольшие буровые отверстия. Затем в эти отверстия вставляются трубы, и создается общая система труб. Это примерно так же, как в холодильнике — трубы находятся под внутренней обшивкой, внутрь закачивается жидкий азот. Вода отдает все тепло азоту и начинает замерзать. Тем временем рабочие успевают залить отверстия в сваях бетоном.

Но лед занимает больше места, чем вода. Поэтому, когда он тает, земля проседает. А что, если нужно построить город на воде? Такой, как Венеция? Тогда понадобятся длинные сваи. В Венеции использовались деревянные. Сначала нужно было добраться до дна лагуны. А затем продвинуться еще на несколько метров глубже в глинистой почве до твердых пород. Такие сваи вбивались по всему периметру будущего здания. А само сооружение строилось так, что большая часть его веса приходилась на внешние стены. Если нырнуть в Венеции под воду, можно увидеть сотни тысяч таких свай.

При строительстве моста задача усложняется. Кроме прочного фундамента, нужно учитывать тепловое расширение. Правило простое — при нагревании все расширяется, а при остывании — сжимается. Например, на железной дороге между каждым рельсом есть зазор. Стук колес, который мы слышим в поезде, рождается именно в зазорах. При нагреве рельсы расширяются, и это создает внутри металла напряжение. Тогда рельс изгибается вбок или вверх, как червяк. Но если предусмотрены зазоры, то при расширении металл заполнит именно их пространство. А мост такой же, как и рельс: в жаркую погоду он может расширяться, поэтому в нем специально оставляют пустоты — их можно увидеть на его поверхности. Обычно они покрываются листом металла, похожим на расческу. Когда мост нагревается, гребни собираются вместе.