理論是經驗清晰的表達。

——Karl von Terzaghi

1939年5月2日, Terzaghi在倫敦土木工程師學會舉辦的第45屆James Forrest講座發表了演說。彼時，Terzaghi成果的價值已經逐漸為人認可，而英國卻在土力學方面的研究進展緩慢。

Terzaghi的講座題為“土力學—工程科學的新篇章”，將土力學建立之前的土木工程設計與利用了土力學知識的當代設計進行了對比。Terzaghi的演講充滿雄辯，卻又不失簡潔，完整地表達出了所思所想。

他的演講受到了聽眾最熱情的款待。

另外，他在演講中對土力學也提出的一些預見，其中部分今天已經得到了實現。以下為Terzaghi的演講全文。
注：本文整理自Terzaghi, K., Institution of Civil Engineers (Great Britain). (1969). Soil mechanics - a new chapter in engineering science.

自Wiliam Anderson博士以一篇關于《抽象科學和工程之聯系》的精彩演講拉開了James Forrest系列講座的序幕，將近半個世紀過去了。承蒙學院秘書長的好意，我有機會拜讀了Wiliam Anderson博士的講座文章。在我閱讀完這篇鼓舞人心的文章后，我意識到，在我自己的演講中，我力所能及的，僅是在Anderson博士精辟的闡述中，再增加一個小細節罷了。這個小細節即土力學。

在Anderson博士的時代，研究工程問題的科學方法主要是建立一個可靠的知識庫，以了解我們的建筑材料(如鋼材和混凝土)的力學性能，并將這些知識應用于結構工程。然而，工程科學的研究卻一直受到諸多阻撓。Anderson毫不猶豫地對這些阻撓力量發表了他的見解。他說:“在科學研究的歷史上，有許多發現，起初都是被認為沒有實際價值的，但最終卻被證明是工程師的無價之寶。盡管過去有許多這樣的經驗，然而直至現在(1893年)，還有一些所謂的“實干家”，他們完全不能容忍把時間或金錢花在無法立即產生效益的研究上?！?br>
從那時起，結構工程在與阻撓力量的斗爭中發展，并成為了一門成熟的學科，并最大限度地消除了“拍腦袋”和所謂的“天災”。因此，工程科學的開拓活動已經從它們大獲全勝的結構工程領域，逐漸轉移到尚是一片空白的領域。其中的一片領域位于結構工程成果的底部。它就是巖土。

年復一年，工程期刊持續報道了工程因無法預測土體行為而付出的昂貴代價。在那些失敗的工程設計中，還隱藏著許許多多的意外事件，因為無知和虛榮是相伴而生的。不到10年前，在一次會議上，一個著名工程學會的基礎委員會決定，在公眾討論中應盡量避免使用"沉降"一詞，因為它可能會造成非專業人士的恐慌。即使在今天，要了解地基或水壩的工程真相也非常困難，盡管它們已經成為了工程事故多發地。正因這些令人沮喪的事實，促使了世界各地有進取心的工程師把科學研究的探照燈從上層建筑轉向了地下這個前人所未發掘，深邃的黑暗空間。這項運動大約25年前在幾個國家同時開始，其成果被命名為“土力學”。與結構力學相似，它既涉及到材料的力學性能，也涉及到這些材料在工程問題中的應用。1936年，在馬薩諸塞州哈佛大學舉行的第一屆土力學與基礎工程國際會議上，這門新生的科學正式命名。

一門工程科學的價值是由它在工程師實際應用中能發揮多大作用所決定的。所以，為了判斷土力學的價值，現在讓我們根據經驗和對巖土體力學現象的理論洞察，將戰前方法（第一次世界大戰）的可靠性與今天的理論方法進行比較。我們將討論的主題是:土的側向壓力、邊坡穩定性、大壩的管涌事故，以及淺基礎、深基礎的沉降。在處理這些問題時，我將首先簡要回顧過去的做法及其缺點，然后我將討論這些缺點的原因，最后我將介紹在過去幾十年中取得的改進成果。

土的側向壓力

從上個世紀到現在，土對側向支護(如擋土墻或基坑內支撐)的壓力是根據庫侖理論和朗肯理論的其中一種計算出來的。根據經驗和實驗結果，我們知道庫侖理論的有效性在實際條件下比朗肯理論更容易滿足。因此，下面的討論將局限于庫侖理論。為了簡單起見，我們假設擋土墻后的回填土是無粘聚力的砂土。

庫侖的理論早在1773年就已提出?；诮涷炇聦?，基坑邊坡的破壞是由于沿滑移面的土體下滑剪切力超過抗剪承載力而發生的，如圖1（a）、圖1（c）所示，滑移面從基坑底部開始發展，并逐漸向上貫通至回填土表面。

 

如果墻體向遠離填土的方向屈服，如圖1（a）所示，則滑裂邊坡的坡角將大于45°，對應的側向壓力稱為“主動土壓力”。另一方面，如果墻體是被迫向填土方向移動破壞，則滑裂邊坡的坡角則會小于45°，如圖1（d）和圖1（e）所示，產生這種類型破壞對應的側向壓力稱為“被動土壓力”。

 

采用庫侖理論計算土壓力時的假定如下：
1.單位面積的抗剪承載力s，在任意截面均等于：
s = ptan? （1）
其中，p為計算截面上單位面積的正壓力，?為土體的休止角。
2.滑動面為完全理想平面。
3.滑動面上土體的抗剪能力均得到了充分發揮。

這三個假設使計算土的側向壓力成為可能，但它們不足以確定土壓力作用點的位置。為了獲得關于這一點的信息，庫侖不得不補充他的假設:

4.在圖1所示的滑動楔形體abc的每一點上，土的應力狀態都對應為“極限平衡狀態”。這個假設自然地引出以下結論：如果側向支護結構的背面和回填土的表面都是平面，則滑動楔體內將出現均勻破壞狀態，其作用在支護結構背面的側向壓力模式則為類似靜水壓力的分布。相應的土壓力作用點位于墻體高度的三分之一處。

基于這四個假設，庫侖推導出了他著名的土側壓力計算公式。然而，工程師們在實踐中很快就發現這個理論還是十分不充分，在面對很多問題時仍不能給出滿意的答案。沒有考慮砂土密實度對土壓力的影響;它不能解釋在內支撐附近的土壓力為什么不呈靜水壓力分布模式;它不能考慮在暴雨狀態下，擋土墻背排水性能對土側壓力的影響;對于在現場的施工人員來說，還有許多其他熟悉的問題。然而，一個多世紀以來，土壓力計算的進展卻一直局限于用更方便的圖解方法代替庫侖公式的數值計算。理論和現實之間經常發生矛盾的原因仍然像當初一樣模糊不清，教科書里把理論土壓力的預測在什么情況下，以及在什么程度上是準確的問題，留給了工程師靠經驗來決定。這意味著一個多世紀以來，該理論的實際應用和賭博沒啥兩樣。

這種令人不滿意的狀況直到大約20年前才有所改變，當時工程專業的進步人士似乎已對古典理論失去了耐心。引發變革的原因很簡單:人們希望知道理論與實踐產生矛盾的根源。研究理論本身是沒有價值的，因為它完全是建立在力學定律的基礎上的；這些理論的準確性也不例外。因此，理論與現實之間存在矛盾的根源只能存在于庫侖理論的基本假設(1)-(4)中。隨后對基本假設的研究得出了以下結果。

通過實驗發現，式(1)中?的值與砂的休止角不相等，除了處于松散狀態的干砂。砂的休止角大概在34°左右，與休止角不同，根據密實度的不同，砂的內摩擦角的值則可以低至休止角，高至大于40°。當我第一次發表這一結論時，一名專家指責我的理論基礎不充分。他說，這一結論肯定是錯誤的。然而在這之后，由于我們的土工測試方法迅速發展，密實度對摩擦角值的影響已經成為了一種普遍的經驗，現在的每個實驗者都認為這是理所當然的。

地下水的存在對砂土穩定性和側向壓力的影響，大多數工程師都是通過假設水使式(1)中?的值降低6°或以上來考慮的。與這種普遍的觀點相反，實驗確定了這樣一個事實:毫無疑問，水對砂土的?值的影響實際上為零。水對穩定和壓力的已知影響的原因僅僅在于水壓力uw會令式（1）中的法向壓力減少。由于水不能受剪，水的存在使飽和砂土沿滑動面的剪切阻力由經典方程(1)確定為

s = (p-uw)tan? （2）
因此，式（2）可以不用考慮所謂的水對砂產生的“潤滑效應”（實際上不存在）。uw的值等于水的單位重量γ，乘以水在測壓管中上升到的高度h。在式(2)中將γh的乘積代入uw，得到
s = (p-γh)tan? （3）
式(3)還解釋了暴雨對墻背排水的擋土墻細砂側壓力的影響。這種效果如圖2所示。覆蓋整個墻體背面的排水層通過位于墻體底部的排水孔排出積聚的水。

在潮濕的氣候條件下，由于水被毛細管力保持在土體的空隙中，蒸發速率非常低，因此墻后回填土將會始終處于非常潮濕的狀態。然而，如果將水位管(如圖2中的S所示)在氣候干燥期插入這種土層中，那么水位管內的水將不會上升。這將會導致γh =0。因此，在干燥期，雖然土層的孔隙幾乎完全被水填滿，但式(1)仍然有效。然而，一旦暴雨開始，土體的部分飽和狀態就會變成完全飽和狀態。雨水將侵蝕回填土的表面，并通過回填土滲透到垂直排水溝中。一般的滲流計算公式可以計算出水粒子所經過的路徑（流線）。在圖2中，這些曲線用帶有箭頭的平面曲線表示。用虛線表示等勢面的相應曲線。根據水力學規律，暴雨將會使d點的水位升高至d’點，即等勢線dd’與墻后排水層的交點。因此, 水位管的水壓力將會在暴雨前的0，增加到暴雨期間和暴雨后一段時間的γh?；瑒用娴耐馏w的法向壓力p幾乎保持不變。因此，由式(2)可知，暴雨將導致沿滑動面產生的剪切阻力暫時減小，從而導致側向土壓力暫時增大。這可以使側向土壓力比原來增大35%。為了避免這種不良影響，我們必須調整排水層的位置，例如在“滑裂楔體”內，來增強水在豎直方向的移動。這將導致流線的分布在水平向會發生變化。

因此，我們的探究其實已和庫侖理論的第一假設產生了根本性的不同。它消除了一些已知的理論和現實之間的矛盾。它證明了在水和砂土之間不存在“潤滑效應”，而且有助于建立一種既符合水力學規律又符合所涉材料物理性質的概念，從而為理解和控制水對土壓力的影響開辟了道路。這必須被認為是一項非常重要的成就，因為在工程實踐中，與土相關的難題幾乎完全不是由于土壤本身引起的，而是由于其空隙中所含的水。在一個沒有水的星球上，就不需要土力學。

根據庫侖理論的第二基本假設，滑動面應為平面。在庫侖的年代，人們已經認識到滑動面是彎曲的,但對此產生的誤差的認識還很有限。少數考慮了彎曲滑動面的案例僅局限于一些特殊情況，沒有太大的實際意義。在這方面的理論一直毫無進展,直到近15年來，Karman, Jaky, Ohde等通過努力作出了有效的成果。通過先進的分析方法，這些研究都得出了主動和被動兩種情況下的滑動面的真實形狀，在滑裂楔形體的每一點上都處于極限平衡狀態的假設下。結果如下:兩種情況下，滑動面均由彎曲的下半部分和平面的上半部分組成，如圖1 (e)所示為被動壓力。

對于主動壓力，由于假定滑動面為平面而產生的誤差從不超過3%，這是可以忽略不計的。但是，對于墻背粗糙的圍護結構受到被動壓力的情況，誤差可能大于30%。所提到的研究成果所使用的精確方法對于實際用途來說過于復雜。然而，一旦確定了考慮被動壓力作用下填土滑動面彎曲的必要，就很容易求得一個近似的方法來解決這個問題。其中一種的近似方法是利用對數螺線來模擬彎曲的滑動面，這種方法造成的誤差不會超過3%。因此，古典土壓力理論中一個很重要的缺陷也被修復了。

根據第三種假設，滑動面上土體的抗剪能力均得到了充分發揮。在天然土層中，或在剛性墻體背后的回填土中，正常狀態下的剪應力與破壞狀態下的剪應力相比是很不顯著的。因此，庫侖理論的第三個假設只有在滑動楔體(圖1 (a)中的abc)得到一個與擋墻破壞之前的變形相對應的橫向膨脹的機會時，才能滿足。對于擋土墻來說，楔體膨脹量的確定只能與墻體的水平變形、開挖過程中工作面的回彈變形以及支撐的壓縮變形相結合來實現。土體充分發揮抗剪能力所需的變形量是由基坑的深度和土體的彈性力學性質來確定的。

對于相當密實的砂土和砂質土，抗剪能力發揮所需的變形量很小，不超過基坑深度的1%。因此，在實際應用中，庫侖假設可以在支護結構沒有大變形的情況下得到滿足。這一經驗事實使一些膚淺的研究者得出結論:土體的抗剪能力的發揮根本不需要任何變形。
另一方面，對于軟粘土來說，所需的變形量大于擋土墻所能承受的變形量，并且遠遠大于內支撐在不發生屈曲的情況下的壓縮變形量。此外，通過對粘土物理性質的研究，可以明顯地看出，支護土體的剪應力在沒有外部條件發生變化時，會隨時間的推移而變化。結合這些事實來看，它們排除了將任何類型的土壓力理論應用于計算軟粘土土壓力的可能性，過去一個世紀在這方面所抱的任何希望都必須埋葬。軟粘土側向土壓力只能從經驗中獲得，在實際中測量不同基坑的土壓力，并將結果與所研究土體性質的完整定量數據相關聯，才能獲得有效的側向土壓力數據。這種測量數據目前還很缺乏。因此，我們對此的認識是相當不足的，工程師設計時，可以選擇賭一把，或設定一個保守的安全系數。

庫侖理論的第四個也是最后一個假設是：滑動楔形體abc的每一點上，土的應力狀態都對應為“極限平衡狀態”。這代表了支護結構墻背側壓力三角形分布的條件，如圖1 (a)所示，對應的土壓力作用點位于支護結構高度H的三分之一處。

隨著對土體力學性質認識的不斷加深，人們逐漸認識到庫侖理論第四假設所規定的破壞類型只是工程實踐中存在的多種可能性之一。在力學角度上來看，整個楔體不會同時發生破壞，除非支護結構在其下邊緣附近發生傾斜而屈服。在其他的例子中——如圖1 (b)所示, 繞支護結構的上邊緣附近發生傾斜會產生屈服——破壞始于楔形體下部(陰影部分)的崩解，并與沿滑動面向上發展。結果，靜水壓力分布模式的條件不復存在。土體不再把它的重量傳遞到楔體的下部，而是通過土拱效應由滑動面和墻背進行支撐，其結果是，下部的土壓力轉移到支護結構的上部，導致土壓力增加。

土拱效應還影響滑動面的形狀。與平面相比,滑動面呈現出更為明顯的彎曲特征,如圖1(b)中的線段ac1所示。對這一特征，可以理解為此時的土壓力分布為近似拋物線,土壓力的作用點位于基坑深度的二分之一處。在工程實踐中，最接近這種類型的情況應該是在砂土地層中的木結構基坑。

我第一次(大約4年前)在教室外向聽眾解釋這一理論時，人們都懷著善意接納了。幸運的是，這些討論引起了西門子Bau聯盟代表的興趣，該組織多年來一直致力于在砂土地基中修建地鐵?？紤]到這個問題的實際重要性，該公司決定在一個360英尺（110m）長，約40英尺（12m）深的基坑中測量土壓力。試驗選取了10個不同的斷面上進行研究，結果如圖3所示。

盡管與理想的拋物線有著一定的偏差，結果還是非常一致的。在每一個斷面中，土壓力作用點位置都位于0.45H到0.55H之間。利用測量的土壓力反推計算，這些土壓力對應的內摩擦角為40°。這個值相當于同類型情況下處于最密實狀態的砂。因此，我們的結論是合理的，如圖3所示的壓力分布，是在砂土地基充分發揮抗剪性能下產生的。最近Lazarus White在紐約的一個細砂地層基坑中發表了類似的測量成果。他測得的土壓力分布模式并沒有與圖3的模式有本質上的不同。因此，圖1 (b)所示的理論結果經受住了與工程實際對比的嚴格考驗。

如果支護結構在上下兩端被固定住,在中部因過大的位移發生破壞，即類似于圖1(c)的破壞模式,在滑裂楔體abc的上部除了存在常規的土拱外，橫向還會發生另一種土拱，類似于在砂層中設置活板門上方的土拱。兩種土拱結合之下，得到的土壓力分布則會呈現出圖1（c）右側圖所示的特征。

這種側壓力產生的彎矩比靜水壓力分布下的土壓力產生的彎矩小得多。丹麥工程師在十多年前就認識到這種特殊的壓力分布的存在，因為哥本哈根沿海存在著許多古老的駁岸，如果它們受到的彎矩作用是在靜水壓力模式下土壓力分布產生的，就會出現倒塌。后來，這些發現被倫敦的Stroyer的實驗調查所證實。丹麥工程師的發現也納入了丹麥相關駁岸設計規范。這些規范避免了在設計假定中采用靜水壓力分布模式造成的浪費。

上文對最近有關土壓力理論發展所作的總結還遠未完成，但它可能有助于揭示現在已取得了何種成果。20年前可用來處理土壓力問題的方法都是建立在假設的基礎上的，而這些假設在實際條件下很少得到滿足。適用性的界限幾乎是未知的，因此任何實際應用都具有賭博的特征。今天，這些方法已被一種通用的程序所取代，該程序包括各種實際情況，除了涉及粘土壓力的情況。使這一程序適應現有條件的規則已經確立。理論和實踐間的沖突已經被打破。

對于粘土，我們知道，在實際條件下，假設其充分發揮抗剪能力的要求是不合理的。因此，處理粘土地基土壓力的問題已遠超出了一般土壓力理論的范圍。在今后處理這些問題時，我們必須在時刻記著我們對此還一無所知，并通過現場的系統測量和試驗積累的可靠經驗之間作出選擇。

所有這些重要的改進都已實現，因為人們發現，土壓力的大小和分布所依賴的因素要比古典理論的提出者所預期的要多得多。一旦認識到這些因素的存在，就很容易對理論進行相應的修正。類似地，所有其他領域的土方工程和基礎工程都進行了相關的研究，以權衡被忽略因素的重要性。這些研究成果的革命性絲毫不亞于經典土壓力理論領域的研究結果。

邊坡穩定性

與土壓力密切相關的是與邊坡穩定性有關的問題。在舊的土木工程教科書中，這門課沒有過多的篇幅，因為它被認為太簡單了。規定回填土和基坑邊坡的坡度應略小于土體的休止角，這就足夠了。不同類型土層的休止角值被匯總到表中，而不考慮自然界中每一種粘性土-實際自然界中大部分土都是粘性的-均可依靠其自身土性在一定高度下直立開挖。

考慮到選擇邊坡坡度所依靠數據的任意性，大自然偶爾抗議這種違反自然規律的行為也就不足為奇了。例如，大約20年前瑞典南部的情況就是這樣。在相當短的時間內，該國的鐵路沿線發生了幾次嚴重滑坡，其中一次造成41人死亡。為了避免這類事故的進一步發生，鐵路管理局任命了一個委員會，包括Fellenius和Olsson等人，調查現有邊坡的安全性，并提出消除危險的解決方案。該委員會的研究報告發表于1922年。它記載有滑坡現象和當時出現滑坡對應的地層的最完整的分析。報告的結論揭示了在危險、復雜的地區以符合結構安全的準則去處理邊坡，將會花費巨大，更明智的做法是提前預測邊坡穩定性，預防線路上滑坡對鐵路造成破壞。在研究過程中，也是委員會成員首次應用“瑞典圓弧法”進行邊坡穩定性測定。該方法建立在滑動面的形狀總是接近于圓弧的經驗基礎上。該方法的原理如圖4所示。

在(2c/γ)tan(45°+?/2)深度范圍內，其中c為土體的粘聚力，γ為土體的重度，土體發生張拉破壞；在此深度下土體沿弧ac1滑動，此區域下滑剪切力已超過抗剪承載力。

現在用：
W表示滑動土體的總重量，
s表示滑動面單位面積的抗剪承載力，
l表示滑動圓弧ac1的長度，
Gs表示安全系數。

以O點為圓心取距，有：
Wd = (lsR)/Gs
Gs = (lsR)/ (Wd) (4)
對于安全系數Gs最小的滑動面位置，必須通過反復試驗確定。
如果在回填土達到最終高度之前或之后發生了滑動，則可用式(4)計算出抗剪承載力s?；掳l生的事實表明，Gs =1，則方程中包含的其他參數可以很容易地計算出來。已知s的值，則可以對填土邊坡進行調整，以滿足安全系數的規定要求。這種方法也被用來確定在填土重量作用下天然地基的穩定性，獲得了很多成功案例。

對于由無粘性的細粒土組成的土工構筑物或天然土坡而言，在暴雨期間最有可能發生危險。對于蓄水用途的堤壩，其最危險的位置是在水庫滿水狀態下的下游位置。當無粘性的土體受到滲流作用時,抗剪強度可以通過方程(3)進行計算:s= (p-hγ)tan?。在這個方程中，總法向壓力p,是由滑動體重量以及滑動面以上的水位決定的。為了確定靜水壓力，hγ，需要畫一個類似于圖2的流網。通過剪切試驗可以得到方程(3)中?的值。一旦知道了滑動面各點的s值，則通過圖形積分確定滑動面的平均剪切阻力s’。計算的平衡由式(4)進行。

確定粘性土的抗剪強度要困難得多。法向壓力和抗剪性能之間的關系比10年前預想的要復雜得多，即使在今天，我們對這一課題的認識仍然處于某種有爭議的狀態。最近很重要的成果是1936年M. J. Hvorslevl先生作出的。

如果位于地下水位以下的土體很少或沒有凝聚力，并處于松散的狀態,一個微不足道的內部或外部干擾,如可能產生的輕微地震或土體內部自發的下陷,都可能會使土體暫時變成液體狀態,并導致在水平面上流動。這種現象被稱為“液化”。為了使一種材料在適當的激發下能發生流動，它必須足夠松散，以使其由于任何類型的變形都有減少到更密實狀態的趨勢。如果這個要求滿足了，一個自發的下陷會將部分土體的重量轉移到水中，從而大大增加了水承擔的壓力uw，而土體中的總應力保持不變。根據公式（2），
s = (p-uw)tan?
在不改變總應力p的情況下，水中壓力uw的增加降低了抗剪強度s，其效果與土體內摩擦減小的效果相同。如果這一減少是足夠明顯的，土體會保持這種粘性液體的特性，直到多余的水排走。
在密實砂層中，每一次變形都會使砂層產生膨脹的趨勢，這就排除了產生“液化”的可能性。在某些中等密實的材料中，變形時既不膨脹也不收縮。

Casagrande提出了圖5所示的方法來確定這種“臨界孔隙率”。采用三軸壓縮試驗，在不改變靜水壓力p的情況下，可以測量增加軸向壓力土樣所產生的體積變化。觀察到的數據用圖表表示。對不同孔隙率的試樣進行了試驗，圖5中下部的曲線C1代表的是高孔隙率土樣的試驗結果，而曲線Cd則代表低孔隙率的土樣。

除非土樣破壞時的體積小于初始體積，否則不會發生液化破壞。因此，對于具有臨界孔隙率的土樣，破壞曲線上對應的點必定位于水平軸上。僅憑實踐經驗并不能判斷流液化的危險是否存在。這在不久前得到了證明，不過代價是眾多納稅人繳納的稅金。美國一座在建大壩出現了倒塌。在沒有預警的情況下，幾分鐘內就損失了1000萬立方碼的土體。為了避免類似事故的再次發生，今后這類結構的規范將規定，大壩填筑料的孔隙率應遠低于臨界值。

當一條現代混凝土路面的高速公路在填土上修建時，明顯的沉降是不可接受的，否則路面的運營維護費用就會令人望而卻步。相同尺寸、相同材料的路堤，由于其自身的重量，沉降量隨著密實度的增大而減小。R.R.Proctor 通過試驗證明，一種指定的壓實方法所產生的壓實效果，在很大程度上取決于土體的含水量。一般來說，有某種適中的含水量，使壓實效果最好。這種含水量可以通過實驗來確定。這些觀察結果，最終導致路堤的填筑方法采用“含水率控制法”。這種方法近年來已經成為美國的普遍做法。

在德國，振動壓實砂土的方法在A. Hertwig先生的帶領下得到了高度的完善。人們發現，當振動頻率與砂土自身的頻率想接近時，可以達到最大的壓實效果。這個頻率一般是20Hz~30Hz。幾年前，市場上出現了一種24噸的振動器。振動法也成功地被應用于確定填方在施工過程中和施工后的相對壓實度。

就邊坡的穩定性而言，當邊坡后方的土體受到滲流力的作用時，滑坡的可能性最大。這種機制與另一種可怕的現象密切相關，那就是管涌導致的大壩破壞。

大壩管涌破壞

在我還是一個學徒的時候，我受雇于一個總承包商，在碎石地基上建造了一個混凝土重力壩。在那些日子里，沒有公認的規范來確定沿壩體上游和下游邊緣的板樁的深度。因此，板樁的深度是由總工程師根據他的個人經驗和他所閱讀的關于類似結構地基的文獻來決定的。水庫第一次蓄水后不久，大壩就因管涌破壞了?；炷恋闹胁砍霈F了明顯的下沉，甚至需要借助測深桿來確定頂部的位置。這場災難給我留下了深刻的印象。

幾年后，也就是1910年，W.P.Bligh提出了著名的在大孔隙率地基下大壩設計原則?？紤]到我們當時的知識水平，他的貢獻是非常重要的。多年來，我一直沒有想到這個原則竟然會出現紕漏。然而，在1919年，在我開始系統地尋找被忽略的因素之后，我也將管涌現象納入了我的研究計劃。結果令人驚訝。

據Bligh的理論，大壩的抗管涌安全度只取決于地基土的性質和最短滲流路徑的平均水力梯度,我,或在圖6（a）中水粒子在a點進入的路徑。

他將比率：
c=Lc/H=(T1+T2+B+T3+T4)/H = (B+ΣT)/H (5)
稱為滲流系數，并規定細砂和粉土的滲流系數不應小于18，卵石、礫石和砂土的滲流系數不小于4 - 6。這些經驗值來自于對所有數據的系統分析，這些數據是他通過對因管涌問題破壞的大壩研究而獲得的。

表面上看，Bligh的方法似乎具備了所有從實踐經驗中總結出法則的特征。然而，經過進一步的研究，人們總是發現在這類法則中隱含了一些想當然的假設。如果這種假設是錯誤的，那么無論經驗的多少，也必須是無效的。Bligh的方法是建立在一個默認的假設之上的，即臨界滲流系數只取決于地基土的粒徑大小?！芭R界滲流系數”一詞定義了圖6 (a)中滲流最短路徑Lc = B+ΣT的長度與管涌發生時的水頭Hc的比值。
為了確定這個假設是否合理，我在1919年建立了一系列的模型壩體，它們都擁有相同的理想砂質地基，以及最短的滲流路徑，Lc = 2T。根據Bligh的假定，臨界水頭Hc，對于所有這些模型壩體應該完全一樣。試驗結果并沒有證實這一假設，而是顯示，對于不同的壩體類型，臨界水頭Hc在極限值1.5Lc（圖6b）與幾乎為0（圖6c）之間變化。

 

進一步研究這令人不安的結果，揭示了一個事實，即臨界水頭，Hc，并不依賴于最短滲流路徑線的平均水力梯度，而是依賴于最大的水力梯度imax，即水從地下涌出時的位置。對于完全均勻的地基土和水平排水路徑的壩體，危險區域位于壩體的下游邊緣。在相同的“最短滲流路徑”Lc和相同的水頭情況下，最大的水力梯度可以變化很大，這取決于基底布置形式。因此，臨界水壓頭Hc，肯定也會跟著很大的變化。這與Bligh的方法不相容。

對于單位體積的砂土，在危險點作用的“滲透力”j被發現等于：
j = imaxγo （6）
符號γo表示水的重度。由于這個力被認為是產生管涌的力學原因，所以應該可以通過一個向下作用的重物來抵消這個向上作用的力，從而增加臨界水頭Hc。由于不透水的壓重會將危險點從原來的位置轉移到壓重的邊界，從而破壞了壓重的目的，因此其必須包含或建立在一個倒濾層之上。為了驗證這一結論，隨后進行了一系列的補充試驗。圖6 (d)和圖6 (e)顯示了部分成果。在圖6 (e)所示的情況下，發現一個小小的壓重足以增加臨界水頭Hc，使其達到在之前模型上進行試驗所得值的許多倍。作為對新概念有效性的一次檢驗，我們嘗試在試驗前，提前預測模型大壩的各種試驗結果。嘗試成功了。

 

這些發現為許多實際應用開辟了道路。在對小型水工構筑物上設置倒濾層有了一定的經驗后，我為阿爾及利亞的一座土石壩設計了一個40萬平方英尺的倒濾層，其截面如圖7所示。

大壩壩身下設置了幾層粉細砂層濾料，一旦水庫蓄水，濾層將為大壩底部的大量滲流提供渠道。由于地基排水區域被大量填石所覆蓋，因此，地基的破壞會直至管涌發生時才會被探測出來，但那時已為時已晚。倒濾層的設置，應既可以消除管涌的危險，同時又不會在某些區域引起集中的滲流。為了達到這個目的，濾料用砂既不能太粗也不能太細。圖8顯示了基于濾料選取目的上進行的一些試驗結果。

在圖中，Do代表在半對數刻度上待防護砂體的粒徑曲線。研究發現，只要砂的粒徑曲線與點a和點b之間“15%線”相交，任何粒徑的砂都能達到目的。

在這些研究成果的幫助下，我們今天能夠以適度的代價消除管涌的危險。方法很簡單，就是在不干擾滲流流場的情況下，在地層的排水路徑上設置障礙。

粘土的固結

盡管時間因素具有明顯的現實意義，但它卻沒有引起人們的注意。根據經驗，我們知道，盡管外部條件沒有發生變化，建筑物的沉降或隧道的壓力仍可能在多年內持續增大，然而舊的工程教科書可能都無法找到與包含時間因子的與土層和地基有關的方程。論及時間對沉降的影響，最好的例子是在實際荷載恒定的情況下，位于不均勻地基或軟粘土地基之上建筑物的沉降。其原因就是粘土的低滲透性。

對于粘土以及任何其他的多孔材料，載荷的增加會導致孔隙率的降低以及層厚的減小。壓力q與孔隙比e(空隙所占體積與固體所占體積之比)之間的關系可由下述方程近似地表示：
e = ec – Cclog((q-uw)/qo) (7)
ec代表初始孔隙比，uw代表土層孔隙中的水壓力，Cc和qo則是經驗常數。由于粘土在其自然狀態下的孔隙幾乎完全被水所填滿，因此，隨著粘土孔隙率的降低，相應數量的水也隨之排出。由于粘土的低滲透性，這種排水只能非常緩慢地發生。這種“固結滯后”的機理如圖9所示。

這張圖顯示了一個圓柱體，該圓柱體由兩組螺旋彈簧將穿孔活塞保持在相對位置。這個圓筒中完全注滿了水。如果對最上面的活塞施加單位面積的壓力q，要直到多余的水從所有不同的隔間中流出后，活塞才能下降到它的最終位置。因此，在壓縮過程的早期，最下方的彈簧將完全不會受壓。因此，壓力q必須全部由這些隔間中的水來承載。結果，水在水位管中會上升到一個高度q/γo——高于在施加壓力之前的位置。隨著時間的推移，彈簧中的壓力增加，相應的，水的壓力就會降低，就像豎管中的水位下降一樣。類似的過程發生在粘土層表面施加壓力之后。這一過程的力學性質可以用二階偏微分方程來表示，即固結過程的基本方程。在這個方程中，其中一個變量用“時間”表示。

為了向質疑這一理論的人證明在地層下的欠固結黏土層存在超孔隙水壓力，我的一些同事在舊金山-奧克蘭海灣大橋東側的入口建立了一個觀測井，并將其命名為“固結理論紀念碑”。該井的底部位于填土底部以下約10英尺深的軟粘土中。由于填土的重量，下面的粘土正在緩慢發生固結。因此，水在填土頂部上方幾英尺的套管中一直上升。水位標高甚至比海灣高出幾英尺。對于公眾，包括一些工程師，這是一個驚人的現象。
1919年，在研究固結理論時，我做了如圖10 (d)所示的試驗。

一層軟弱的粘土被放置在一個圓柱形的容器里，下面是一層沙子。旋塞a關閉，上層供水水位維持在A標高。當粘土的表面不再下沉后,意味著粘土在其自重下完成了固結,此時旋塞a被打開,從而使砂層中的水位從h下降至0。上層供水水位繼續維持在A標高。通過開啟旋塞a，粘土水平截面上的總正壓力沒有發生變化，但粘土中的水壓uw則從原來明顯降低到一個較低的值。由式(7)可知，在q不變的情況下，uw的減小會導致粘土的孔隙率減小，從而使粘土進行新一輪的固結。試驗結果充分證實了這一理論預測。塞子一打開，黏土的表面又開始下沉。幾周后，它停了下來，水位明顯下降，盡管上層水體的水位一直保持在A標高。

在這個測試進行的過程中，我被邀請合作共同完成一個項目，這個項目后來被證明是一個與我實驗室模型相同的大尺寸重復試驗。

一家蒸汽發電廠的業主希望為他們的發電廠建立私人供水系統（圖10a及圖10b）。為了達到這個目的，他們在黏土層中挖掘了一口井，井底一直到下方的含水碎石層。碎石層夾在粘土層與下伏基巖之間。

 

由于獲得了充足的水源，業主欣喜若狂。然而，與此同時，他們發現發電廠的沉降正在迅速增加，這使他們的歡樂中帶了一絲擔憂。幾個月后，發電廠靠近水井的那個角落就有了超過1英尺（30cm）的下陷。盡管抽水作業的開始和沉降率的增加之間存在巧合，但沒有人懷疑這兩種現象之間存在因果關系，人們認為這是一起神秘事件。因此，如圖10 (c)所示，在我的建議下抽水井關閉后，業主們驚訝地發現沉降實際上已經停止。

在這一事件發生的時候，奧斯陸的地鐵還未完成建設。該項目在破碎基巖中挖掘出一條大型隧道，巖層上部為約70英尺厚軟弱的冰磧粘土層。每天都有水從隧道里抽出來，日復一日。在開始抽水的同時，位于隧道上方的建筑物也開始逐漸遭到破壞。這又被認為是不可思議的天意。直到后來建設完成時，密集的訴訟開始的時候，固結理論才被人們記住。

在1936年國際土力學與基礎工程會議上，荷蘭工程師們交流了觀察到的有關地下水位下降所產生的沉降的數據，沉降是在挖掘一個900英尺×160英尺×20英尺深的基坑時發生的。地下水從20英尺厚的軟粘土層下面的砂層中抽出來的。在離基坑140英尺（40m）的地方，地表的沉降達2英尺（60cm），即使在2800英尺的地方，沉降也很明顯。

在目前的知識水平上，利用原狀土樣的土工試驗結果，可以較為準確地計算出粘土層下地層抽水沉降。我們沒有理由不期待這樣的解決方案，但是對于一些工程師來說，要理解這個相對簡單的過程的機理似乎是極其困難的。在過去10年中，墨西哥城開始以供水目的開采該市所覆蓋地區下面的一些砂層的地下水，造成了災難性的后果。由于位于砂層上的軟粘土層的固結，城市的一些地方已經下沉超過10英尺（3m），對建筑物和下水道系統造成嚴重破壞。沉降的成因一直是固結理論的發起者和反對者爭論不休的話題。

獨立基礎與筏板基礎的沉降

對土木工程師來說，由于地下水位下降而引起的沉降是很多過去資料中低調傳遞的重要話題之一。獨立基礎和筏板基礎的沉降則是又一個重要話題。讀者可能會發現，在一些手冊中，設計類似的基礎僅需簡單地按規定選取“容許承載力”,并以此指導一般土層的承載力(硬粘土，砂,等等),或用于作為基礎下平板載荷試驗的目標值。讀者可以放心地相信，如果不超過“容許承載力”，就不必擔心沉降問題。退一步說，他至起碼相信在加載區域內，沉降會是均勻分布的。

不幸的是，除了在某些非常局限的條件下，這兩種普遍的觀點都是不合理的。根據L. Casagrande在德國公路橋梁橋墩和橋墩連接處進行調查的結果，這些結構的沉降范圍如下:

由于世界各地關于不同類型土層的容許承載力的概念大致相同，上述沉降調查結果反應的不僅僅是當地經驗。

地基荷載均勻分布及沉降均勻分布的假設不僅與Boussinesq理論相矛盾，同時也與實踐經驗相矛盾。幾年前，我應邀為如圖所示的圓柱形蓄水箱設計基礎，該蓄水箱由鋼板焊接而成，如圖11 (a)所示。

根據Boussinesq的理論，我預測基底將會出現碗型的沉降，我認為有必要為構筑物設計一個柔性基礎。最終，構筑物被放置在一個4英寸厚的柔性鋼筋混凝土板上。圖11(b)所示為水罐在首次注滿水后，在兩個不同時期的基底沉降。盡管荷載分布完全均勻，但沉降表現出碗狀的預期特征。

如果我們試圖通過在剛性板上施加荷載來獲得均勻的沉降，那么在地基邊緣處的力學響應一定比在中心處高得多。因此，除非筏板的設計能夠承受由于荷載分布和反力不同而產生的彎矩，否則筏板很可能會出現斷裂。這個簡單的結論被一家試圖對如圖11所示的地基設計進行改良的公司驗證了，并付出了巨大的代價。由于這家公司認為4英寸厚的板不足以支撐一個沉重的結構，因此決定將新的蓄水箱基礎變更為在一塊由幾英尺深的肋加強的高配筋混凝土板。新水箱所在位置的土層情況與圖11所示類似，只是軟粘土層較厚，因此可以預測基底中部會有較大的沉降。由于混凝土板設計得過于剛性，無法適應構筑物的碗狀沉降，它沿兩邊直徑的方向都斷裂了，蓄水箱和里面珍貴的液體都化為烏有。

“容許承載力”通常針對的是與獨立基礎或筏板基礎底部接觸的土層。然而，為了避免有經濟頭腦的設計師做出過于自由的解釋，規范通常規定，滿足要求的土層厚度應延伸至基礎以下至少10英尺的深度。如果一個滿足要求的土層位于軟弱的粘土層上，而且，如果地基覆蓋的面積非常大，那么建筑物通過砂層施加在粘土上的壓力就足以使粘土開始發生固結。其結果是顯而易見的。我還記得一個案例，一個建筑物的基礎建立在非常密實的砂礫土層之上，地基“好”到每平方英尺能承受至少4噸力?；A設計的“容許承載力”為每平方英尺2.5噸力。在基礎下部23英尺深的地方，下臥有50英尺厚的軟粘土?，F在，在建筑完工40年后，最大沉降超過3英尺（90cm），差異沉降超過2英尺（60cm）。當最大沉降量達到2英尺（60cm）時，業主們開始擔心起來，要求加固地基。為了做到這一點，決定將基礎底部的壓力從每平方英尺2.5噸力減少到1.5噸力。這是通過在現有基礎上增加鋼筋混凝土懸臂梁，以巨大的成本和資源完成的。這一工程壯舉已廣為宣傳;但它沒有引起任何評論。似乎沒有人對每平方英尺負載2.5噸力的優質礫石地層竟然產生2英尺沉降感到困惑。

另一件沒有人感到困惑的事情是，3英寸（8cm）厚的混凝土路面，位于基礎之間，幾乎沒有損傷，盡管相鄰的基礎出現2英尺的下沉。似乎沒有人注意到，昂貴的地基重建沒有對時間沉降曲線的趨勢產生任何影響。

為了更清楚地了解合理設計地基所涉及的原則，我們簡單嘗試一下以已成功用于土壓力探究的研究方法，來研究這個問題。我們再次開始尋找“被忽視的重要因素”，并取得了以下結果?；凇叭菰S承載力”方法的地基設計是基于一種默認的假設，即沉降僅僅取決于基礎下10英尺深度范圍土層的性質。然而在現實中，基礎沉降則取決于建筑物寬度1.5倍深度范圍內土層的性質，基礎的尺寸及間距，基礎的埋置深度，以及，基礎的與建筑物外輪廓相對的位置。如果地基土中含有粘土層，則沉降還是時間的函數。

一旦搞清楚了問題里不同因素的性質，總是有可能找到一些解決辦法。雖然我們的設計方目前仍然距離完美很遙遠,但是在國際土力學與基礎工程會議論文集中還是可以看到很多成功的例子,它們在預測沉降大小,分布模式和粘土地基上的沉降規律上取得了不錯的成績?？紤]到記錄在案的錯誤判斷類型和數量，我們認識到了過去設計方法的不足，而且認識到沉降問題中所涉及的因素的性質，就已經代表著一種具有深遠現實意義的改進。

樁基礎的沉降

如果地基上部土層太軟，不能承受建筑物的重量，那么可以通過設置樁將重量轉移到下部土層。教科書中規定了使用打樁公式計算或進行現場試樁，以估計樁的承載力。

打樁公式是以牛頓的碰撞理論為基礎的。它們代表了錘擊產生的樁貫入力與貫入阻力Qd之間的關系。很明顯， Qd代表了動阻力或樁在瞬態貫入時的阻力。1925年，我發表的研究結果表明，樁的動阻力與靜阻力之間沒有任何關系，除非樁完全埋在砂土中或在其他一些高滲透性土層中。這些情況相對少見。從那時起，這些結論被上海的黃浦浚浦局在Herbert Chatley博士的指導下進行的打樁測試結果所證實，以及其他類似案例的研究。因此，打樁公式只有在少數特殊情況下才是可靠的。

載荷試驗提供了單樁荷載與沉降關系的信息。理論分析和實踐經驗都不容置疑地表明，單樁在給定荷載作用下的沉降，與相同荷載下的群樁沉降之間不存在任何關系。普遍認為，單樁載荷試驗的良好結果可以消除整個樁群發生嚴重沉降的可能性，這是土木工程領域最難以理解和最有害的偏見之一。

圖12 展示了這種普遍偏見導致的實際后果。這是一個令人印象深刻的例子。這座宏偉的建筑旨在建設成高標準工程中的杰出典范。根據設計師在初步方案階段發表的聲明，地基的設計可以保證地基的沉降不會超過1/16英寸（1.5mm）。為了保證這一預測的準確性，通過21個測試鉆孔和3個測試井對現場進行了勘探。另外，還打入了試驗樁80根，并進行載荷試驗38次。根據載荷試驗結果和打樁記錄，設計人員對打樁公式進行了修改，使其適應建筑場地現有的地基土條件。最后，準確地布置每根樁，以使每根樁承受荷載產生的沉降不超過1/16英寸。這些昂貴的和艱苦努力的成果如圖12（b）及圖12（c）所示。

 

建設完成15年后，最大沉降接近8英寸（20cm），差異沉降超過7英寸（18cm）。即使是今天，每當我參觀這座建筑時，我都會注意到一些以前沒有看到過的裂縫。

1928年，我接到一個緊急電話，要我去視察一幢正在建造中的建筑，據說它已經開始以驚人的速度下沉，原因完全無法理解。地基立在數千根50至80英尺長的木樁上，樁端嵌固在一層砂層里。每根樁所承受的荷載為僅為載荷試驗中樁貫入0.25英寸所需荷載的三分之一。附近的一個橋墩也有類似的地基，在它存在的50年里都沒有下沉過，然而這座建筑卻倒塌了，沉降迅速接近1英尺（30cm）。業主正打算放棄這個工程，負責設計的咨詢工程師則因精神崩潰而進了醫院。沉降的原因在于30英尺厚的冰川粘土層的緩慢固結，該土層位于地表以下100英尺的深度，樁尖以下20 - 40英尺的深度。沉降等值線圖與基于Boussinesq理論計算的曲線基本一致。

從那時起，我幾乎每一年都會碰上類似的悲劇。我想起了幾個月前一起比較有啟發性的案例。案例如圖13~圖15所示。該建筑，一座漂亮宏偉的鋼結構建筑，坐落在26英尺長的樁上，樁端嵌固在一層薄砂層中，荷載通過砂層傳遞至下臥的160英尺厚粘土層上。

 

建筑物單樁的承載力是綽綽有余的，而基礎沉降完全是由粘土層的固結引起的。沉降一直在增長。圖14左側顯示了實測沉降的等值線，右側則是在建筑物完全柔性假定下的沉降計算等值線。

通常情況下，建筑物重量導致基底發生碗狀/槽狀的沉降，這是粘性土層受荷的特征。實測曲線與計算曲線的差異主要是由于建筑物的剛度差異導致的。這種影響也表示在圖15的剖面圖中。

剛度影響彎曲表面曲率的大小，但平均沉降量不變。根據我對圖11所示蓄水箱沉降的評價，如果不將一部分荷載從中心轉移到加載區域的外圍，差異沉降是不可能減小的。這種荷載轉移是由結構本身完成的。如果結構不夠堅固，承受不了與轉移相關的應力，就會發生破壞，如圖11所示的蓄水箱新基礎就是這種情況。

這一推理得出了一個關于鋼結構框架建筑的重要結論。根據公認的鋼結構框架建筑設計規則，結構構件的設計是建立在一個完全剛性的基礎上的。如果地基土的壓縮性較大，則建筑的地基沉降往往呈淺碗狀分布，但墻體的剛度在一定程度上抵抗了這種趨勢。這導致了建筑重量的一部分從內柱轉移到外柱。因此，鋼框架至少下部的應力往往與設計者預想的非常不同。在粘土層之上建造的所有鋼架建筑都存在這種情況。這種情況是一種潛在的危險來源，不符合結構中每個構件的安全系數應接近這一基本規則。到目前為止，還不知道實際應力與理論應力偏離的誤差百分比。因此，似乎有必要繼續積累一些有關的資料。

如果事先知道未來沉降的大小和分布模式，總有可能通過某種方式來避免有害影響，以及消除設計師因粗心大意和無能而遭受指責的風險。因此，在地基設計中，建議盡最大可能來預測后續可能發生的沉降。

取樣及試驗

對沉降進行充分分析的基本要求是對地基土中粘土層的壓縮性有深入的了解，分析要包含在建筑物寬度1.5倍深度范圍內的所有粘土層。20多年前，瑞典巖土工程委員會(Swedish Geotechnic Commission)的成員在對鐵路沿線的山體滑坡進行調查時，注意到了在不改變含水量的情況下“揉捏”黏土的軟化現象,并進行了記載。后來，Casagrande發現了類似的“揉捏”對側限條件下粘土抗壓性能的影響。由于這些發現，有必要發展減少土樣擾動的取樣方法。當1925年我第一次在美國進行地質勘探時,一個勘探承包商對我的要求感到不可思議.我要求他在鉆孔內用1.5英寸(38mm)的取芯器采取幾件粘土芯樣,并要求他在芯樣提取上來后立即用石蠟密封。當我1936年再次回到美國時，我最初的、非常不令人滿意的取樣方法已被精心設計的、巧妙的程序所取代，這些程序用來提供直徑不超過5英寸(127mm),幾乎未受擾動的樣品。1925年使用的原始方法實際上已經消失了。德國、法國、丹麥和許多其他國家也出現了類似的情況。今天，在所有這些國家里，5英寸的無擾動樣品的取樣方法已經很成熟，并且取樣單價也十分合理。

另一項重要的進展是以試驗目的選擇代表性樣本的方法。在1925年，我一直以為地層大致上都是均勻的，也習慣了在均勻地層中每隔5或10英尺(1.5m或3m)深度就采取一個樣本。然而. Casagrande的研究成果摧毀了我的幻想。毫無疑問，均勻的粘土層是非常罕見的。圖16顯示了1925年我認為是均勻粘土的區域，在一英尺（30cm）深度范圍內含水量的變化。

由于地層的不均勻性，選擇代表性樣品的基本先決條件是，要獲得有關地層至少一種性質沿深度范圍內變化的完整數據。然后要看地層中揭露最多的幾種土層類型，從而來選擇用于室內土工試驗的樣本。最后采用統計方法對試驗結果進行加權平均。

上述的“偏離調查”是通過勘探鉆孔來完成的。這些樣品直徑大約為2英寸（50mm）。保護這些樣品的工具如圖17（a）所示。采取土樣后，立即用金屬板和石蠟密封芯樣管的兩端，然后將樣品儲存在合適濕度的房間里。在土工試驗之前，芯樣管會被切割成數個6英寸（150mm）長的樣本，然后決定好每個樣本所需測試的性質，如天然含水率，或天然含水率與對應的抗壓強度等。圖17(b)顯示了其中一種用于采取5英寸未擾動土樣的取芯器。它是一種雙管取樣裝置。內筒或內襯是可拆卸的，在運輸和儲存過程中用作保存樣品的容器。

目前，Hvorslev正在編寫一份詳細的研究報告，其中包含了目前取樣方法及工具的綜述，以及遇到的一些問題。這份報告是為美國土木工程師學會（ASCE）取樣與測試、土力學和地基分部委員會編寫的。

不久前，我得到了一個為芝加哥地鐵管理局組織大型地質勘探的機會。這個項目可以作為典型地質勘探流程的案例來分享。地鐵的設計總長為40000英尺（1.2公里）。該項目需要使用壓縮空氣在地面以下約50英尺（15m）的軟粘土中挖掘隧道，隧道還需要在若干河流交匯處穿越?！捌x調查”包括深度至隧道仰拱底部以下10英尺深的150個勘探鉆孔。這些鉆孔是由承包商在成本中另外出錢做的，價格在每英尺1.50美元到2.50美元之間。所測試的粘土的性能指標包括取樣管在土層的貫入阻力、天然含水量和抗壓強度。這些測試是在地鐵當局專門為項目設立的一個實驗室中進行的。土工試驗報告每天都會進行更新，并將數據記錄在一張方格網圖紙上，將對應點根據不同位置的坐標標出。首先，地質勘探報告會作為未來隧道結構截面設計的基礎;其次，它們還可以在投標前向承包商提供關于地質條件的詳細信息，并可以防止承包商根據以往經驗無根據地提價。在地鐵一小區段所獲得隧道施工經驗，只有在兩個地點的地質條件大致相同的情況下，才能作為另一段施工的可靠指導。從表面上看，芝加哥黏土層似乎相當均勻，但研究表明，黏土的性質在水平方向和垂直方向上有驚人的差異?？碧綀蟾鏌o法避免舊鉆孔或砂礫石夾層發生突涌的風險。然而，它確實排除了在不知情的情況下，將相當厚度的粘土切割成異常軟弱土層的風險?？碧綀蟾媸钩邪炭梢猿浞掷迷谝酝ㄔO中獲得的任何經驗，并保護地鐵管理局今后免受程序失當的指控。與這些好處的資本化價值相比，地質勘探的成本幾乎可以忽略不計。

相關法律的新進展

在討論應用土力學的不同分支時，我引用了許多涉及經濟損失的工程事故。在所有這些情況下，事故都是由于土體的行為方式不同于設計者的預期而引起。這種情況總是會導致一個尷尬的問題:誰應該對此負責?

本世紀初，工程師有權指控他設計的結構失事是一種可悲的“天災”，他能夠通過編寫包含當代權威知識精髓的教科書來證明自己的主張。由于這些權威書籍幾乎沒有提到沉降和管涌的存在，沒有人能責怪普通工程師忽視或誤解這些現象。工程師進行了現場載荷試驗，并認真地遵循了公認的做法，即將土壓力保持在如表格所示的、由來已久的“容許承載力”以下。盡管采取了所有這些預防措施，如果發生了沉降損害，他有權認為這種情況是不是人為導致的，并拒絕承擔責任。

然而,只要相關專業人士有能力對某種現象進行一定精度的預測，如圖14中的沉降圖所示,以及有很多相關案例可參考,這種現象不再可以被稱為“天災”。這同樣適用于抽水對臨近建筑結構的影響，適用于樁基托換的事故，適用于土石壩的事故，以及其他巖土工程項目。今天，仍然有人認為這些分析方法過于新穎，只能局限于少數專家圈子內應用，并以此作為借口。人們確實不能責怪一位醫生，僅因為他沒有采用一種最近發展起來的新方法來挽救一位病人的生命。然而，這一借口肯定不會永遠成立，而且法院將對拒絕承認土力學的工程師作出不利判決。這個時刻即將到來。因此，積極參與在土木工程這一落后領域，擴大我們的知識面來熟悉這一學科，符合土木工程專業所有成員的切身利益。

總結

這些努力最重要成果之一是建立了土壓力、沉降和管涌的機理理論。這遠遠超出了本世紀初出版的教科書所體現的原始概念的范圍?？紤]到這些科學成就，我們有資格問:這種理論見解在多大程度上能夠取代實踐經驗?

我沒有親自回答這個問題，而是引用William Anderson博士的話說:“自1848年以來，理論凌駕于經驗之上的地位逐漸確立，盡管有時候，在應用理論知識時導致的災難和那些由于缺乏理論依據而造成的災難一樣嚴重;在這方面，有能力和成功的工程師仍然會表現出這樣的形象:在工作中，他會小心翼翼地讓理論和實踐并行不誤，總是一個幫助和引導另一個，相輔相成，而不是直接宣布不適用而束之高閣”。

毫無疑問，掌握科學中最新的進展將大大提高經驗豐富工程師的能力。我的觀點一再得到經驗豐富的從業人員的證實，他們的發言足夠開明，能夠欣賞和消化我們的勞動成果。與此同時，我不禁對許多新一代工程師因我們的知識而產生的自信深感憂慮，因為(再次引用安德森博士的話)“在缺乏實踐經驗的年輕工程師中有一種傾向，他們盲目相信公式,忘記了它們中的大多數是基于不能準確地在實踐中重現的假設之上的。在任何情況下,這些公式經常無法考慮假設帶來的干擾,只有通過觀察和經驗來預見,以及常識來驗證?！?br>
1893年，這句話針對的一批即將畢業的，在理論上訓練有素的結構工程師說的。1939年的今天，這些金玉良言應該被裝裱起來，掛在每間進行土力學研究的房間墻上。為了完成它在工程上的使命，科學必須被賦予合作伙伴的角色，而不是主人。

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