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致敬大师:太沙基与土力学

322 2018-01-08 16:13:28

如果没有太沙基土力学现在也许还在另一条不同的路上蹒跚而行……

卡尔·太沙基是土力学的奠基人之一,他在土力学领域中的活动是十分广泛的。今天土力学的发展己跨入应力——应变分析和电子计算的时代,尽管太沙基的学说由于受到时代的局限,还有待于发展和修正,但是太沙基作为开拓者的贡献仍然为土力学界所公认。

日本东京工业大学教授吉见吉昭对太沙基作了较为详细的介绍,文中对太沙基的评价或有不当之处,或失之过高,均请读者斟酌取舍。不过从文中可以窥视到太沙基学术思想的某些侧面。这对我国岩土工程学的研究和发展将有所裨益。

本号特作全文转载,以飨 东南岩土 的读者们。

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太沙基与土力学

一、前言


太沙基博士(1883-1963)逝世已经十几年了(原文撰写于1981年——编者注),回顾他在美国的三十一年研究生活,对于我们了解美国土力学发展历史是有益的。我在阅读资料的过程中,对创建土力学这一新领域的太沙基之前半生产生了莫大的兴趣,因此,试图向大家介绍一下太沙基的生平,从侧面来看看他与土力学的关系。

二、太沙基的学生时代


卡尔·太沙基,1883年10月2日出生于当时的奥国波希米亚地方首府布拉格(即现今的捷克斯洛伐克首都——译者)。他出生在军人世家,其父是一位军人,曾希望他也能成为一名军人。但在十四岁时,由于视力上的缺陷而未能加入海军,他就决心放弃做军人的念头,在格拉兹工业大学攻读机械工程学。但是,他却把很多时间花费在地质学、哲学和天文学等与本专业不相关的一些课程上。他喜欢登山,是一个有名的鲁莽汉,据说他在这个时期因决斗而造成的伤痕一直残留到晚年。他的学生时代似乎并不很平静,好像有很多苦恼,曾以“滥用学术自由”的罪名,几乎被学校开除学籍,幸而有位力学教授爱他具有独创精神和优异的文才,替他辩护,才免于开除,他终于在1904年毕业于格拉兹工业大学。

三、与土工技术结缘和失败


他在学校学习期间就已经认识到机械工程这门学问与他自己的性格不相符合,因此,在一年的义务兵生活之后,再次进入母校,主攻了一年地质学。在这以后的三年间,他在奥地利建设公司充当工程现场负责人,从事土木工程的实际工作。后来,他又在南斯拉夫参与电源开发计划,从事地质和水文调查工作,而他对工程现场的调查工作,尤其喜爱。在编写地质报告期间,从朋友那里听说俄国圣·彼得堡即现在的列宁格勒因地基开挖而发生周围建筑物下沉的问题,施工感到很为难,太沙基便赶到那里,据说他仅用四个星期的时间就把这个问题解决了。

在从事各种土木建筑工程的过程中,太沙基痛感当时的基础工程技术明显地落后于钢筋混凝土技术(他在1912年曾以钢筋混凝土方面的论文,获得母校的博士学位)。他认为土的性状之所以不能准确地预测,关键就在于不能明确地掌握地质条件和工程上的问题,于是,他认为把土工建筑物和基础结构的性状,尤其是失败的工程实例与地基的地质条件加以详细比较,如果能找出两者之间的相互关系,那么,问题就能够得到解决。当时的美国联邦垦务局在美国大量的拦河坝和水利建设方面做了大规模的实验。由于建设地点分布于美国全国各地,因而有各种各样的地质条件。太沙基认为这是检验自己上述想法的好时机,他便利用自己积蓄的钱,于1912年到美国去了。这种追求真理的欲望和实践精神,一直贯穿在他的全部生涯。

一到美国,他便拜见联邦垦务局的负责人。当他向这位负责人说明自己的想法和愿望时,这位负责人也痛感在土工研究方面处于非常不力的状态,他和太沙基同样,认为只有查明地质条件才是解决问题的正确道路。因而,他决定与太沙基进行全面的合作,并向各地大规模建设工程的工程师写了介绍信。此后的两年间,太沙基每天忙于野外观察、资料记录和整理工作。可是,在这期间,他带来的个人积蓄,快要花光了,为此他还利用业余时间当过钻探工人。

当他把自己辛辛苦苦收集的大量资料带回欧洲一整理,才发现这些资料几乎都是一些没有什么用处、跟预期目的不相符合的东西。开头的期望那么大,付出的艰苦劳动那么多,现在都落空了。太沙基感到十分失望和沮丧。

这时,第一次世界大战爆发了,太沙基被征入奥地利陆军航空试验所,与冯·卡尔曼、冯·米赛斯共同度过两年的军队生活。

四、土耳其时代——现代土力学的诞生


太沙基在格拉兹工业大学读书时代的老师付希海莫教授,是一位著名的水力学学者,当时作为土耳其政府的顾问,协助土耳其改革工业教育,正要寻求一名精明强干的人物。付希海莫教授选中了太沙基,推荐他担任土耳其工业学校的基础工程学教授,这是1916年的事情,当时他才三十三岁。从这时起一直到1925年为止,是他的伊斯坦布尔时代,即诞生现代土力学的时代。

太沙基把1860-1917年到年为止的有关土工工程和基础工程方面的德文、法文和英文的文献资料进行了系统的收集研究工作,结合他在美国的调查经验,给工程地质方面的土,下了一个明确的定义,并得出需要进行定量测定的结论。虽然这在现在看来都是些很平常的事,但在当时,却是一项重要的创见。他还认为,由于以往只用粗砂、细砂、软粘土和硬粘土等模糊字眼来描述土,所以当然无法搞清地质条件与土和基础工程性状之间的关系。

太沙基立刻制订了一项系统的实验计划,决定在两三年以内完成实验,并着手制作实验装置。大部分实验装置都是用从废料堆里检出来的材料,或借用的测试仪器组装起来的。但是,实验工作实际所花费的时间跟原来预期的时间相差很大,竟连续地做了七年的艰苦实验。当时,太沙基最感兴趣的,是砂基管涌导致大坝的破坏和粘土地基在外荷作用下的沉陷问题。

1921年,他根据粘土试验成果,发现了现代土力学的基本原理。他的压密理论在1923年发表时,几乎没有受到人们的注意,但在第二年,即1924年,于荷兰的德尔福特召开的第一届国际应用力学会议上宣读时,立刻引起巨大的反响,他的老师付希海莫教授对太沙基说“今天,才是你在学术界的诞生日啊”,热烈地祝贺自己学生的成功。这时太沙基已经四十岁,说来也巧,这正是他八十年生涯的转折点,他由一个不知名的教师一跃成为新的工程领域创始人而蜚声于世界。包括压密理论在内的太沙基全部研究成果,都总结在翌年出版的闻名世界的《土力学》一书之内,一般都认为这一年就是现代土力学诞生之年。首先注意到这本书的,是美国水力学家富尔曼,他把太沙基的书大量地买来,分发给美国各地有关方面的人士,同时还劝告麻省理工学院土木工程系主任聘请太沙基来校任教,恰巧,麻省理工学院新建的建筑物出现了沉陷不止而且沉陷量很大的问题,因而,当年秋季,太沙基被聘为麻省理工学院客籍教授。

五、麻省理工学院时代——土力学的普及


1925年到1929年,这是太沙基第二次到美国,这次在美国的居住,不论对他本人来说,还是对土力学来说,都是富有成果的时期。他在美国《工程新闻记录》杂志上以“土力学原理”为题连续发表的文章,引起各方面的注意,他作为土木工程学中新领域创始人的评价,已被确定下来了。但是,对他的理论持批评态度或进行非难的人,似乎也不少。当时具有强烈的经验主义倾向的基础工程方面的技术人员,对于以物理学、胶体化学和微分方程式贯穿起来的土力学,抱有不信任感,这也是很容易理解的。例如,有不少技术人员不能理解孔隙水具有大于一气压的张应力,据说有人在太沙基发表演讲之后就争辩道“不能使水产生大于一气压的张应力,这已经是一种定论”。太沙基所做的好多书面答复,都由于用词过于激烈而被拒绝发表或要求大幅度地修改。由此我们可以窥见在土力学的普及和启蒙活动中持积极态度的太沙基的形象。

在那时,“凡是地基情况不明,就应该采取打桩措施”这样的观点占统治地位,如果桩基发生很大的沉陷,就认为其原因是桩的承载力不够,补充措施还是再打补充桩。例如某一城市的地基尽管是过压密粘土气建筑物的基础仍然采用全部桩基,而太沙基却对重量甚大的建筑物仍推荐不打桩的底板基础。这时,来自各方面的压力,要求太沙基收回他的设计方案。连太沙基的亲友、一位著名的工程师,也认为他的设计方案有很大可能是失败的,诚心诚意地担心会因此伤害了太沙基的声誉。而太沙基,则怕伤害了可尊敬的朋友的好意,这时他陷入了不曾有过的迷惘之中,但是,最后他终究没有违背初衷,终于实现了没有桩的底板基础。事后建筑物并未发生任何问题,事实证明了太沙基观点的正确。

作为建设工程顾问的太沙基,随着声誉的提高,来自美国各地的委托、邀请,也多起来了,但是具有强烈钻研精神的太沙基,对热带土产生了兴趣,1928年,当他调查完中南美各国之后,得了一场热带病。

如果我们看看他在这一时期里所发表的论文,就可以知道,有很多是关于公路工程方面的实用土力学的研究,此外,还对土压、承载力、边坡稳定、渗透和排水等问题进行了广泛研究。

他在麻省理工学院的讲义,成为后来土力学教育的典范,卡萨格兰德以及太沙基在这一时期的其他学生们,都成为美国土力学普及活动中的活跃人物。

虽然他在麻省理工学院的时代对于他技术上的成长很有成效,但是,他在这时还没有在美国长期住下去的打算,当祖国的维也纳工业大学聘请他去当教授时,他欣然地接受了。在归国的途中,受苏联政府的委托,编写出伏尔加-顿河运河闸基报告书,在莫斯科发表了关于土力学的讲演,听众反映甚为热烈。

六、维也纳工业大学时代


从1930年开始,他在维也纳工业大学的讲学,有来自很多国家的学生和技术人员听他的课,并对他的研究工作予以协助。1933年,瓦西列夫开始粘土的剪切研究,伦德利克用三轴试验初次对重塑粘土就有效应力与孔隙比之间的关系,作了决定性的验证。而太沙基在这一时期,发表了关于土压、拱效应、渗透问题、基础沉陷和基础设计方法等多方面的研究成果,特别是他发现了由混凝土和粘土中的孔隙水所形成的扬压力,与砂土情况下具有完全相同的性质,可以充分作用。

1936年,有八个月的时间,在美国哈佛大学讲学,同年六月,在哈佛大学召开的第一届国际土力学基础工程学会议上,他被选为会长一直连任到第四届国际会议。在这次会议上,他除了发表了七篇英文撰写的论文而外,还附有很多讨论。读一读这次国际会议上的会长致词,就会发现太沙基对土力学中滥用理论的现象所发出的警告。因为当时,他看到一些关于土和基础方面的教科书,竟然把毫无根据的东西当作所谓“理论”写进去了,因此,他才提醒读者们应予注意。在土力学和基础工程学方面,如果进行理论分析时,则不得不用一些假设,把土的性质理想化,但是这些假设的根据却并不一样。一般有下列五种情况:(1)毫无根据,(2)歪曲了实际情况的根据,(3)实际情况中的不利因素完全被忽视而得出的片面性的根据,(4)根据不充分,即只能满足现有条件,一旦条件变化就不能成立,(5)根据充分。

令人惊异的是,在基础工程学惯用的方法之中,大多数是根据上述两条,而且在不指出这两点的重大缺陷的情况下,就从教科书到教科书地扩散开来,一个明显的例子就是错误地把内摩擦角和安息角等同起来加以记述,又如利用所谓“工程新闻公式”来计算桩基的承载力,类似这些问题,太沙基都提出来作了批评。1948年,他与派克合著出版的《工程实用土力学》一书中,也对打桩公式所得出的承载力有很大误差这一点提出警告。

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1935年秋,太沙基回到奥地利,而等待他的,却是对他的土力学基本原理持怀疑态度的同僚们的猛烈批评文章。太沙基与付略里希联名发表了三十三页的答复文章,充分地论证了土力学原理是正确无误的。

1938年春,希特勒德国占领了奥地利以后,太沙基便以“为了从事顾问工作的方便”为理由,全家暂时迁居法国,而实际上他已打算移居美国,他向哈佛大学的卡萨格兰德表示如果哈佛大学能够既可以使其有足够的时间从事顾问工作,又可以有部分时间从事教学工作,那么他就可以前往。当时在哈佛大学工程学研究生院的负责人,是威斯特卡特教授,根据卡萨格兰德的推荐,太沙基被聘为客籍讲师。

七、定居美国时代


太沙基从1938年秋学期开始,在哈佛大学研究生院讲授工程地质学,从此以后,在四分之一世纪的漫长时间里,以充沛的精力从事学术活动,发表的著述有两本专著和百余篇论文,年过五十五岁的太沙基,仍然以超人的精力在继续工作。

在哈佛大学,太沙基除了讲授工程地质学而外,还讲授实用土力学。这些课程都是根据他丰富的工程顾问的经验,以实例的形式所编写的教材讲授的。他在讲学时,不但是哈佛大学的学生,还有邻校麻省理工学院的学生和许多刚由大学毕业不久的工程技术人员,也都前来听讲,他所讲授的课程,一方面激发了学生们的兴趣,另一方面由于他跟这些好学生们的接触,他本人也受到了这些学生们的启发,感到非常愉快。美国的大学,常有学生在课堂上活泼地提出质询的习惯。

1946年,哈佛大学专为太沙基设立了一个土木工程学实践教授的职称授予太沙基。后来,太沙基以七十三岁的高龄退休,并被授予名誉教授,仍然继续讲授工程地质学若干年。

当1938年太沙基到哈佛大学赴任时,他接受了承担芝加哥地下铁路建设工程顾问的聘请。他对此项工程抱有很大兴趣,是以对方同意他所提出的关于筹建实验室、进行必要的实际观测和顾问工作所需的一切人选由他自己决定为条件,才恺然承担这项工程工作的。这时他所选择的人员当中,就有后来与他一起著书的、当时在哈佛大学研究生院攻读土力学的派克。请太沙基担任顾问的工程,愈来愈多,但是,他所接受的,只限于那些他认为对土力学的发展有意义的工程。他所承担的工程是多方面的,例如,大规模的土石坝工程、滑坡的稳定处理、建筑和桥梁基础、浮船坞、护岸工程、飞机场、公路、永久冻土中的基础问题、施工困难或有事故发生危险的工程、隧道、地下铁路以及堆矿场等等。1954年,他被任命为埃及阿斯旺大坝建设工程顾问团的团长,五年之后,当苏联承担这一工程时,他便辞去这一职务。

太沙基虽然长期地担任大学教授的职务,但是,他却与我国(指日本——编者注)所理解的大学教授的概念有很大的不同,他是一位彻底的实干家,对他来说,合理地完成土工工程方面的设计、施工,就是最大的目的,而数学也好,力学也好,都不过是为了达到这一目的的手段而已。从二十年代土力学诞生时起,太沙基就预言过“土力学最凶顽的敌人,并不是否定土力学原理的人,因为这些人现在已经死掉了。危险的,恐怕是那些纯理论家在创建土力学‘原理’时所造成的遗害,因为这一类人的工作从根本上破坏土力学所要达到的目的。”到了晚年,他其似乎更加确信,土力学与其说是科学,不如说是技术。他在1957年第四届国际土力学基础工程学会议的会长演说中,曾经这样说过“虽然早期阶段曾经大量地运用了理论的方法,可是近年来,我认为即使不作那些琐碎的计算,同样可以解决几乎所有的实际问题”。

卡萨格兰德把太沙基七十六岁以后的五年间所发表的论文和讨论等内容,分为下列三类对太沙基晚年的观点加以介绍:

(一)第一类著述

是太沙基针对自己以工程顾问身份承担的主要土石坝方面存在的土力学问题及其对策等所作的明确的记述。在这一类著述中,他明确地表达了这样的信念:土力学或岩体力学中未解决的大部分问题,与其依靠理论研究或室内试验来解决,还不如在野外现场通过坚强而精细的观察和调查,获得解决。

(二)第二类著述

是关于“活的土力学”方面的著作。在土力学应用方面的丰富经验之中,太沙基发现了土力学顾问们容易失足的陷阱,其中最容易陷人的陷阱,就是不给这些工程顾问们以机会去直接观察施工时已经查明的地基地质条件,并将其与设计阶段的一些推测、假设相互印证。另一个失败的原因,就是死板地依靠未经充分的实践经验证实过的土力学理论。

(三)第三类著述

是属于岩体力学方面的。太沙基在这一类著作中认为,过于重视理论而轻视野外现场的实际情况的调查研究,也会同样地坊碍岩石或岩体力学这一领域的发展。

八、太沙基的功绩及其动力


太沙基不仅是一位土力学这一新领域的创始人,同时也是把自己的一生奉献给土力学的普及与发展,并保持领导者地位的人,这在其他工科学术领域中是少有其例的,太沙基以其光辉的业绩,除由各国获得九个名誉博士称号而外,还是美国土木学会ASCE唯一的一位四次获得最高奖赏诺尔曼奖的会员。

太沙基发表的著作总共达二百七十六件,其中包括著书、论文和讨论等。四十岁以后发表的著作达二百五十件,占总数的绝大部分。卡萨格兰德对太沙基具有达到如此超人功绩的能力,曾做讨如的评论:

太沙基之所以能有非凡的业绩,是由于他具有很多非凡的特点。也就是说,太沙基具有伟大的物理学家的大胆的洞察力、明快的分析力以及不厌倦的好奇心,同时还具有高明的地质学家所不可缺少的对自然现象坚强而敏锐的观察能力和热情。他具有超人的思考能力,即使长时间地工作,他也不感到疲倦。如果把他的令人羡慕的集中精力的习惯和擅长于巧妙而且郑重地辞退妨碍自己研究工作的邀请和委托等本领综合起来,就能说明他的伟大业绩。在整理和记录困难工程的大量地质资料时,他的惊人的记忆力是一种强而有力的武器,他能从复杂的资料堆中找出最本质的东西,并且具有迅速的分辨能力。

优异的文才,使他写起文章来毫无难色,轻松偷快。当他完成长时间的复杂的野外调查时,曾经有人指着他所写的长篇报告同情地说‘这是一项最困难的工作’,而太沙基却回答说,‘但是,这也是一项最好的工作’。

“一直到他的晚年,仍然享有健康的身体和坚强的斗志。即使惯于野外调查的年轻地质工作者,走起山路来也还走不过七十岁的太沙基。七十五岁以后的太沙基所做的工作和旅行日程,甚至使年轻人都会感到疲劳。”

驱使太沙基去做紧张工作的动力是什么呢?最重要的是他认为“对事物的认识不明确,就强烈地感到不舒服”、“而找出明快的有秩序的因果关系,就有一种极为偷快的满足感,而这种满足感的价值,正是太沙基能够根据自己的意志进行自由行动的手段”。

九、结束语


太沙基把合理的设计和施工方法引入土工技术——他自己喜欢使用这一字眼——中来,作为自己的使命,为了完成这一使命,五十年来,他倾注了超人的努力。虽然他自己谦逊地说,土力学的诞生不是他个人的力量,而是时代的力量,但是,如果没有他,我们可以想象,土力学、基础工程学现在也许还在另一条不同的路上蹒跚地前进。

太沙基在成为学者之前,曾经是一位技术工作者,对于他来说,研究只是为了解决实际问题的一种手段。太沙基最为实际的观点,已被美国的卡萨格兰德、裴克、兰姆,英国的其肯普敦,挪威的贝伦等人继承下来了。他对于“为研究而研究”所持的否定态定,在美国土木学会土力学基础工程学出版委员会报告中,已有明确的反映。

本文的目的在于回顾土力学之父、已故太沙基博士一生所走过的道路,以便了解他的观点的一小部分。实际上,连与太沙基有过三十多年交往的卡萨格兰德也感慨地说,由于太沙基过于伟大,要想全面了解他,是很困难的。那就可想而知,笔者只能是摸象的群盲之中的一盲而已。有兴趣的读者,请您一定要读一读原著,特别是贝伦所写的“从理论到实践的土力学”。

本文由[日]吉见吉昭撰写,姜敦超翻译,东南君编辑

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