理論是經(jīng)驗(yàn)清晰的表達(dá)。
——Karl von Terzaghi
1939年5月2日, Terzaghi在倫敦土木工程師學(xué)會舉辦的第45屆James Forrest講座發(fā)表了演說。彼時(shí)，Terzaghi成果的價(jià)值已經(jīng)逐漸為人認(rèn)可，而英國卻在土力學(xué)方面的研究進(jìn)展緩慢。
Terzaghi的講座題為“土力學(xué)—工程科學(xué)的新篇章”，將土力學(xué)建立之前的土木工程設(shè)計(jì)與利用了土力學(xué)知識的當(dāng)代設(shè)計(jì)進(jìn)行了對比。Terzaghi的演講充滿雄辯，卻又不失簡潔，完整地表達(dá)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(xué)也提出的一些預(yù)見，其中部分今天已經(jīng)得到了實(shí)現(xiàn)。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(guān)于《抽象科學(xué)和工程之聯(lián)系》的精彩演講拉開了James Forrest系列講座的序幕，將近半個(gè)世紀(jì)過去了。承蒙學(xué)院秘書長的好意，我有機(jī)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(gè)小細(xì)節(jié)罷了。這個(gè)小細(xì)節(jié)即土力學(xué)。
在Anderson博士的時(shí)代，研究工程問題的科學(xué)方法主要是建立一個(gè)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(xué)性能，并將這些知識應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程。然而，工程科學(xué)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(fā)表了他的見解。他說:“在科學(xué)研究的歷史上，有許多發(fā)現(xiàn)，起初都是被認(rèn)為沒有實(shí)際價(jià)值的，但最終卻被證明是工程師的無價(jià)之寶。盡管過去有許多這樣的經(jīng)驗(yàn)，然而直至現(xiàn)在(1893年)，還有一些所謂的“實(shí)干家”，他們完全不能容忍把時(shí)間或金錢花在無法立即產(chǎn)生效益的研究上。”
從那時(shí)起，結(jié)構(gòu)工程在與阻撓力量的斗爭中發(fā)展，并成為了一門成熟的學(xué)科，并最大限度地消除了“拍腦袋”和所謂的“天災(zāi)”。因此，工程科學(xué)的開拓活動已經(jīng)從它們大獲全勝的結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，逐漸轉(zhuǎn)移到尚是一片空白的領(lǐng)域。其中的一片領(lǐng)域位于結(jié)構(gòu)工程成果的底部。它就是巖土。
年復(fù)一年，工程期刊持續(xù)報(bào)道了工程因無法預(yù)測土體行為而付出的昂貴代價(jià)。在那些失敗的工程設(shè)計(jì)中，還隱藏著許許多多的意外事件，因?yàn)闊o知和虛榮是相伴而生的。不到10年前，在一次會議上，一個(gè)著名工程學(xué)會的基礎(chǔ)委員會決定，在公眾討論中應(yīng)盡量避免使用'沉降'一詞，因?yàn)樗赡軙斐煞菍I(yè)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(jīng)成為了工程事故多發(fā)地。正因這些令人沮喪的事實(shí)，促使了世界各地有進(jìn)取心的工程師把科學(xué)研究的探照燈從上層建筑轉(zhuǎn)向了地下這個(gè)前人所未發(fā)掘，深邃的黑暗空間。這項(xiàng)運(yùn)動大約25年前在幾個(gè)國家同時(shí)開始，其成果被命名為“土力學(xué)”。與結(jié)構(gòu)力學(xué)相似，它既涉及到材料的力學(xué)性能，也涉及到這些材料在工程問題中的應(yīng)用。1936年，在馬薩諸塞州哈佛大學(xué)舉行的第一屆土力學(xué)與基礎(chǔ)工程國際會議上，這門新生的科學(xué)正式命名。
一門工程科學(xué)的價(jià)值是由它在工程師實(shí)際應(yīng)用中能發(fā)揮多大作用所決定的。所以，為了判斷土力學(xué)的價(jià)值，現(xiàn)在讓我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和對巖土體力學(xué)現(xiàn)象的理論洞察，將戰(zhàn)前方法（第一次世界大戰(zhàn)）的可靠性與今天的理論方法進(jìn)行比較。我們將討論的主題是:土的側(cè)向壓力、邊坡穩(wěn)定性、大壩的管涌事故，以及淺基礎(chǔ)、深基礎(chǔ)的沉降。在處理這些問題時(shí)，我將首先簡要回顧過去的做法及其缺點(diǎn)，然后我將討論這些缺點(diǎn)的原因，最后我將介紹在過去幾十年中取得的改進(jìn)成果。
土的側(cè)向壓力
從上個(gè)世紀(jì)到現(xiàn)在，土對側(cè)向支護(hù)(如擋土墻或基坑內(nèi)支撐)的壓力是根據(jù)庫侖理論和朗肯理論的其中一種計(jì)算出來的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們知道庫侖理論的有效性在實(shí)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(shè)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。基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，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(fā)生的，如圖1（a）、圖1（c）所示，滑移面從基坑底部開始發(fā)展，并逐漸向上貫通至回填土表面。
圖1（a）
圖1（c）
如果墻體向遠(yuǎn)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(yīng)的側(cè)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(chǎn)生這種類型破壞對應(yīng)的側(cè)向壓力稱為“被動土壓力”。
圖1（d）
圖1（e）
采用庫侖理論計(jì)算土壓力時(shí)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(jì)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(fā)揮。
這三個(gè)假設(shè)使計(jì)算土的側(cè)向壓力成為可能，但它們不足以確定土壓力作用點(diǎn)的位置。為了獲得關(guān)于這一點(diǎn)的信息，庫侖不得不補(bǔ)充他的假設(shè):
4.在圖1所示的滑動楔形體abc的每一點(diǎn)上，土的應(yīng)力狀態(tài)都對應(yīng)為“極限平衡狀態(tài)”。這個(gè)假設(shè)自然地引出以下結(jié)論：如果側(cè)向支護(hù)結(jié)構(gòu)的背面和回填土的表面都是平面，則滑動楔體內(nèi)將出現(xiàn)均勻破壞狀態(tài)，其作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)背面的側(cè)向壓力模式則為類似靜水壓力的分布。相應(yīng)的土壓力作用點(diǎn)位于墻體高度的三分之一處。
基于這四個(gè)假設(shè)，庫侖推導(dǎo)出了他著名的土側(cè)壓力計(jì)算公式。然而，工程師們在實(shí)踐中很快就發(fā)現(xiàn)這個(gè)理論還是十分不充分，在面對很多問題時(shí)仍不能給出滿意的答案。沒有考慮砂土密實(shí)度對土壓力的影響;它不能解釋在內(nèi)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?duì)顟B(tài)下，擋土墻背排水性能對土側(cè)壓力的影響;對于在現(xiàn)場的施工人員來說，還有許多其他熟悉的問題。然而，一個(gè)多世紀(jì)以來，土壓力計(jì)算的進(jìn)展卻一直局限于用更方便的圖解方法代替庫侖公式的數(shù)值計(jì)算。理論和現(xiàn)實(shí)之間經(jīng)常發(fā)生矛盾的原因仍然像當(dāng)初一樣模糊不清，教科書里把理論土壓力的預(yù)測在什么情況下，以及在什么程度上是準(zhǔn)確的問題，留給了工程師靠經(jīng)驗(yàn)來決定。這意味著一個(gè)多世紀(jì)以來，該理論的實(shí)際應(yīng)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(dāng)時(shí)工程專業(yè)的進(jìn)步人士似乎已對古典理論失去了耐心。引發(fā)變革的原因很簡單:人們希望知道理論與實(shí)踐產(chǎn)生矛盾的根源。研究理論本身是沒有價(jià)值的，因?yàn)樗耆墙⒃诹W(xué)定律的基礎(chǔ)上的；這些理論的準(zhǔn)確性也不例外。因此，理論與現(xiàn)實(shí)之間存在矛盾的根源只能存在于庫侖理論的基本假設(shè)(1)-(4)中。隨后對基本假設(shè)的研究得出了以下結(jié)果。
通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，式(1)中?的值與砂的休止角不相等，除了處于松散狀態(tài)的干砂。砂的休止角大概在34°左右，與休止角不同，根據(jù)密實(shí)度的不同，砂的內(nèi)摩擦角的值則可以低至休止角，高至大于40°。當(dāng)我第一次發(fā)表這一結(jié)論時(shí)，一名專家指責(zé)我的理論基礎(chǔ)不充分。他說，這一結(jié)論肯定是錯(cuò)誤的。然而在這之后，由于我們的土工測試方法迅速發(fā)展，密實(shí)度對摩擦角值的影響已經(jīng)成為了一種普遍的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在的每個(gè)實(shí)驗(yàn)者都認(rèn)為這是理所當(dāng)然的。
地下水的存在對砂土穩(wěn)定性和側(cè)向壓力的影響，大多數(shù)工程師都是通過假設(shè)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(diǎn)相反，實(shí)驗(yàn)確定了這樣一個(gè)事實(shí):毫無疑問，水對砂土的?值的影響實(shí)際上為零。水對穩(wěn)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(jīng)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(chǎn)生的“潤滑效應(yīng)”（實(shí)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(xì)砂側(cè)壓力的影響。這種效果如圖2所示。覆蓋整個(gè)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。
圖2
在潮濕的氣候條件下，由于水被毛細(xì)管力保持在土體的空隙中，蒸發(fā)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(tài)。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(nèi)的水將不會上升。這將會導(dǎo)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(tài)就會變成完全飽和狀態(tài)。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(jì)算公式可以計(jì)算出水粒子所經(jīng)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(yīng)曲線。根據(jù)水力學(xué)規(guī)律，暴雨將會使d點(diǎn)的水位升高至d’點(diǎn)，即等勢線dd’與墻后排水層的交點(diǎn)。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(shí)間的γh。滑動面的土體的法向壓力p幾乎保持不變。因此，由式(2)可知，暴雨將導(dǎo)致沿滑動面產(chǎn)生的剪切阻力暫時(shí)減小，從而導(dǎo)致側(cè)向土壓力暫時(shí)增大。這可以使側(cè)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(diào)整排水層的位置，例如在“滑裂楔體”內(nèi)，來增強(qiáng)水在豎直方向的移動。這將導(dǎo)致流線的分布在水平向會發(fā)生變化。
因此，我們的探究其實(shí)已和庫侖理論的第一假設(shè)產(chǎn)生了根本性的不同。它消除了一些已知的理論和現(xiàn)實(shí)之間的矛盾。它證明了在水和砂土之間不存在“潤滑效應(yīng)”，而且有助于建立一種既符合水力學(xué)規(guī)律又符合所涉材料物理性質(zhì)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(rèn)為是一項(xiàng)非常重要的成就，因?yàn)樵诠こ虒?shí)踐中，與土相關(guān)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(gè)沒有水的星球上，就不需要土力學(xué)。
根據(jù)庫侖理論的第二基本假設(shè)，滑動面應(yīng)為平面。在庫侖的年代，人們已經(jīng)認(rèn)識到滑動面是彎曲的,但對此產(chǎn)生的誤差的認(rèn)識還很有限。少數(shù)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(shí)際意義。在這方面的理論一直毫無進(jìn)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(jìn)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(shí)形狀，在滑裂楔形體的每一點(diǎn)上都處于極限平衡狀態(tài)的假設(shè)下。結(jié)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。
圖1（e），藍(lán)色部分滑動面為曲面，紅色部分為平面
對于主動壓力，由于假定滑動面為平面而產(chǎn)生的誤差從不超過3%，這是可以忽略不計(jì)的。但是，對于墻背粗糙的圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shí)際用途來說過于復(fù)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(gè)近似的方法來解決這個(gè)問題。其中一種的近似方法是利用對數(shù)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(gè)很重要的缺陷也被修復(fù)了。
根據(jù)第三種假設(shè)，滑動面上土體的抗剪能力均得到了充分發(fā)揮。在天然土層中，或在剛性墻體背后的回填土中，正常狀態(tài)下的剪應(yīng)力與破壞狀態(tài)下的剪應(yīng)力相比是很不顯著的。因此，庫侖理論的第三個(gè)假設(shè)只有在滑動楔體(圖1 (a)中的abc)得到一個(gè)與擋墻破壞之前的變形相對應(yīng)的橫向膨脹的機(jī)會時(shí)，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(jié)合來實(shí)現(xiàn)。土體充分發(fā)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(xué)性質(zhì)來確定的。
對于相當(dāng)密實(shí)的砂土和砂質(zhì)土，抗剪能力發(fā)揮所需的變形量很小，不超過基坑深度的1%。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，庫侖假設(shè)可以在支護(hù)結(jié)構(gòu)沒有大變形的情況下得到滿足。這一經(jīng)驗(yàn)事實(shí)使一些膚淺的研究者得出結(jié)論:土體的抗剪能力的發(fā)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)支撐在不發(fā)生屈曲的情況下的壓縮變形量。此外，通過對粘土物理性質(zhì)的研究，可以明顯地看出，支護(hù)土體的剪應(yīng)力在沒有外部條件發(fā)生變化時(shí)，會隨時(shí)間的推移而變化。結(jié)合這些事實(shí)來看，它們排除了將任何類型的土壓力理論應(yīng)用于計(jì)算軟粘土土壓力的可能性，過去一個(gè)世紀(jì)在這方面所抱的任何希望都必須埋葬。軟粘土側(cè)向土壓力只能從經(jīng)驗(yàn)中獲得，在實(shí)際中測量不同基坑的土壓力，并將結(jié)果與所研究土體性質(zhì)的完整定量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，才能獲得有效的側(cè)向土壓力數(shù)據(jù)。這種測量數(shù)據(jù)目前還很缺乏。因此，我們對此的認(rèn)識是相當(dāng)不足的，工程師設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇賭一把，或設(shè)定一個(gè)保守的安全系數(shù)。
庫侖理論的第四個(gè)也是最后一個(gè)假設(shè)是：滑動楔形體abc的每一點(diǎn)上，土的應(yīng)力狀態(tài)都對應(yīng)為“極限平衡狀態(tài)”。這代表了支護(hù)結(jié)構(gòu)墻背側(cè)壓力三角形分布的條件，如圖1 (a)所示，對應(yīng)的土壓力作用點(diǎn)位于支護(hù)結(jié)構(gòu)高度H的三分之一處。
隨著對土體力學(xué)性質(zhì)認(rèn)識的不斷加深，人們逐漸認(rèn)識到庫侖理論第四假設(shè)所規(guī)定的破壞類型只是工程實(shí)踐中存在的多種可能性之一。在力學(xué)角度上來看，整個(gè)楔體不會同時(shí)發(fā)生破壞，除非支護(hù)結(jié)構(gòu)在其下邊緣附近發(fā)生傾斜而屈服。在其他的例子中——如圖1 (b)所示, 繞支護(hù)結(jié)構(gòu)的上邊緣附近發(fā)生傾斜會產(chǎn)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(fā)展。結(jié)果，靜水壓力分布模式的條件不復(fù)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(yīng)由滑動面和墻背進(jìn)行支撐，其結(jié)果是，下部的土壓力轉(zhuǎn)移到支護(hù)結(jié)構(gòu)的上部，導(dǎo)致土壓力增加。
圖1（b）
土拱效應(yīng)還影響滑動面的形狀。與平面相比,滑動面呈現(xiàn)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(shí)的土壓力分布為近似拋物線,土壓力的作用點(diǎn)位于基坑深度的二分之一處。在工程實(shí)踐中，最接近這種類型的情況應(yīng)該是在砂土地層中的木結(jié)構(gòu)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(shí)，人們都懷著善意接納了。幸運(yùn)的是，這些討論引起了西門子Bau聯(lián)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。考慮到這個(gè)問題的實(shí)際重要性，該公司決定在一個(gè)360英尺（110m）長，約40英尺（12m）深的基坑中測量土壓力。試驗(yàn)選取了10個(gè)不同的斷面上進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3所示。
圖3
盡管與理想的拋物線有著一定的偏差，結(jié)果還是非常一致的。在每一個(gè)斷面中，土壓力作用點(diǎn)位置都位于0.45H到0.55H之間。利用測量的土壓力反推計(jì)算，這些土壓力對應(yīng)的內(nèi)摩擦角為40°。這個(gè)值相當(dāng)于同類型情況下處于最密實(shí)狀態(tài)的砂。因此，我們的結(jié)論是合理的，如圖3所示的壓力分布，是在砂土地基充分發(fā)揮抗剪性能下產(chǎn)生的。最近Lazarus White在紐約的一個(gè)細(xì)砂地層基坑中發(fā)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(zhì)上的不同。因此，圖1 (b)所示的理論結(jié)果經(jīng)受住了與工程實(shí)際對比的嚴(yán)格考驗(yàn)。
如果支護(hù)結(jié)構(gòu)在上下兩端被固定住,在中部因過大的位移發(fā)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(guī)的土拱外，橫向還會發(fā)生另一種土拱，類似于在砂層中設(shè)置活板門上方的土拱。兩種土拱結(jié)合之下，得到的土壓力分布則會呈現(xiàn)出圖1（c）右側(cè)圖所示的特征。
圖1（c）
這種側(cè)壓力產(chǎn)生的彎矩比靜水壓力分布下的土壓力產(chǎn)生的彎矩小得多。丹麥工程師在十多年前就認(rèn)識到這種特殊的壓力分布的存在，因?yàn)楦绫竟睾４嬖谥S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(chǎn)生的，就會出現(xiàn)倒塌。后來，這些發(fā)現(xiàn)被倫敦的Stroyer的實(shí)驗(yàn)調(diào)查所證實(shí)。丹麥工程師的發(fā)現(xiàn)也納入了丹麥相關(guān)駁岸設(shè)計(jì)規(guī)范。這些規(guī)范避免了在設(shè)計(jì)假定中采用靜水壓力分布模式造成的浪費(fèi)。
上文對最近有關(guān)土壓力理論發(fā)展所作的總結(jié)還遠(yuǎn)未完成，但它可能有助于揭示現(xiàn)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(shè)的基礎(chǔ)上的，而這些假設(shè)在實(shí)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(shí)際應(yīng)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(shí)際情況，除了涉及粘土壓力的情況。使這一程序適應(yīng)現(xiàn)有條件的規(guī)則已經(jīng)確立。理論和實(shí)踐間的沖突已經(jīng)被打破。
對于粘土，我們知道，在實(shí)際條件下，假設(shè)其充分發(fā)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(yuǎn)超出了一般土壓力理論的范圍。在今后處理這些問題時(shí)，我們必須在時(shí)刻記著我們對此還一無所知，并通過現(xiàn)場的系統(tǒng)測量和試驗(yàn)積累的可靠經(jīng)驗(yàn)之間作出選擇。
所有這些重要的改進(jìn)都已實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)，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(yù)期的要多得多。一旦認(rèn)識到這些因素的存在，就很容易對理論進(jìn)行相應(yīng)的修正。類似地，所有其他領(lǐng)域的土方工程和基礎(chǔ)工程都進(jìn)行了相關(guān)的研究，以權(quán)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(jīng)典土壓力理論領(lǐng)域的研究結(jié)果。
邊坡穩(wěn)定性
與土壓力密切相關(guān)的是與邊坡穩(wěn)定性有關(guān)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?yàn)樗徽J(rèn)為太簡單了。規(guī)定回填土和基坑邊坡的坡度應(yīng)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(shí)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(shù)據(jù)的任意性，大自然偶爾抗議這種違反自然規(guī)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(dāng)短的時(shí)間內(nèi)，該國的鐵路沿線發(fā)生了幾次嚴(yán)重滑坡，其中一次造成41人死亡。為了避免這類事故的進(jìn)一步發(fā)生，鐵路管理局任命了一個(gè)委員會，包括Fellenius和Olsson等人，調(diào)查現(xiàn)有邊坡的安全性，并提出消除危險(xiǎn)的解決方案。該委員會的研究報(bào)告發(fā)表于1922年。它記載有滑坡現(xiàn)象和當(dāng)時(shí)出現(xiàn)滑坡對應(yīng)的地層的最完整的分析。報(bào)告的結(jié)論揭示了在危險(xiǎn)、復(fù)雜的地區(qū)以符合結(jié)構(gòu)安全的準(zhǔn)則去處理邊坡，將會花費(fèi)巨大，更明智的做法是提前預(yù)測邊坡穩(wěn)定性，預(yù)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(yīng)用“瑞典圓弧法”進(jìn)行邊坡穩(wěn)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(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。該方法的原理如圖4所示。
圖4
在(2c/γ)tan(45° ?/2)深度范圍內(nèi)，其中c為土體的粘聚力，γ為土體的重度，土體發(fā)生張拉破壞；在此深度下土體沿弧ac1滑動，此區(qū)域下滑剪切力已超過抗剪承載力。
現(xiàn)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(shù)。
以O(shè)點(diǎn)為圓心取距，有：
Wd = (lsR)/Gs
Gs = (lsR)/ (Wd) (4)
對于安全系數(shù)Gs最小的滑動面位置，必須通過反復(fù)試驗(yàn)確定。
如果在回填土達(dá)到最終高度之前或之后發(fā)生了滑動，則可用式(4)計(jì)算出抗剪承載力s。滑坡發(fā)生的事實(shí)表明，Gs =1，則方程中包含的其他參數(shù)可以很容易地計(jì)算出來。已知s的值，則可以對填土邊坡進(jìn)行調(diào)整，以滿足安全系數(shù)的規(guī)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(wěn)定性，獲得了很多成功案例。
對于由無粘性的細(xì)粒土組成的土工構(gòu)筑物或天然土坡而言，在暴雨期間最有可能發(fā)生危險(xiǎn)。對于蓄水用途的堤壩，其最危險(xiǎn)的位置是在水庫滿水狀態(tài)下的下游位置。當(dāng)無粘性的土體受到滲流作用時(shí),抗剪強(qiáng)度可以通過方程(3)進(jìn)行計(jì)算:s= (p-hγ)tan?。在這個(gè)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(gè)類似于圖2的流網(wǎng)。通過剪切試驗(yàn)可以得到方程(3)中?的值。一旦知道了滑動面各點(diǎn)的s值，則通過圖形積分確定滑動面的平均剪切阻力s’。計(jì)算的平衡由式(4)進(jìn)行。
確定粘性土的抗剪強(qiáng)度要困難得多。法向壓力和抗剪性能之間的關(guān)系比10年前預(yù)想的要復(fù)雜得多，即使在今天，我們對這一課題的認(rèn)識仍然處于某種有爭議的狀態(tài)。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(tài),一個(gè)微不足道的內(nèi)部或外部干擾,如可能產(chǎn)生的輕微地震或土體內(nèi)部自發(fā)的下陷,都可能會使土體暫時(shí)變成液體狀態(tài),并導(dǎo)致在水平面上流動。這種現(xiàn)象被稱為“液化”。為了使一種材料在適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)下能發(fā)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(shí)狀態(tài)的趨勢。如果這個(gè)要求滿足了，一個(gè)自發(fā)的下陷會將部分土體的重量轉(zhuǎn)移到水中，從而大大增加了水承擔(dān)的壓力uw，而土體中的總應(yīng)力保持不變。根據(jù)公式（2），
s = (p-uw)tan?
在不改變總應(yīng)力p的情況下，水中壓力uw的增加降低了抗剪強(qiáng)度s，其效果與土體內(nèi)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(shí)砂層中，每一次變形都會使砂層產(chǎn)生膨脹的趨勢，這就排除了產(chǎn)生“液化”的可能性。在某些中等密實(shí)的材料中，變形時(shí)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(yàn)，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(chǎn)生的體積變化。觀察到的數(shù)據(jù)用圖表表示。對不同孔隙率的試樣進(jìn)行了試驗(yàn)，圖5中下部的曲線C1代表的是高孔隙率土樣的試驗(yàn)結(jié)果，而曲線Cd則代表低孔隙率的土樣。
圖5
除非土樣破壞時(shí)的體積小于初始體積，否則不會發(fā)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(yīng)的點(diǎn)必定位于水平軸上。僅憑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并不能判斷流液化的危險(xiǎn)是否存在。這在不久前得到了證明，不過代價(jià)是眾多納稅人繳納的稅金。美國一座在建大壩出現(xiàn)了倒塌。在沒有預(yù)警的情況下，幾分鐘內(nèi)就損失了1000萬立方碼的土體。為了避免類似事故的再次發(fā)生，今后這類結(jié)構(gòu)的規(guī)范將規(guī)定，大壩填筑料的孔隙率應(yīng)遠(yuǎn)低于臨界值。
當(dāng)一條現(xiàn)代混凝土路面的高速公路在填土上修建時(shí)，明顯的沉降是不可接受的，否則路面的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)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(shí)度的增大而減小。R.R.Proctor 通過試驗(yàn)證明，一種指定的壓實(shí)方法所產(chǎn)生的壓實(shí)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(shí)效果最好。這種含水量可以通過實(shí)驗(yàn)來確定。這些觀察結(jié)果，最終導(dǎo)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(jīng)成為美國的普遍做法。
在德國，振動壓實(shí)砂土的方法在A. Hertwig先生的帶領(lǐng)下得到了高度的完善。人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動頻率與砂土自身的頻率想接近時(shí)，可以達(dá)到最大的壓實(shí)效果。這個(gè)頻率一般是20Hz~30Hz。幾年前，市場上出現(xiàn)了一種24噸的振動器。振動法也成功地被應(yīng)用于確定填方在施工過程中和施工后的相對壓實(shí)度。
就邊坡的穩(wěn)定性而言，當(dāng)邊坡后方的土體受到滲流力的作用時(shí)，滑坡的可能性最大。這種機(jī)制與另一種可怕的現(xiàn)象密切相關(guān)，那就是管涌導(dǎo)致的大壩破壞。
大壩管涌破壞
在我還是一個(gè)學(xué)徒的時(shí)候，我受雇于一個(gè)總承包商，在碎石地基上建造了一個(gè)混凝土重力壩。在那些日子里，沒有公認(rèn)的規(guī)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(jù)他的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和他所閱讀的關(guān)于類似結(jié)構(gòu)地基的文獻(xiàn)來決定的。水庫第一次蓄水后不久，大壩就因管涌破壞了。混凝土的中部出現(xiàn)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(zāi)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(shè)計(jì)原則。考慮到我們當(dāng)時(shí)的知識水平，他的貢獻(xiàn)是非常重要的。多年來，我一直沒有想到這個(gè)原則竟然會出現(xiàn)紕漏。然而，在1919年，在我開始系統(tǒng)地尋找被忽略的因素之后，我也將管涌現(xiàn)象納入了我的研究計(jì)劃。結(jié)果令人驚訝。
據(jù)Bligh的理論，大壩的抗管涌安全度只取決于地基土的性質(zhì)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(diǎn)進(jìn)入的路徑。
圖6（a）
他將比率：
c=Lc/H=(T1 T2 B T3 T4)/H = (B ΣT)/H (5)
稱為滲流系數(shù)，并規(guī)定細(xì)砂和粉土的滲流系數(shù)不應(yīng)小于18，卵石、礫石和砂土的滲流系數(shù)不小于4 - 6。這些經(jīng)驗(yàn)值來自于對所有數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析，這些數(shù)據(jù)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出法則的特征。然而，經(jīng)過進(jìn)一步的研究，人們總是發(fā)現(xiàn)在這類法則中隱含了一些想當(dāng)然的假設(shè)。如果這種假設(shè)是錯(cuò)誤的，那么無論經(jīng)驗(yàn)的多少，也必須是無效的。Bligh的方法是建立在一個(gè)默認(rèn)的假設(shè)之上的，即臨界滲流系數(shù)只取決于地基土的粒徑大小。“臨界滲流系數(shù)”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(fā)生時(shí)的水頭Hc的比值。
為了確定這個(gè)假設(shè)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(zhì)地基，以及最短的滲流路徑，Lc = 2T。根據(jù)Bligh的假定，臨界水頭Hc，對于所有這些模型壩體應(yīng)該完全一樣。試驗(yàn)結(jié)果并沒有證實(shí)這一假設(shè)，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。
圖6b
圖6c
進(jìn)一步研究這令人不安的結(jié)果，揭示了一個(gè)事實(shí)，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(shí)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(xiǎn)區(qū)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(xiǎn)點(diǎn)作用的“滲透力”j被發(fā)現(xiàn)等于：
j = imaxγo （6）
符號γo表示水的重度。由于這個(gè)力被認(rèn)為是產(chǎn)生管涌的力學(xué)原因，所以應(yīng)該可以通過一個(gè)向下作用的重物來抵消這個(gè)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(xiǎn)點(diǎn)從原來的位置轉(zhuǎn)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(gè)倒濾層之上。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，隨后進(jìn)行了一系列的補(bǔ)充試驗(yàn)。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(fā)現(xiàn)一個(gè)小小的壓重足以增加臨界水頭Hc，使其達(dá)到在之前模型上進(jìn)行試驗(yàn)所得值的許多倍。作為對新概念有效性的一次檢驗(yàn)，我們嘗試在試驗(yàn)前，提前預(yù)測模型大壩的各種試驗(yàn)結(jié)果。嘗試成功了。
圖6（d）
圖6（e）
這些發(fā)現(xiàn)為許多實(shí)際應(yīng)用開辟了道路。在對小型水工構(gòu)筑物上設(shè)置倒濾層有了一定的經(jīng)驗(yàn)后，我為阿爾及利亞的一座土石壩設(shè)計(jì)了一個(gè)40萬平方英尺的倒濾層，其截面如圖7所示。
圖7
大壩壩身下設(shè)置了幾層粉細(xì)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(qū)域被大量填石所覆蓋，因此，地基的破壞會直至管涌發(fā)生時(shí)才會被探測出來，但那時(shí)已為時(shí)已晚。倒濾層的設(shè)置，應(yīng)既可以消除管涌的危險(xiǎn)，同時(shí)又不會在某些區(qū)域引起集中的滲流。為了達(dá)到這個(gè)目的，濾料用砂既不能太粗也不能太細(xì)。圖8顯示了基于濾料選取目的上進(jìn)行的一些試驗(yàn)結(jié)果。
圖8
在圖中，Do代表在半對數(shù)刻度上待防護(hù)砂體的粒徑曲線。研究發(fā)現(xiàn)，只要砂的粒徑曲線與點(diǎn)a和點(diǎn)b之間“15%線”相交，任何粒徑的砂都能達(dá)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(jià)消除管涌的危險(xiǎn)。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(shè)置障礙。
粘土的固結(jié)
盡管時(shí)間因素具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義，但它卻沒有引起人們的注意。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們知道，盡管外部條件沒有發(fā)生變化，建筑物的沉降或隧道的壓力仍可能在多年內(nèi)持續(xù)增大，然而舊的工程教科書可能都無法找到與包含時(shí)間因子的與土層和地基有關(guān)的方程。論及時(shí)間對沉降的影響，最好的例子是在實(shí)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(dǎo)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(guān)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(jīng)驗(yàn)常數(shù)。由于粘土在其自然狀態(tài)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(yīng)數(shù)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(fā)生。這種“固結(jié)滯后”的機(jī)理如圖9所示。
圖9
這張圖顯示了一個(gè)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(gè)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(jié)果，水在水位管中會上升到一個(gè)高度q/γo——高于在施加壓力之前的位置。隨著時(shí)間的推移，彈簧中的壓力增加，相應(yīng)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(fā)生在粘土層表面施加壓力之后。這一過程的力學(xué)性質(zhì)可以用二階偏微分方程來表示，即固結(jié)過程的基本方程。在這個(gè)方程中，其中一個(gè)變量用“時(shí)間”表示。
為了向質(zhì)疑這一理論的人證明在地層下的欠固結(jié)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(cè)的入口建立了一個(gè)觀測井，并將其命名為“固結(jié)理論紀(jì)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(fā)生固結(jié)。因此，水在填土頂部上方幾英尺的套管中一直上升。水位標(biāo)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(gè)驚人的現(xiàn)象。
1919年，在研究固結(jié)理論時(shí)，我做了如圖10 (d)所示的試驗(yàn)。
圖10（d）
一層軟弱的粘土被放置在一個(gè)圓柱形的容器里，下面是一層沙子。旋塞a關(guān)閉，上層供水水位維持在A標(biāo)高。當(dāng)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(jié),此時(shí)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(xù)維持在A標(biāo)高。通過開啟旋塞a，粘土水平截面上的總正壓力沒有發(fā)生變化，但粘土中的水壓uw則從原來明顯降低到一個(gè)較低的值。由式(7)可知，在q不變的情況下，uw的減小會導(dǎo)致粘土的孔隙率減小，從而使粘土進(jìn)行新一輪的固結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果充分證實(shí)了這一理論預(yù)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(biāo)高。
在這個(gè)測試進(jìn)行的過程中，我被邀請合作共同完成一個(gè)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目后來被證明是一個(gè)與我實(shí)驗(yàn)室模型相同的大尺寸重復(fù)試驗(yàn)。
一家蒸汽發(fā)電廠的業(yè)主希望為他們的發(fā)電廠建立私人供水系統(tǒng)（圖10a及圖10b）。為了達(dá)到這個(gè)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。
圖10（a）
圖10（b）
由于獲得了充足的水源，業(yè)主欣喜若狂。然而，與此同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)發(fā)電廠的沉降正在迅速增加，這使他們的歡樂中帶了一絲擔(dān)憂。幾個(gè)月后，發(fā)電廠靠近水井的那個(gè)角落就有了超過1英尺（30cm）的下陷。盡管抽水作業(yè)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(xiàn)象之間存在因果關(guān)系，人們認(rèn)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(guān)閉后，業(yè)主們驚訝地發(fā)現(xiàn)沉降實(shí)際上已經(jīng)停止。
圖10（c）
在這一事件發(fā)生的時(shí)候，奧斯陸的地鐵還未完成建設(shè)。該項(xiàng)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(fù)一日。在開始抽水的同時(shí)，位于隧道上方的建筑物也開始逐漸遭到破壞。這又被認(rèn)為是不可思議的天意。直到后來建設(shè)完成時(shí)，密集的訴訟開始的時(shí)候，固結(jié)理論才被人們記住。
在1936年國際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會議上，荷蘭工程師們交流了觀察到的有關(guān)地下水位下降所產(chǎn)生的沉降的數(shù)據(jù)，沉降是在挖掘一個(gè)900英尺×160英尺×20英尺深的基坑時(shí)發(fā)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(dá)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(yàn)結(jié)果，可以較為準(zhǔn)確地計(jì)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(gè)相對簡單的過程的機(jī)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(qū)下面的一些砂層的地下水，造成了災(zāi)難性的后果。由于位于砂層上的軟粘土層的固結(jié)，城市的一些地方已經(jīng)下沉超過10英尺（3m），對建筑物和下水道系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞。沉降的成因一直是固結(jié)理論的發(fā)起者和反對者爭論不休的話題。
獨(dú)立基礎(chǔ)與筏板基礎(chǔ)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(diào)傳遞的重要話題之一。獨(dú)立基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)的沉降則是又一個(gè)重要話題。讀者可能會發(fā)現(xiàn)，在一些手冊中，設(shè)計(jì)類似的基礎(chǔ)僅需簡單地按規(guī)定選取“容許承載力”,并以此指導(dǎo)一般土層的承載力(硬粘土，砂,等等),或用于作為基礎(chǔ)下平板載荷試驗(yàn)的目標(biāo)值。讀者可以放心地相信，如果不超過“容許承載力”，就不必?fù)?dān)心沉降問題。退一步說，他至起碼相信在加載區(qū)域內(nèi)，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(diǎn)都是不合理的。根據(jù)L. Casagrande在德國公路橋梁橋墩和橋墩連接處進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果，這些結(jié)構(gòu)的沉降范圍如下:
由于世界各地關(guān)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(diào)查結(jié)果反應(yīng)的不僅僅是當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)。
地基荷載均勻分布及沉降均勻分布的假設(shè)不僅與Boussinesq理論相矛盾，同時(shí)也與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相矛盾。幾年前，我應(yīng)邀為如圖所示的圓柱形蓄水箱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，該蓄水箱由鋼板焊接而成，如圖11 (a)所示。
圖11（a）
根據(jù)Boussinesq的理論，我預(yù)測基底將會出現(xiàn)碗型的沉降，我認(rèn)為有必要為構(gòu)筑物設(shè)計(jì)一個(gè)柔性基礎(chǔ)。最終，構(gòu)筑物被放置在一個(gè)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(gè)不同時(shí)期的基底沉降。盡管荷載分布完全均勻，但沉降表現(xiàn)出碗狀的預(yù)期特征。
圖11（b）
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(xué)響應(yīng)一定比在中心處高得多。因此，除非筏板的設(shè)計(jì)能夠承受由于荷載分布和反力不同而產(chǎn)生的彎矩，否則筏板很可能會出現(xiàn)斷裂。這個(gè)簡單的結(jié)論被一家試圖對如圖11所示的地基設(shè)計(jì)進(jìn)行改良的公司驗(yàn)證了，并付出了巨大的代價(jià)。由于這家公司認(rèn)為4英寸厚的板不足以支撐一個(gè)沉重的結(jié)構(gòu)，因此決定將新的蓄水箱基礎(chǔ)變更為在一塊由幾英尺深的肋加強(qiáng)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(yù)測基底中部會有較大的沉降。由于混凝土板設(shè)計(jì)得過于剛性，無法適應(yīng)構(gòu)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(dú)立基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)底部接觸的土層。然而，為了避免有經(jīng)濟(jì)頭腦的設(shè)計(jì)師做出過于自由的解釋，規(guī)范通常規(guī)定，滿足要求的土層厚度應(yīng)延伸至基礎(chǔ)以下至少10英尺的深度。如果一個(gè)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(fā)生固結(jié)。其結(jié)果是顯而易見的。我還記得一個(gè)案例，一個(gè)建筑物的基礎(chǔ)建立在非常密實(shí)的砂礫土層之上，地基“好”到每平方英尺能承受至少4噸力。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的“容許承載力”為每平方英尺2.5噸力。在基礎(chǔ)下部23英尺深的地方，下臥有50英尺厚的軟粘土。現(xiàn)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(dāng)最大沉降量達(dá)到2英尺（60cm）時(shí)，業(yè)主們開始擔(dān)心起來，要求加固地基。為了做到這一點(diǎn)，決定將基礎(chǔ)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(xiàn)有基礎(chǔ)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(fù)載2.5噸力的優(yōu)質(zhì)礫石地層竟然產(chǎn)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(chǔ)之間，幾乎沒有損傷，盡管相鄰的基礎(chǔ)出現(xiàn)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(shí)間沉降曲線的趨勢產(chǎn)生任何影響。
為了更清楚地了解合理設(shè)計(jì)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(gè)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(jié)果。基于“容許承載力”方法的地基設(shè)計(jì)是基于一種默認(rèn)的假設(shè)，即沉降僅僅取決于基礎(chǔ)下10英尺深度范圍土層的性質(zhì)。然而在現(xiàn)實(shí)中，基礎(chǔ)沉降則取決于建筑物寬度1.5倍深度范圍內(nèi)土層的性質(zhì)，基礎(chǔ)的尺寸及間距，基礎(chǔ)的埋置深度，以及，基礎(chǔ)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(shí)間的函數(shù)。
一旦搞清楚了問題里不同因素的性質(zhì)，總是有可能找到一些解決辦法。雖然我們的設(shè)計(jì)方目前仍然距離完美很遙遠(yuǎn),但是在國際土力學(xué)與基礎(chǔ)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(yù)測沉降大小,分布模式和粘土地基上的沉降規(guī)律上取得了不錯(cuò)的成績。考慮到記錄在案的錯(cuò)誤判斷類型和數(shù)量，我們認(rèn)識到了過去設(shè)計(jì)方法的不足，而且認(rèn)識到沉降問題中所涉及的因素的性質(zhì)，就已經(jīng)代表著一種具有深遠(yuǎn)現(xiàn)實(shí)意義的改進(jìn)。
樁基礎(chǔ)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(shè)置樁將重量轉(zhuǎn)移到下部土層。教科書中規(guī)定了使用打樁公式計(jì)算或進(jìn)行現(xiàn)場試樁，以估計(jì)樁的承載力。
打樁公式是以牛頓的碰撞理論為基礎(chǔ)的。它們代表了錘擊產(chǎn)生的樁貫入力與貫入阻力Qd之間的關(guān)系。很明顯， Qd代表了動阻力或樁在瞬態(tài)貫入時(shí)的阻力。1925年，我發(fā)表的研究結(jié)果表明，樁的動阻力與靜阻力之間沒有任何關(guān)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(shí)起，這些結(jié)論被上海的黃浦浚浦局在Herbert Chatley博士的指導(dǎo)下進(jìn)行的打樁測試結(jié)果所證實(shí)，以及其他類似案例的研究。因此，打樁公式只有在少數(shù)特殊情況下才是可靠的。
載荷試驗(yàn)提供了單樁荷載與沉降關(guān)系的信息。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(guān)系。普遍認(rèn)為，單樁載荷試驗(yàn)的良好結(jié)果可以消除整個(gè)樁群發(fā)生嚴(yán)重沉降的可能性，這是土木工程領(lǐng)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(dǎo)致的實(shí)際后果。這是一個(gè)令人印象深刻的例子。這座宏偉的建筑旨在建設(shè)成高標(biāo)準(zhǔn)工程中的杰出典范。根據(jù)設(shè)計(jì)師在初步方案階段發(fā)表的聲明，地基的設(shè)計(jì)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(yù)測的準(zhǔn)確性，通過21個(gè)測試鉆孔和3個(gè)測試井對現(xiàn)場進(jìn)行了勘探。另外，還打入了試驗(yàn)樁80根，并進(jìn)行載荷試驗(yàn)38次。根據(jù)載荷試驗(yàn)結(jié)果和打樁記錄，設(shè)計(jì)人員對打樁公式進(jìn)行了修改，使其適應(yīng)建筑場地現(xiàn)有的地基土條件。最后，準(zhǔn)確地布置每根樁，以使每根樁承受荷載產(chǎn)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。
圖12（b）
圖12（c）
建設(shè)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(dāng)我參觀這座建筑時(shí)，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(gè)緊急電話，要我去視察一幢正在建造中的建筑，據(jù)說它已經(jīng)開始以驚人的速度下沉，原因完全無法理解。地基立在數(shù)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(yàn)中樁貫入0.25英寸所需荷載的三分之一。附近的一個(gè)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(yè)主正打算放棄這個(gè)工程，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的咨詢工程師則因精神崩潰而進(jìn)了醫(yī)院。沉降的原因在于30英尺厚的冰川粘土層的緩慢固結(jié)，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(jì)算的曲線基本一致。
從那時(shí)起，我?guī)缀趺恳荒甓紩錾项愃频谋瘎 Ｎ蚁肫鹆藥讉€(gè)月前一起比較有啟發(fā)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(jié)構(gòu)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。
圖13（a）
圖13（b）
建筑物單樁的承載力是綽綽有余的，而基礎(chǔ)沉降完全是由粘土層的固結(jié)引起的。沉降一直在增長。圖14左側(cè)顯示了實(shí)測沉降的等值線，右側(cè)則是在建筑物完全柔性假定下的沉降計(jì)算等值線。
圖14
通常情況下，建筑物重量導(dǎo)致基底發(fā)生碗狀/槽狀的沉降，這是粘性土層受荷的特征。實(shí)測曲線與計(jì)算曲線的差異主要是由于建筑物的剛度差異導(dǎo)致的。這種影響也表示在圖15的剖面圖中。
圖15
剛度影響彎曲表面曲率的大小，但平均沉降量不變。根據(jù)我對圖11所示蓄水箱沉降的評價(jià)，如果不將一部分荷載從中心轉(zhuǎn)移到加載區(qū)域的外圍，差異沉降是不可能減小的。這種荷載轉(zhuǎn)移是由結(jié)構(gòu)本身完成的。如果結(jié)構(gòu)不夠堅(jiān)固，承受不了與轉(zhuǎn)移相關(guān)的應(yīng)力，就會發(fā)生破壞，如圖11所示的蓄水箱新基礎(chǔ)就是這種情況。
這一推理得出了一個(gè)關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)框架建筑的重要結(jié)論。根據(jù)公認(rèn)的鋼結(jié)構(gòu)框架建筑設(shè)計(jì)規(guī)則，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)是建立在一個(gè)完全剛性的基礎(chǔ)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(dǎo)致了建筑重量的一部分從內(nèi)柱轉(zhuǎn)移到外柱。因此，鋼框架至少下部的應(yīng)力往往與設(shè)計(jì)者預(yù)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(xiǎn)來源，不符合結(jié)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)件的安全系數(shù)應(yīng)接近這一基本規(guī)則。到目前為止，還不知道實(shí)際應(yīng)力與理論應(yīng)力偏離的誤差百分比。因此，似乎有必要繼續(xù)積累一些有關(guān)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(shè)計(jì)師因粗心大意和無能而遭受指責(zé)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在地基設(shè)計(jì)中，建議盡最大可能來預(yù)測后續(xù)可能發(fā)生的沉降。
取樣及試驗(yàn)
對沉降進(jìn)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(nèi)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(jìn)行調(diào)查時(shí)，注意到了在不改變含水量的情況下“揉捏”黏土的軟化現(xiàn)象,并進(jìn)行了記載。后來，Casagrande發(fā)現(xiàn)了類似的“揉捏”對側(cè)限條件下粘土抗壓性能的影響。由于這些發(fā)現(xiàn)，有必要發(fā)展減少土樣擾動的取樣方法。當(dāng)1925年我第一次在美國進(jìn)行地質(zhì)勘探時(shí),一個(gè)勘探承包商對我的要求感到不可思議.我要求他在鉆孔內(nèi)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(dāng)我1936年再次回到美國時(shí)，我最初的、非常不令人滿意的取樣方法已被精心設(shè)計(jì)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(shí)際上已經(jīng)消失了。德國、法國、丹麥和許多其他國家也出現(xiàn)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(jīng)很成熟，并且取樣單價(jià)也十分合理。
另一項(xiàng)重要的進(jìn)展是以試驗(yàn)?zāi)康倪x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(xí)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(gè)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(rèn)為是均勻粘土的區(qū)域，在一英尺（30cm）深度范圍內(nèi)含水量的變化。
圖16
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(guān)地層至少一種性質(zhì)沿深度范圍內(nèi)變化的完整數(shù)據(jù)。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(nèi)土工試驗(yàn)的樣本。最后采用統(tǒng)計(jì)方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均。
上述的“偏離調(diào)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(hù)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(yàn)之前，芯樣管會被切割成數(shù)個(gè)6英寸（150mm）長的樣本，然后決定好每個(gè)樣本所需測試的性質(zhì)，如天然含水率，或天然含水率與對應(yīng)的抗壓強(qiáng)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(nèi)筒或內(nèi)襯是可拆卸的，在運(yùn)輸和儲存過程中用作保存樣品的容器。
圖17（a）、（b）
目前，Hvorslev正在編寫一份詳細(xì)的研究報(bào)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(bào)告是為美國土木工程師學(xué)會（ASCE）取樣與測試、土力學(xué)和地基分部委員會編寫的。
不久前，我得到了一個(gè)為芝加哥地鐵管理局組織大型地質(zhì)勘探的機(jī)會。這個(gè)項(xiàng)目可以作為典型地質(zhì)勘探流程的案例來分享。地鐵的設(shè)計(jì)總長為40000英尺（1.2公里）。該項(xiàng)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。“偏離調(diào)查”包括深度至隧道仰拱底部以下10英尺深的150個(gè)勘探鉆孔。這些鉆孔是由承包商在成本中另外出錢做的，價(jià)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(biāo)包括取樣管在土層的貫入阻力、天然含水量和抗壓強(qiáng)度。這些測試是在地鐵當(dāng)局專門為項(xiàng)目設(shè)立的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。土工試驗(yàn)報(bào)告每天都會進(jìn)行更新，并將數(shù)據(jù)記錄在一張方格網(wǎng)圖紙上，將對應(yīng)點(diǎn)根據(jù)不同位置的坐標(biāo)標(biāo)出。首先，地質(zhì)勘探報(bào)告會作為未來隧道結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ);其次，它們還可以在投標(biāo)前向承包商提供關(guān)于地質(zhì)條件的詳細(xì)信息，并可以防止承包商根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)無根據(jù)地提價(jià)。在地鐵一小區(qū)段所獲得隧道施工經(jīng)驗(yàn)，只有在兩個(gè)地點(diǎn)的地質(zhì)條件大致相同的情況下，才能作為另一段施工的可靠指導(dǎo)。從表面上看，芝加哥黏土層似乎相當(dāng)均勻，但研究表明，黏土的性質(zhì)在水平方向和垂直方向上有驚人的差異。勘探報(bào)告無法避免舊鉆孔或砂礫石夾層發(fā)生突涌的風(fēng)險(xiǎn)。然而，它確實(shí)排除了在不知情的情況下，將相當(dāng)厚度的粘土切割成異常軟弱土層的風(fēng)險(xiǎn)。勘探報(bào)告使承包商可以充分利用在以往建設(shè)中獲得的任何經(jīng)驗(yàn)，并保護(hù)地鐵管理局今后免受程序失當(dāng)?shù)闹缚亍Ｅc這些好處的資本化價(jià)值相比，地質(zhì)勘探的成本幾乎可以忽略不計(jì)。
相關(guān)法律的新進(jìn)展
在討論應(yīng)用土力學(xué)的不同分支時(shí)，我引用了許多涉及經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)者的預(yù)期而引起。這種情況總是會導(dǎo)致一個(gè)尷尬的問題:誰應(yīng)該對此負(fù)責(zé)?
本世紀(jì)初，工程師有權(quán)指控他設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)失事是一種可悲的“天災(zāi)”，他能夠通過編寫包含當(dāng)代權(quán)威知識精髓的教科書來證明自己的主張。由于這些權(quán)威書籍幾乎沒有提到沉降和管涌的存在，沒有人能責(zé)怪普通工程師忽視或誤解這些現(xiàn)象。工程師進(jìn)行了現(xiàn)場載荷試驗(yàn)，并認(rèn)真地遵循了公認(rèn)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(yù)防措施，如果發(fā)生了沉降損害，他有權(quán)認(rèn)為這種情況是不是人為導(dǎo)致的，并拒絕承擔(dān)責(zé)任。
然而,只要相關(guān)專業(yè)人士有能力對某種現(xiàn)象進(jìn)行一定精度的預(yù)測，如圖14中的沉降圖所示,以及有很多相關(guān)案例可參考,這種現(xiàn)象不再可以被稱為“天災(zāi)”。這同樣適用于抽水對臨近建筑結(jié)構(gòu)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(xiàng)目。今天，仍然有人認(rèn)為這些分析方法過于新穎，只能局限于少數(shù)專家圈子內(nèi)應(yīng)用，并以此作為借口。人們確實(shí)不能責(zé)怪一位醫(yī)生，僅因?yàn)樗麤]有采用一種最近發(fā)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(yuǎn)成立，而且法院將對拒絕承認(rèn)土力學(xué)的工程師作出不利判決。這個(gè)時(shí)刻即將到來。因此，積極參與在土木工程這一落后領(lǐng)域，擴(kuò)大我們的知識面來熟悉這一學(xué)科，符合土木工程專業(yè)所有成員的切身利益。
總結(jié)
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(jī)理理論。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本世紀(jì)初出版的教科書所體現(xiàn)的原始概念的范圍。考慮到這些科學(xué)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?
我沒有親自回答這個(gè)問題，而是引用William Anderson博士的話說:“自1848年以來，理論凌駕于經(jīng)驗(yàn)之上的地位逐漸確立，盡管有時(shí)候，在應(yīng)用理論知識時(shí)導(dǎo)致的災(zāi)難和那些由于缺乏理論依據(jù)而造成的災(zāi)難一樣嚴(yán)重;在這方面，有能力和成功的工程師仍然會表現(xiàn)出這樣的形象:在工作中，他會小心翼翼地讓理論和實(shí)踐并行不誤，總是一個(gè)幫助和引導(dǎo)另一個(gè)，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(xué)中最新的進(jìn)展將大大提高經(jīng)驗(yàn)豐富工程師的能力。我的觀點(diǎn)一再得到經(jīng)驗(yàn)豐富的從業(yè)人員的證實(shí)，他們的發(fā)言足夠開明，能夠欣賞和消化我們的勞動成果。與此同時(shí)，我不禁對許多新一代工程師因我們的知識而產(chǎn)生的自信深感憂慮，因?yàn)?再次引用安德森博士的話)“在缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(shù)是基于不能準(zhǔn)確地在實(shí)踐中重現(xiàn)的假設(shè)之上的。在任何情況下,這些公式經(jīng)常無法考慮假設(shè)帶來的干擾,只有通過觀察和經(jīng)驗(yàn)來預(yù)見,以及常識來驗(yàn)證。”
1893年，這句話針對的一批即將畢業(yè)的，在理論上訓(xùn)練有素的結(jié)構(gòu)工程師說的。1939年的今天，這些金玉良言應(yīng)該被裝裱起來，掛在每間進(jìn)行土力學(xué)研究的房間墻上。為了完成它在工程上的使命，科學(xué)必須被賦予合作伙伴的角色，而不是主人。
