1916年9月中旬太沙基應福希海默邀請前往土耳其君士坦丁堡工程學院任教。雖然太沙基對工程學院的現狀表示失望，但是能夠教書授課一直是他所渴求的，在這裡任教對他學術發展也是個很好的機會。他打算藉此機會好好梳理下自己在地質學、工程學方面的想法，重新開始基礎工程方法學的研究。太沙基由此重歸學術研究之路。

編纂基於地貌的土體工程學書籍

太沙基編寫這本書的初衷是為了探討在地質環境中的工程建設問題。他將沖積平原、砂蝕高原、熔岩高原等型別的高原，還有丘陵、裸露的巖體、山地、高山等土工工程中常見的地質難題進行了歸類。

福希海默應用水力學的啟發

福希海默是橋樑和鐵路專家，在亞琛和格拉茨擔任過教授，是一位經驗豐富的工程師，同時也是一位傑出的工程數學家。福希海默將熱在固體中的傳導和水在多孔介質中的運動作了數學類比分析，運用常用的熱在固體中傳導的解法求解水在多孔介質中的運動，這種做法不僅是先驅性的，不僅改變了地下水領域的研究方法，也為太沙基進一步研究土力學奠定了基礎。

思想觀念的轉變：地質描述—定量化評價

1917年太沙基重新認真思考了他在美國收集的資料。他認為這些資料明顯不能作為全面的依據。純粹的地質描述不足以為工程學決策提供依據，在波蘭特時他就意識到了這一點太沙基打算擴充他在工程地貌學方面的手稿，用原始的公式來描述黏土堤岸的滑坡運動以及隧道透過黏土層時受到的荷載。

他接著集中研究了怎樣才能充分描述工程荷載作用下土體的特性。

若把土體作為一種工程材料，首先得弄清它們在不同荷載作用下是如何變形的。而

如果要定量的描述這種變形，就需要開發土體測試裝置，推進理論研究，從而將測試結果轉化為描述土體基本性質的變數。太沙基決定從砂土開展系統研究。

擋土牆和支擋結構上的土壓力問題

太沙基開展土壓力研究的試驗裝置

蘇格蘭的朗肯教授和法國數學家庫倫提出的擋土牆所受土壓力的前提假設是：土體是均質的固體。此外，忽略了土體和牆體的變形問題。

太沙基認為這種均質假設是一種本質性錯誤，並且土體變形對於土壓力的結果至關重要。太沙基基於砂是由單個顆粒組成的這樣一個事實開始開展研究。

太沙基首先研究的問題是砂層表面下某個指定深度處的側向壓力是多少。如果砂和流體屬於同一種性質的材料，那麼砂層表面以下任一深度處的水平壓力都將等同於其豎向壓力（該深度以上砂土的自重產生的壓力），因為理想流體沒有抗剪強度，這也就意味著它本身並不存在變形抗力。然而砂是有抗剪強度的，所以在地下任一深度處，其靜止的水平壓力都應當小於其豎向壓力。

接下來太沙基自行製作試驗裝置，在幾個月的時間內對不同擋牆進行了數百次試驗，包括不同牆傾角、回填土的密度及回填土的幾何形狀等。太沙基第一次真正確定了土體對支擋結構的作用力方向；在砂土對牆體壓力的影響因素中，土和牆的整體應力及應變狀態是關鍵。太沙基的研究成果發表後得到了眾多好評，如“

把土體作為工程材料是土木工程學領域極其重大的問題

”，“

太沙基的文章將引領土工學的進步

”等。

1918年因為戰爭流落街頭、極度窘迫的太沙基得到了美國在君士坦丁堡的羅伯特學院的教職。同年，福希海默也因為戰爭原因來到了羅伯特學院。1918年底太沙基帶著家人住進了學校為他們租的房子。在這裡，太沙基要講授包括灌溉、節水、理論水力學、鋼筋混凝土、天然氣機械、工程地質、砌體結構等多門課程。同時開始土體管湧研究。

土體滲流特性與管湧的研究

福希海默是第一個意識到電流和水流之間有類比關係的人，他採用了物理電學中採用的“流網”圖解法，來解決實際水力學問題。太沙基曾邀請福希海默參與到砂土壩基的物理性狀的研究上去，但是福希海默表示他對自己理論的應用並不感興趣。福希海默的流網在解決砂土地基大壩問題的應用中表明：水流穿過壩基，從大壩下面往下游流動、聚集的過程中，流水產生的力是向上的。向上的滲流力和砂土顆粒的自重應力方向相反，由此減少了砂土顆粒之間的相互擠壓力。當滲流力和砂土自重應力相等時，一些砂土中的細小顆粒往往會彼此剝離，砂土可能會受到侵蝕。而水壩下某處砂粒的侵蝕將很快導致壩下產生空洞區，繼而產生管湧，結果可能導致整個水庫洩盡，水壩和下游設施被破壞，這種現象在工程界偶有發生。

太沙基靠著羅伯特學院少量撥款，開始建立自己的實驗室，東拼西湊甚至在學校的垃圾堆裡搜尋材料。太沙基向觀察增加向上滲流力對土體滲透性的影響。太沙基認為：滲流力在任何截面上都與單位面積透過的水量（流量）成正比，與土體的滲透性成反比。福希海默的流網能夠計算出各式大壩結構任何部位的流量。因此，確定砂土滲透係數將完善該體系規律的研究。最重要的是太沙基想觀察管湧形成的物理原理。

太沙基的試驗結果非常明確：隨著穿過砂柱的向上滲流力的增加，滲流量（根據達西定律）按比例增加，直到向上的滲流力與砂柱的浮容重相等。之後，滲流量會立顯著上升，與此同時，砂土的內部結構完全改變，變得非常鬆散。換句話說，砂土的結構自動重組，形成一種更加鬆散且滲透性更高的構造，以重新建立其自重與變小的滲流力之間的平衡。

太沙基隨後建立了各種形狀的水壩模型，並觀察了水壩蓄水後水位逐漸提高帶來的影響。隨著水位高度的增加達到某個臨界高度後，壩址水面以下的砂土將呈“沸騰”狀，這是由於土體中的細顆粒遭受侵蝕所致；很快，大壩底下會因侵蝕產生隧道形狀的通道，水庫裡的水便會立即湧向通道—出現典型的“管湧”破壞。這個臨界高度完全可以根據滲流路徑中最薄弱點的流量和滲透係數計算出來，而最薄弱點通常位於大壩下游壩址處。

為了預防管湧的發生，太沙基提議在管湧可能發生的最薄弱位置安裝一個壓重過濾器。經過測試後，太沙基將該措施應用於工程實踐，取得了良好的經濟效益。

定量確定土體的性狀

1919年3月，太沙基在土體滲透方面獲得成功後，他開始制定新的試驗計劃，試驗的目的是定量確定土體的性狀，從而在應用工程學中採用合理、系統的方法取代工程中的臆測。

這次太沙基以黏性土為研究物件。太沙基認為有必要確定每種土體中黏土的比例，因為黏土的黏結作用是決定土體特性最重要的因素。黏土穩定性的決定性因素時黏土含水量和含水量隨載荷的變化。

太沙基認為所有鬆散、未膠結的沉積物的效能都取決於內部顆粒之間接觸點的相互作用力。試驗必須闡明這些力的本質。這些力源自自身重力產生的壓力及水與土顆粒表面接觸時產生的化學力。研究礦物顆粒間的摩擦力，以及水的黏性和表面張力是非常重要的，後者可在土顆粒間形成的細小孔隙裡的空氣-水介面上產生毛細力，而很細的黏土顆粒間也會因為相互接觸而產生化學鍵力。

透過試驗，太沙基開始理解流砂現象，水流過土樣時產生的滲透力可能會突然抵消土顆粒之間的相互作用，從而導致土體結構崩塌。他推斷出，滲透力的持續增加可能會導致土顆粒間作用力的持續減小。他繼續推理，認為即使沒有發生滲流現象，只要增加土體孔隙中的靜水壓力，顆粒間的作用力也同樣會減小。

他幾乎可以預測到：土顆粒間作用力的不斷減小和土體強度持續下降之間的關聯。

此後，太沙基又在反覆的實驗得到了黏土的彈性模量。透過試驗，太沙基發現了土樣在載入後的壓縮會延遲發生的原因：黏土的滲透性會隨著透過土樣水流的水力梯度的減小而顯著下降。這一現象意味著，就像砂土一樣，水力梯度的增加會導致滲透性的增加，這表明，黏土和砂土一樣，當滲流力增加時，顆粒間的作用力減少，也說明水會在黏結力的作用下牢牢的吸附在黏土顆粒之間。

有效應力的提出

1923年10月初，太沙基正在整理土力學的新體系，並將其撰寫成書稿《基於土體物理性質的土工力學》，至此他完全搞明白了，

黏土外部壓力的增加會導致同幅度的黏土內部孔隙水壓力的瞬間增加。在孔隙水壓力開始消散前，土顆粒間的接觸壓力不會增加。假設土體的孔隙水壓力值為u，外部壓力大小為p，只有p-u的值才是土顆粒間相互作用力的有效值。太沙基稱這個量為“作用在黏土固結相上的壓力”，這就是如今所謂的“有效應力”。

參考資料：

Richard E. Goodman. Karl Terzaghi the engineer as artist.1998

朱合華等譯. 工程藝術大師：卡爾·太沙基.2020

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