土力学的发展方法（土力学之父系列）
土力学的发展方法（土力学之父系列）挡土墙和支挡结构上的土压力问题若把土体作为一种工程材料，首先得弄清它们在不同荷载作用下是如何变形的。而如果要定量的描述这种变形，就需要开发土体测试设备，推进理论研究，从而将测试结果转化为描述土体基本性质的变量。太沙基决定从砂土开展系统研究。福希海默是桥梁和铁路专家，在亚琛和格拉茨担任过教授，是一位经验丰富的工程师，同时也是一位杰出的工程数学家。福希海默将热在固体中的传导和水在多孔介质中的运动作了数学类比分析，运用常用的热在固体中传导的解法求解水在多孔介质中的运动，这种做法不仅是先驱性的，不仅改变了地下水领域的研究方法，也为太沙基进一步研究土力学奠定了基础。思想观念的转变：地质描述—定量化评价1917年太沙基重新认真思考了他在美国收集的数据。他认为这些数据明显不能作为全面的依据。纯粹的地质描述不足以为工程学决策提供依据，在波兰特时他就意识到了这一点太沙基打算扩充他在工程地貌学方面的手稿，用原
1916年9月中旬太沙基应福希海默邀请前往土耳其君士坦丁堡工程学院任教。虽然太沙基对工程学院的现状表示失望，但是能够教书授课一直是他所渴求的，在这里任教对他学术发展也是个很好的机会。他打算借此机会好好梳理下自己在地质学、工程学方面的想法，重新开始基础工程方法学的研究。太沙基由此重归学术研究之路。
编纂基于地貌的土体工程学书籍
太沙基编写这本书的初衷是为了探讨在地质环境中的工程建设问题。他将冲积平原、砂蚀高原、熔岩高原等类型的高原，还有丘陵、裸露的岩体、山地、高山等土工工程中常见的地质难题进行了归类。
福希海默应用水力学的启发
福希海默是桥梁和铁路专家，在亚琛和格拉茨担任过教授，是一位经验丰富的工程师，同时也是一位杰出的工程数学家。福希海默将热在固体中的传导和水在多孔介质中的运动作了数学类比分析，运用常用的热在固体中传导的解法求解水在多孔介质中的运动，这种做法不仅是先驱性的，不仅改变了地下水领域的研究方法，也为太沙基进一步研究土力学奠定了基础。
思想观念的转变：地质描述—定量化评价
1917年太沙基重新认真思考了他在美国收集的数据。他认为这些数据明显不能作为全面的依据。纯粹的地质描述不足以为工程学决策提供依据，在波兰特时他就意识到了这一点太沙基打算扩充他在工程地貌学方面的手稿，用原始的公式来描述黏土堤岸的滑坡运动以及隧道通过黏土层时受到的荷载。他接着集中研究了怎样才能充分描述工程荷载作用下土体的特性。
若把土体作为一种工程材料，首先得弄清它们在不同荷载作用下是如何变形的。而如果要定量的描述这种变形，就需要开发土体测试设备，推进理论研究，从而将测试结果转化为描述土体基本性质的变量。太沙基决定从砂土开展系统研究。
挡土墙和支挡结构上的土压力问题
太沙基开展土压力研究的试验装置
苏格兰的朗肯教授和法国数学家库伦提出的挡土墙所受土压力的前提假设是：土体是均质的固体。此外，忽略了土体和墙体的变形问题。
太沙基认为这种均质假设是一种本质性错误，并且土体变形对于土压力的结果至关重要。太沙基基于砂是由单个颗粒组成的这样一个事实开始开展研究。
太沙基首先研究的问题是砂层表面下某个指定深度处的侧向压力是多少。如果砂和流体属于同一种性质的材料，那么砂层表面以下任一深度处的水平压力都将等同于其竖向压力（该深度以上砂土的自重产生的压力），因为理想流体没有抗剪强度，这也就意味着它本身并不存在变形抗力。然而砂是有抗剪强度的，所以在地下任一深度处，其静止的水平压力都应当小于其竖向压力。
接下来太沙基自行制作试验设备，在几个月的时间内对不同挡墙进行了数百次试验，包括不同墙倾角、回填土的密度及回填土的几何形状等。太沙基第一次真正确定了土体对支挡结构的作用力方向；在砂土对墙体压力的影响因素中，土和墙的整体应力及应变状态是关键。太沙基的研究成果发表后得到了众多好评，如“把土体作为工程材料是土木工程学领域极其重大的问题”，“太沙基的文章将引领土工学的进步”等。
1918年因为战争流落街头、极度窘迫的太沙基得到了美国在君士坦丁堡的罗伯特学院的教职。同年，福希海默也因为战争原因来到了罗伯特学院。1918年底太沙基带着家人住进了学校为他们租的房子。在这里，太沙基要讲授包括灌溉、节水、理论水力学、钢筋混凝土、天然气机械、工程地质、砌体结构等多门课程。同时开始土体管涌研究。
土体渗流特性与管涌的研究
福希海默是第一个意识到电流和水流之间有类比关系的人，他采用了物理电学中采用的“流网”图解法，来解决实际水力学问题。太沙基曾邀请福希海默参与到砂土坝基的物理性状的研究上去，但是福希海默表示他对自己理论的应用并不感兴趣。福希海默的流网在解决砂土地基大坝问题的应用中表明：水流穿过坝基，从大坝下面往下游流动、聚集的过程中，流水产生的力是向上的。向上的渗流力和砂土颗粒的自重应力方向相反，由此减少了砂土颗粒之间的相互挤压力。当渗流力和砂土自重应力相等时，一些砂土中的细小颗粒往往会彼此剥离，砂土可能会受到侵蚀。而水坝下某处砂粒的侵蚀将很快导致坝下产生空洞区，继而产生管涌，结果可能导致整个水库泄尽，水坝和下游设施被破坏，这种现象在工程界偶有发生。
太沙基靠着罗伯特学院少量拨款，开始建立自己的实验室，东拼西凑甚至在学校的垃圾堆里搜寻材料。太沙基向观察增加向上渗流力对土体渗透性的影响。太沙基认为：渗流力在任何截面上都与单位面积通过的水量（流量）成正比，与土体的渗透性成反比。福希海默的流网能够计算出各式大坝结构任何部位的流量。因此，确定砂土渗透系数将完善该体系规律的研究。最重要的是太沙基想观察管涌形成的物理原理。
太沙基的试验结果非常明确：随着穿过砂柱的向上渗流力的增加，渗流量（根据达西定律）按比例增加，直到向上的渗流力与砂柱的浮容重相等。之后，渗流量会立显著上升，与此同时，砂土的内部结构完全改变，变得非常松散。换句话说，砂土的结构自动重组，形成一种更加松散且渗透性更高的构造，以重新建立其自重与变小的渗流力之间的平衡。
太沙基随后建立了各种形状的水坝模型，并观察了水坝蓄水后水位逐渐提高带来的影响。随着水位高度的增加达到某个临界高度后，坝址水面以下的砂土将呈“沸腾”状，这是由于土体中的细颗粒遭受侵蚀所致；很快，大坝底下会因侵蚀产生隧道形状的通道，水库里的水便会立即涌向通道—出现典型的“管涌”破坏。这个临界高度完全可以根据渗流路径中最薄弱点的流量和渗透系数计算出来，而最薄弱点通常位于大坝下游坝址处。
为了预防管涌的发生，太沙基提议在管涌可能发生的最薄弱位置安装一个压重过滤器。经过测试后，太沙基将该措施应用于工程实践，取得了良好的经济效益。
定量确定土体的性状
1919年3月，太沙基在土体渗透方面获得成功后，他开始制定新的试验计划，试验的目的是定量确定土体的性状，从而在应用工程学中采用合理、系统的方法取代工程中的臆测。
这次太沙基以黏性土为研究对象。太沙基认为有必要确定每种土体中黏土的比例，因为黏土的黏结作用是决定土体特性最重要的因素。黏土稳定性的决定性因素时黏土含水量和含水量随载荷的变化。
太沙基认为所有松散、未胶结的沉积物的性能都取决于内部颗粒之间接触点的相互作用力。试验必须阐明这些力的本质。这些力源自自身重力产生的压力及水与土颗粒表面接触时产生的化学力。研究矿物颗粒间的摩擦力，以及水的黏性和表面张力是非常重要的，后者可在土颗粒间形成的细小孔隙里的空气-水界面上产生毛细力，而很细的黏土颗粒间也会因为相互接触而产生化学键力。
通过试验，太沙基开始理解流砂现象，水流过土样时产生的渗透力可能会突然抵消土颗粒之间的相互作用，从而导致土体结构崩塌。他推断出，渗透力的持续增加可能会导致土颗粒间作用力的持续减小。他继续推理，认为即使没有发生渗流现象，只要增加土体孔隙中的静水压力，颗粒间的作用力也同样会减小。他几乎可以预测到：土颗粒间作用力的不断减小和土体强度持续下降之间的关联。
此后，太沙基又在反复的实验得到了黏土的弹性模量。通过试验，太沙基发现了土样在加载后的压缩会延迟发生的原因：黏土的渗透性会随着通过土样水流的水力梯度的减小而显著下降。这一现象意味着，就像砂土一样，水力梯度的增加会导致渗透性的增加，这表明，黏土和砂土一样，当渗流力增加时，颗粒间的作用力减少，也说明水会在黏结力的作用下牢牢的吸附在黏土颗粒之间。
有效应力的提出
1923年10月初，太沙基正在整理土力学的新体系，并将其撰写成书稿《基于土体物理性质的土工力学》，至此他完全搞明白了，黏土外部压力的增加会导致同幅度的黏土内部孔隙水压力的瞬间增加。在孔隙水压力开始消散前，土颗粒间的接触压力不会增加。假设土体的孔隙水压力值为u，外部压力大小为p，只有p-u的值才是土颗粒间相互作用力的有效值。太沙基称这个量为“作用在黏土固结相上的压力”，这就是如今所谓的“有效应力”。
参考资料：
Richard E. Goodman. Karl Terzaghi the engineer as artist.1998
朱合华等译. 工程艺术大师：卡尔·太沙基.2020
相关链接：
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