「岁末感怀忆故人」走近“土力学之父”：卡尔·太沙基
桥梁杂志2021-01-20 17:37
生活中，除了未来可期，还有过往的遗憾和不舍。即将过去的庚子鼠年，亦是如此。而离我们远去的，除了时间，还有他们。
春节前，《桥梁》杂志公众号将会在每周三，推出岁末特别企划【岁末感怀忆故人】。我们将会在未来的六周时间里，每周三推送一篇已故桥梁人的人物特辑。一年又一年，时间终将越走越远，但总有人值得永远被铭记。
卡尔·太沙基在土木工程领域取得了许多开创性的成就，如果把土木工程比作一场游戏，那么太沙基绝对是有权制定游戏规则的人。人们称他为土力学之父，但他却从未以土木工程师的身份签署过任何报告。从地质勘探到工程施工、竣工阶段的监测工作，他始终以“咨询工程师”的姿态，悉心探寻工程中的宏观问题。出于实际需求，太沙基创立了土力学，正如艾萨克·牛顿为了更好地开展物理学研究而创立了微积分一样。在如何确保修建在软土地基上的大坝、高楼和其他各种结构的安全性上，太沙基当数先驱人物。要做到这点，不仅要掌握土力学的科学理论，还要拥有对土木工程的艺术直觉。1925年他编写的第一本专著《土力学》，是土力学作为一个完整而独立的学科形成的重要标志。土力学对工程的地基设计、施工、抗震性能具有相当重要的作用，在桥梁、隧道、大坝等工程中的应用尤为显著，太沙基把合理的设计和施工方法引入土工技术，在早期的奥地利帝国大桥、埃及尼罗河阿斯旺大坝泄洪隧道、芝加哥地铁隧道等项目中均得到很好应用。
任何“开创”都是排除万难
——记土力学之父：卡尔·太沙基
本刊记者 周洋 | 文
地质学的天才少年
1883年10月2日，卡尔·太沙基出生于大奥地利帝国。他的祖父是皇家军队职业军官，获得过许多英勇的勋章。弗朗茨·约瑟夫一世（奥地利帝国和奥匈帝国皇帝）授予他埃德勒·冯·鹏腾诺娃的头衔。自此，太沙基家族成为了贵族成员，以后的世代子孙都永久享有这项荣誉。
由于太沙基家族世代从军，最初家人希望他成为一名军人。但在14岁时，由于视力的缺陷未能实现，之后他在外祖父的建议下就读了格拉兹工业大学攻读机械工程学。
卡尔的学生时代并不平静，他把许多时间花费在地质学、哲学和天文学等与机械工程不相关的课程上。还经历了一段十足的叛逆期，酗酒闹事，与人决斗，还是典当行的常客，债台高筑，有几次还因为行为不端而被抓进警局。卡尔还曾以“滥用学术自由”的罪名，几乎被学校开除，幸而应用力学教授费迪南德·韦丁博尔偏爱他独特的创新精神和优异的文才，替他辩护，最终保住学籍，于1904年毕业。
卡尔·太沙基虽然平时“作恶多端”，但求学时期的成绩非常优异。得分大部分是“非常好”，还有许多“极好”，只有少数是“好”。甚至在每项考试中，考官对他的评价都是“很有造诣”，可以授予“优等生”资格。
卡尔在大学期间选修了许多关于地质学的课程，他热爱在大自然中体验探索和发现，把每一次山间远足或登山之旅都看作是野外地质探险，并记录了大量详细、流畅的笔记。这一年，他在施泰尔马克自然科学学会的资助下发表了第一篇学术论文，研究的是施蒂利亚州南部的海岸阶地。他的论文包含了许多景观描述，以及第三纪泥灰岩、黏土和壤土的水平成层地质图。1906年夏天，卡尔在攀登阿尔卑斯山时发生了意外，致使膝盖严重受伤，导致他一段时间里不得不放弃野外地质考察的工作。他开始应聘土木工程相关工作，这样至少他还可以继续从事工程地质学研究，毕竟这是他最喜爱的科学。
结缘土工技术
卡尔进入土木工程行业的第一份工作，是在维也纳一家混凝土设计和施工公司担任初级工程师，主要工作内容是工程现场负责人。卡尔知道自己在实操中缺乏专业资质，因此在工作中常常与年轻工程师一起切磋交流。在阅读和交流的过程中，他学到了许多新知识，工程师们也对他的一些新见解感到兴奋，相比于机械工程学，他们对卡尔讨论的工程地质学更感兴趣。他们在设计工程项目时，只要遇到地质方面的问题，都会咨询卡尔，他的工作内容也越来越偏向工程地质勘察咨询。
所有的土木建筑物都建立在地基上，基础的安全性至关重要。工程师在没有弄清地基材料的性状之前，许多工作都靠猜想完成，经验之谈也并非普遍适用，因此出现过许多失误。而与其他土木建筑材料大不相同的是，软土地基的情况更为复杂。构成大坝或楼宇地基的砂土或黏土，是在自然演化过程中慢慢沉积而成，这一过程没有人能从旁观察记录，也很难判定土体的成分、土层的分布或走向、土体的稠度等。所以，人们对土体，除了最表层，可以说一无所知。
卡尔深切地感到当下的基础工程技术明显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）。他认为人们不能准确预测土性的原因，在于不能明确掌握地质条件和工程建设中存在的问题。如果把土工建筑物和基础结构的性状，尤其是失败的工程案例与地基的地质条件加以详细比较，找出两者之间的相互关系，那么，问题便能够解决。当时的美国联邦垦务局（现美国水和能源服务部WPRS）在美国拦河坝和水利建设工程做了大量大规模的实验。由于建设地点分布于全国各地，地质条件各异。卡尔认为这是检验自己上述想法的好时机，他便利用自己的积蓄，于1912年奔赴美国。
失望的美国之旅
初到纽约，卡尔被美式生活里不可抗拒的“积极向上”氛围所感染。他在给外祖父的信中写道：“这里的生活节奏很快，我开始变得不知所措，仿佛感觉到思维在超速运作，动作也在无意识地变快。这里的生活充满活力，但这种活力让人感到很不近人情。”为了尽快融入纽约的生活，卡尔开始自行前往钢筋和混凝土公司毛遂自荐寻找工作机会。
在1902年美国颁布的《垦荒法案》中，北美地区规划了一个巨大的水资源工程项目。该项目计划修建60个大坝，有些大坝的高度几乎是史无前例。项目还计划建造长达数英里的灌溉水渠，且大多针对干旱的西部地区。该项目的管理由一个新机构--美国垦区服务部负责，还涉及美国地质调查局的供水、灌溉和水电部门。相关部门从一开始便意识到，此项计划的成功与否很大程度上取决于工程的地质条件。卡尔认为，如果想获得工程地质的实践经验，该项目是最好的机会。
于是，他结识了地质调查局局长克拉克先生。相比纽约，华盛顿更欢迎外来的专业技术人员。克拉克先生热情地接待了卡尔，并为他给美国垦区服务部部长F.H.纽厄尔写了一封推荐信。随后，卡尔来到垦区服务部，纽厄尔先生认真听取了他的来意，他告诉纽厄尔先生，自己最想了解的是施工中失误的案例和引起这些失误的地质原因。纽厄尔表示非常赞同卡尔的理念，同样认为只有查明地质条件才是解决问题的正道。他决定与卡尔合作，并向工程师们写了介绍信，指示所有现场施工人员在各方面给予他协助。此后近两年的时间里，卡尔每天忙于野外观察、资料记录和整理工作。
但是在收集资料的过程中，卡尔常常会有一种无力感，他从一个项目被推到另一个项目，却从未真正参与其中。还有一个很现实的情况，身上的资金越来越少，为此他要利用业余时间做钻探工人。当他历经艰辛，终于把收集到的大量资料带回欧洲整理分析时，却发现大部分资料跟预期不相符，这令卡尔十分失望和沮丧，美国之旅并没有给他的研究带来更多的可用资料。
1914年，第一次世界大战爆发，卡尔通过军校的老同学，在奥地利维也纳附近的阿斯彭空军基地担任机场实验所指挥官，他在这里度过了两年的军队生活。这两年，卡尔全身心地投入到工作中，热情和自信心也逐渐恢复，专心致志地在阿斯彭进行性能测试，积极地推进新式战斗机的研制。
现代土力学的诞生
卡尔·太沙基在格拉兹工业大学攻读硕士学位时，其才华给著名的水力学教授菲利普·福希海默留下了深刻的印象，并在福希海默教授的帮助下获得了博士学位。1915年夏天，卡尔收到了福希海默教授的来信。作为土耳其政府的顾问，福希海默教授协助改革工业教育，此时正在寻求这方面的人才，他问卡尔是否愿意到君士坦丁堡工程大学任教，讲授道路和基础的课程。卡尔接受了福希海默教授的邀请，于1916年前往土耳其开始任教，直到1925年，他一直生活在伊斯坦布尔，也正是这段时期，现代土力学诞生了。
此时，卡尔把1860-1917年间有关土工工程和基础工程的德文、法文、英文文献资料进行了系统的收集研究，结合他在美国的调查资料，给工程地质的土下了明确的定义，并得出需要进行定量测定的结论。这些在现在看虽然很平常，但在当时，却是一项重大的创新见解。同时，他还认为，以往只用粗砂、细砂、软黏土和硬黏土等模糊的字眼来描述土，不足以理清地质条件与土和基础工程性状之间的关系。为了厘清这些元素之间的关系，卡尔制定了一项试验计划。最初，该实验计划在两三年间完成，但实际花费的时间却达7年之久。卡尔最感兴趣的，是砂基管涌导致建筑物被破坏和黏土地基在外荷作用下的沉陷问题。当时的试验结果表明：随着穿过砂柱向上渗流力的增加，渗流量按比例增加，直到向上的渗流力与砂柱的浮容重相等。之后，渗流量会立即显著上升。与此同时，砂土的内部结构变得非常松散。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。
为了预防管涌的发生，卡尔想出了一个办法。在管涌可能发生的最薄弱位置安装一个压重过滤器。该过滤器由一个毯状或块状透水土层和透水层上面一定重量回填土组成。这样，排水过滤器中的高渗透性土层就能减小水的向上渗流力，同时上覆土层重量将增加向下的阻力。直到1921年，卡尔完成了压重过滤器的测试，结果表明，该方法可以有效预防管涌。随后，他开始尝试把这种方法应用到工程实践中。1923年12月，奥地利格拉特韦恩的一个大坝项目采用了压重过滤器，大大节省了项目的经费。
1921年，卡尔根据黏土试验的成果，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，几乎没人注意。却在第二年荷兰德尔福特召开的第一届国际应用力学会议上宣读时，引起巨大的反响。他的老师福希海默教授对卡尔·太沙基说：“今天，才是你在学术界的诞生日！”这时的卡尔已经40岁，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卡尔全部研究成果，都收纳于翌年出版的闻名世界的《土力学》一书中，这一年成为现代土力学的诞生年。
《土力学》出版后，最先注意到的是美国水力学家富尔曼，他大量地购买此书，并分发给美国各地相关专业领域的人，同时还向麻省理工学院土木工程系主任力荐卡尔·太沙基。当年秋季，卡尔·太沙基被聘为麻省理工学院客籍教授。
任何开创性工作都是排除万难的过程
卡尔·太沙基曾在日记中写道：“记住：任何开拓性的工作都是在排除万难的情况下完成的。不要感到绝望，只管埋头工作就好！痛苦和斗争是人类的宿命……要牢记，每一个新思想在被人们接受之前，都是对公众的挑衅。”
卡尔受聘于麻省理工学院，第二次来到了美国。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了业界的关注。与此同时，对他的理论持批评和质疑态度的人亦不在少数。当时，很多具经验主义倾向的基础工程技术人员，对于以物理学、胶体化学和微分方程式贯穿起来的土力学，极端不信任。面对质疑，卡尔做出许多书面答复，但由于用词过于激烈而被拒绝发表或被要求大幅度修改。
土力学的启蒙和普及极不顺利，“凡是地基情况不明，就应该采取打桩措施”的观点占统治地位，如果桩基发生沉陷，就认为是桩的承载力不够，补充措施还是再打补充桩。而卡尔的理念却是对重量甚大的建筑物不打桩，他的方案一出便遭各方反对，甚至要求他收回设计方案。在某项工程中，卡尔坚持自己的初衷，采取了没有桩的底板基础。建成后的建筑物未发生任何问题，他用事实强有力地证实了自己方案的可行。
卡尔·太沙基（右）
随着声誉的提高，美国各地邀请卡尔·太沙基做工程顾问的人越来越多。他在麻省理工学院的讲义，也成为土力学教育的典范。虽然他在麻省理工学院任教对于自身技术的成长很有成效，但他并没有在美国长期居住的打算。当祖国维也纳工业大学聘请他去任职教授时，他欣然接受。在归国的途中，他还受苏联政府的委托，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，反映甚是热烈。
“但是，这也是一项最好的工作”
1930年，卡尔·太沙基开始在维也纳工业大学讲学，来自各国的学生和技术人员慕名前来听他授课，并对他的研究工作予以协助。1933年，卡尔发表了关于土压、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黏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，他前往美国哈佛大学进行了8个月的讲学。同年6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，并连任四届。在这次会议上，他发表了7篇英文论文。
1938年春天，德国占领了奥地利，卡尔以“为了从事顾问工作方便”为由，全家暂时迁居法国，而此时他已打算移居美国。他向哈佛大学的卡萨格兰德教授表示，如果哈佛大学可以让他既有足够时间从事顾问工作，又有部分精力从事教学，那么他愿意前往。哈佛大学工程学研究生院的负责人威斯特卡特教授根据卡萨格兰德的推荐，聘请了太沙基为客籍讲师。
受聘后卡尔在哈佛大学研究生院讲授工程地质学，以充沛的精力从事学术活动，发表了两本专著和百余篇论文。55岁的卡尔，仍然以超人的精力与状态工作。在哈佛大学，他除了讲授工程地质学外，还讲授实用土力学。他用自己做工程顾问期间累积的丰富经验，以实例形式所编写的教材为学生们授课。1946年，哈佛大学专门为他设立了土木工程学实践教授的职称。后来，卡尔以73岁高龄退休，并被授予名誉教授，仍继续讲授工程地质学若干年。
卡尔·太沙基不仅是土力学这一新领域的创始人，同时也把自己的一生奉献给了土力学的普及与发展，并保持着领导者的地位，这是在其他工科学术领域中鲜见的。他除在各国获得了9个名誉博士称号外，还是美国土木学会ASCE唯一一位4次获得最高奖赏诺尔曼奖的会员。
卡尔·太沙基（右）
哈佛大学卡萨格兰德教授曾对他作出这样的评价：“卡尔·太沙基之所以能有非凡的业绩，是由于他具有许多非凡的特点。他具有伟大物理学家的大胆洞察力、明快分析力和孜孜不倦的好奇心，同时还具有高明地质学家所不可缺少的对自然现象敏锐的观察力和热情。他具有超人的思考能力，即使长时间工作，也不感到疲倦。他有极强的综合能力，可以全神贯注于自己的事业，亦能委婉地谢绝与自己研究工作无关的邀请与委托。在整理和记录高难度工程的大量地质资料时，他惊人的记忆力是强而有力的武器，他能从复杂的资料堆中找出最本质的东西，并具有快速的分辨能力。”漂亮的文采使他写起文章来毫不逊色，甚至轻松愉快。当他完成长时间的复杂野外调查时，曾经有人指着他所写的长篇报告说:“这是一项最困难的工作”，而他却回答道：“但是，这也是一项最好的工作。”
对于科学的追逐和不懈的发掘是卡尔·太沙基对生活保有热情的快乐源泉，他说：“如果你想和我一样，从生活中得到那么多的快乐和满足，就必须像我对博斯普鲁斯海峡那样，毫无保留、全心全意地投入……如果你每天都感受不到生活中强烈的快乐，那么你简直就是在浪费生命，因为正是这种快乐才使你成为一个真正独立而完整的人。”
本文刊载 / 《桥梁》杂志 2020年 第4期 总第96期
资料来源 / 《工程艺术大师：卡尔·太沙基》
【美】理查德·E.古德曼
《致敬大师：太沙基与土力学》
【日】吉见吉昭
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