太沙基教授在哈佛举办讲座,1950年
1943年3月1日,卡尔获得了民防工程批准的安全通行证,成为一名合法的美国公民,这天,他称之为“人生中最开心的一天”。1 3个月之后,卡尔拿到了美国护照。要是没有阿道夫•艾克曼的巨大努力,还有其他几位权高位重朋友们的推荐信,这一切都不可能实现。在国务院工作的约翰.C.威利就是其中一员,卡尔是在维也纳那段黑暗日子里与他结交的。现在,卡尔生活的方方面面都开始全速迈进,包括撰写文章和书籍、从事工程咨询、举办讲座和教学、积极保持和他人的联系,一切都有条不紊地进行着。纯粹的学术工作并不是卡尔想要的,卡尔现在从事着自己曾经梦想的工作——成为一名工程咨询师,看到自己在博斯普洛斯学院回廊的创新想法竞推动了整整一代工程师的发展后,他十分满足。
露丝终于为他添新丁了。埃里克从前还蹒跚学步,满地爬来爬去,现在已经能跑跑跳跳了。1941年5月,他又有了一个孩子——佩吉;佩吉出生时,卡尔正在得克萨斯教书。他在温彻斯特租住的房子掩映在橡树荫下,四周环绕杜鹃花丛,环境优美。于是,他们决定在此定居。1941年,他们在米斯迪克河边买了一块地,聘请了建筑师,建造了一座现代风格的房子。房子宽敞开阔,镶着木地板,螺旋式的楼梯顺着栏杆蜿蜒而下,透过巨大的观景窗,花园和湖泊一览无余。卡尔和孩子们相处时,心情无比畅快,他们一起游泳、散步,当孩子们足够大了,卡尔还给他们造了一艘船。那些日子,非常幸福满足。家人全部安顿了下来,他们甚至开始畅想退休后的生活:他们打算去缅因州的荒原上建个小木屋,因为那里秋天的颜色非常迷人,相比之下,维也纳的森林显得如此暗淡无彩。
埃里克(“队长”)和佩吉•太沙基,1946年5月
露丝和卡尔一起招待同事、访问学者,这些人偶尔还留宿太沙基家。太沙基家的日常生活还是像大多数美国家庭那样,时刻留意战争消息,观看战争影片,他们经历过恐惧,再到饱含希望,直至最后终于解脱。卡尔的忠诚毋庸置疑,美国现在就是他的家。战争爆发伊始,气氛阴郁压抑,法国迅速溃败四野惧惊,人们不禁恐惧并担忧英格兰会被迅速侵占。卡尔预估俄国可能6个星期后会沦陷,但他转念,如果俄国能够奇迹般地顽强抵抗住德军,那么德国将注定失败。令他意外的是,美国小伙子在战场上表现非凡。得知德国军队溃败,卡尔守着广播,听着令人振奋的消息,等候着自己预言成真:德国人民终将反抗并终结折磨他们的精神恶魔。
罗斯福的离世带给卡尔很大震惊,但他也认为此事来的恰如其分。他写道:罗斯福“象征着世界的希望,在他辞世前,将很好地发扬传承”。1945年5月,欧洲战事结束的欣喜没有持续太久,取而代之的是他对人类苦难、大规模屠杀和战争对人类文明毁坏的反思。更大的痛苦随着欧洲一封封信席卷而来。卡尔从来信中得知他撰写的《工程地质》在战事中被烧毁,而和他合作撰写此书的犹太裔教授也在被流放集中营的途中逝世。这一切的一切,在卡尔眼中都是“道德的癫狂”。
关于支持聘任纳粹教授哈阿斯在奥地利担任政治领导一事,卡尔给出如下解释:哈阿斯是一个理想主义者,“他把纳粹党当成一个工具,用来联合奥地利和德国,以组成强大的家长式中央政府,这两个国家都认可这种需要。哈阿斯并没有预见到纳粹统治的残暴面,他也不曾在某刻怀疑纳粹外交政策会不满足于统一中欧的日耳曼人。哈阿斯关于纳粹党反犹太族的激进理论的态度,从他与前奥地利犹太裔州检察官霍夫内特•汉斯•瓦彻曼的深厚友谊和高度尊重中可见一斑”。卡尔之所以能对这位老同事和朋友保有同情之心,或许是因为他自己也曾遭受了同样意识形态的陷阱。
卡尔在楼上书房花费了大量功夫撰写报告和书,书房里弥漫着浓浓的雪茄味,到处是烟渍。完成土力学和地基基础工程的第一卷成了他心中一道执念,既然已经从费伦格尔和纳粹统治下的奥地利逃脱,就没有其他借口继续延误写书。这本书之后,还有应用土力学、硬岩隧道和软土隧道等著书任务等着。
正在准备检查钻孔,1939年2月
从太沙基的起居室看到的米斯迪克湖的景致,马萨诸塞州温彻斯特城
亚瑟•卡萨布兰德提议卡尔应该将土力学与基础工程分成两卷写,太沙基在他建议的基础上,决定将卷一主讲土力学理论部分,卷二重点撰写工程应用方面,以避免繁琐的数学公式。尽管有艾尔•卡明斯和拉尔夫•佩克把关初稿,太沙基拟定把本书难度控制在适合学生层次的初衷还是没能实现。1943年5月问世的《理论土力学》 (Theoretical Soil Mechanics),实际上是后来出版的《土力学》(E-rdhaumechanilz)的参考书,可谓是其“简单素描”版。该《理论土力 学》一书出版不到20年,《土力学》付梓,终于提供一个完整画卷。
卡尔的朋友F.E.施米特文采很好,卡尔与之通信时特别注重措辞,他用萧伯纳式的自谦写道:“我没有给你赠送本,是觉得这本书还不够重要有趣。这本书就是为自己写的,原本是想把知识体系中还没有消化的部分理清,我没料到,这本书能获得如此成功……或许是钟鼎山林,各有所好。”在太沙基那些建筑施丁领域的朋友看来,这也算不上什么大成功。谈及太沙基偶尔运用希腊大写字母∑做数学求和的事迹,菲茨林说道:“我记得这些字母代表什么,但已经逾30年没有使用过了,我现在又整天很忙,这辈子估计没有闲暇来重拾这些怪物了。”
在《理论土力学》的前言部分,太沙基这样写道:卷二将讨论真实土体的物理性质及土体在实际T程中的性态;没有卷二,土力学这一主题的阐释是不完整的。卡尔跟施米特说:“理论在广泛应用过程中会与客观自然相冲突”,他承诺“真正重要”的卷二一定紧随卷一后完成。卷二的初稿《土力学介绍》已经送往年轻的合著者拉尔夫•佩克手中进行下一步的“编辑和润色”。此时,伊利诺伊大学海军课程正以油印专题论文的形式,教授本书。
太沙基对于“编辑和润色”的要求已在和佩克的合作细则里逐条写明。太沙基提供的初稿有许多内容空白和大部分的图表缺陷,亟待佩克补全,佩克还负责增添遗漏的细节,丰富实例,润色英文。后来,太沙基又增加“不要太过偏离我的主题”的要求,这点颇为恼人。
遗憾的是,太沙基的写作计划中并未标明需要他逐阶段审阅佩克的工作。1943年1月20日,佩克将终稿交给太沙基审阅,心中满怀激动,胸中洋溢着成就感。让他委屈的是,太沙基居然打回了终稿,回信道:“这份手稿还不太完善,比较粗糙,有些章节的水平堪落在普通考试论文的水准上。”太沙基建议佩克多花点时间,要求严一些,就像他自己在撰写《土力学理论》时准备一样。太沙基称自己完成《理论土力学》前,总计900页的书,他平均花费5个小时润色每页原稿。”
太沙基的回应,让佩克备受挫折,但他还是振作起来继续开始校对润色工作。后来,卡尔严厉的态度也有所缓和。编辑润色工作进展缓慢了,因为他们讨论的焦点从英语语言的使用转移到土力学的关键知识上来。他们发现,耽搁进程更多的主要是因为土力学的理论体系不完善,而非语言问题。太沙基解释称:“对我来说,写作绝不是对内心世界或多或少的梳理。它逼着我去检查每一项研究的细节部分,其中的大部分毫无价值可言,只能摒弃。”重写、检阅和修改进行了一年又一年,太沙基和佩克显然困在了自己的观察方法里。
直到1946年,这本书才接近完成。那时,本书已经由初衷的土力学简介转变成了一部土体工程的纲要性著作,起名《工程实用土力学》(So“Mechanic,- Engineering Practice),它囊括了历史工程实例、前人的智慧和土力学的有用知识。本书于1948年出版,很快成为岩土工程教育领域的支柱性书目。
土力学领域的专家们相互信任,联合起来反对日趋理论化、艰涩化的大学土力学教育。就像拉尔夫•佩克在评价麻省理工教授唐纳德•泰勒书稿中写道:“理论的生般乱用只会引发灾难。”他说:“就是这种做法,差点毁了土力学,太沙基和少数几个学者一直在为扭转此趋势做努力,最近才取得了一些进展。”卡尔这样形容道:泰勒啊,可怜的同僚,是土力学的牺牲品,而我,太沙基,应该对此事负责。
现代土力学研究热潮再次点燃了太沙基的激情,这股疯狂的劲头激励他完成工程地质方面的著书计划。他写信给好友施米特:“我希望在工程地质方面的涉猎不至于像在土力学领域一样,出现严重后果。”他声称:“每每想到我在此领域所发表的论述,便觉羞愧。”对另一位好友,他说:“我认为工程地质很好地弥补了土力学对于实际工程问题处理过于理论化的不足。”但是他继而发现,“工程地质像爬虫那样滑溜,难以捉摸。”他的著作和在哈佛作的讲座在一定程度上丰富了工程实践。地质学家并非是能预测未来的神人,而是能勘查工程场地、推断不同地层的属性和情况,为后续工作提供依据的人。
1945年1月,商业剪切和冲压机公司副主席兼总经理,R.V.普罗克特,走进了太沙基的办公室,为太沙基撰写工程地质著作,至少是与隧道建设相关的工程地质,带来了福音。为了拓展岩土隧道钢支护产品的市场,普罗克特和公司的结构工程师汤姆•怀特(这位并不是拉撒路的亲戚)正在合力撰写地下工程钢支护的使用手册。过去的20年里,普罗克特和汤姆一怀特曾见证了钢支护设备在超过300个隧道中的应用,但他们在工程地质学方面一无所知。普罗克特原本打算向太沙基请教个问题,但两个小时的交谈过后,他发现有更多知识亟待学习。按卡尔的说法是:“我们都有一种感觉,尽管那么多年我们一直生活在同一个国家,但是仿佛有堵高墙将我们分隔在两边。”
次日,太沙基给他们提供了一个大体方案。他预备写本书,里面有一个主要章节介绍隧道的工程地质及其与钢支护设计的关系。隧道学方面,从过去的一个多世纪到现在,已经有了许多书籍和文章,但在不同地质环境下钢支护的应用与选择方面,没有任何系统性的资料阐述。他很乐意写这本书,在得知他们愿意以工程咨询师的名义,给他在写书和其相关的科研工作提供经费时,太沙基更加高兴了。
太沙基觉得他俩虽在写作方面比较糟糕,但怀特在“力学方面领悟敏锐”,而普罗克特有着非凡的洞察力和领悟力,好奇心强,观察力出色。“兵荒马乱中,第一本书完成了,详细描述了硬岩隧道在不同地质条件下的开挖施工”,这次合作的成果包括公司准备出版的上下两册书,分别关于钢支护在硬岩隧道和软土隧道中的应用。遗憾的是,由于太沙基严格的要求,第二本关于软土隧道书的出版被延迟了,直到太沙基离世后才出现在公众眼前。
第一本书系统阐释了岩石隧道钢支护的选择问题,被认为是太沙基出色逻辑思维能力的最好证明。太沙基在书中没有长篇大论的关于岩石的概括性论述,也没有岩石力学理论的详细论述,他只是简简单单地寻求与地下围岩特性等基本问题的答案,如:没有支护结构,或是支护结构安装不当,隧道围岩的表现会如何?对该问题的研究不仅引发设计人员对隧道设计规则和流程的思考,也衍生了一种实用的隧道围岩分类体系,这个分类体系在半世纪后的今天仍在使用,而且延伸使用到非隧道开挖的围岩分类。可惜的是,太沙基后来未能完成本书的其他部分。
在芝加哥和克利夫兰工作时,那时战争还未结束,卡尔和佩克经常一起出入。后来在1942年,佩克成为伊利诺伊大学一香槟分校的教师,卡尔于是成为香槟分校的常客。因此,伊利诺伊大学想留住太沙基,以期促进学术发展。系主任W.C.亨廷顿对土力学很感兴趣,1945年4月,他聘请太沙基成为该系的客座教授,每年薪金1500美元,并给他安排两个兼职的研究助手听凭其吩咐,每个助手任期两年。太沙基负责举办一些讲座,来丰富该校的教学体系,讲座内容可以涉及他既往研究的工程实例以及土力学和地质学问题的处理方法等。卡尔认为这项任命只是将他与该系过往21年的交情官方化的象征。但这一切在善妒的亚瑟•卡萨格兰德眼里,完全是另外一回事。
太沙基能回美国,过半是亚瑟的功劳,因此,亚瑟内心深处就觉得太沙基应该听他的调遣。而且,亚瑟在哈佛也很需要太沙基,不仅需要他来提升自己的科研,而且需要他教授应用土力学和工程地质学,可以这样讲,没有太沙基,亚瑟几乎是孤军作战。1939年,斯塔波涅夫力劝卡尔太沙基去普林斯顿做讲座时,亚瑟说道:这个俄国人忽略了太沙基与哈佛的关系,要承担很大代价的。得克萨斯州对太沙基的邀约,似乎没有造成任何影响,但这次伊利诺伊的任命引发了争端,诸多工程师显然无视太沙基与哈佛之间的关系。
亚瑟•卡萨格兰德向卡尔抱怨他们之间的合作越来越少。这样的抱怨不是第一次了。1941年卡尔给亚瑟的信中这样提到,他们还是互不打扰的好,不仅是因为他们都很忙,而且“我俩的思维方式完全不一样。你的性格对你的科研工作影响太大,你太保守,一旦有想法,绝不更改。而我还是如同20年前一样,思维活跃,唯一不变的是我永不满足的好奇心。”尽管如此,太沙基还是希望,至少他们能像曾经那样交流分享。
他们之间关系的发展,就像是浪漫小说经典桥段中的三角恋关系一样。亚瑟对待太沙基有如父亲般的尊重。他私底下喜欢和太沙基分析时事、谈论男人、喜欢听他的德国口音、听他回忆家乡、听他分享自己喜爱的古典音乐、艺术和文学。亚瑟较内向,他或许曾希望卡尔与人相处能更加随和,少一点严肃。卡尔却始终端着教师和雇主的架子,这使他们之间的关系日趋紧张。有时,这种紧张关系趋于一种悲哀的幽默。当卡尔仍贴着敌国公民标签时,在没有获准批示的情况下,他居然还在哈佛招待25名军官,组织他们参加了一个特殊课程。这对于亚瑟来说是不可想象的,因为他的妻子当时也被认为是敌国公民,他知道其中的利害关系。(系主任迪恩•韦斯特加德仅仅要亚瑟通知官员们,不要向她透露任何秘密)。发生这些后,亚瑟斥责卡尔。尽管他们曾是朋友,但两人性格差异太大,他们之间持续发生一些令人恼火的事情。
另一方面,拉尔夫•佩克出生在美国中西部一个有着虔诚信仰的家庭,家中常备柠檬水和祈祷书。他与众不同——诚实、友善,刚开始会有一些固执。卡尔对施米特说,他可以想象出佩克“身着高领,拘谨地向认真倾听的观众解释他如何设法在鸡蛋的顶部弄出个小孔来的样子,而不是简单直白地说在鸡蛋上敲了一个洞。然而佩克是迄今为止我最优秀的学生,他至少愿意倾听,努力学习,并且有反复认真思考”。
哈佛的土力学教研组当时很有名,每年都有新的研究生加入,在这些研究生眼里,亚瑟•卡萨格兰德和卡尔•太沙基之间的关系亲密无间。这个组织有序的研究团队被认为是两个教授紧密合作的成果,尽管卡尔从未被正式任命为教员。在哈佛大学,卡尔的讲座都座无虚席,这些讲座不仅激励了哈佛工学和地质学的学生,也给一些麻省理工的学生带来启发。因此在19世纪40至50年代期间,虽然他只担任工程咨询师,学术界仍给卡尔以太沙基教授的尊称。
1946年,太沙基申请成为应用土木工程学方向教授,获得了学院批准,因此他的头衔发生了变化。有了这个头衔,他可以名正言顺地在外做咨询,他经常不在学校,有时甚至缺席一整个学期。与此同时,卡萨格兰德担起了全部的行政职责,还一边备课教学,他的课程条理清晰、结构完整,他的忠诚也获得了盛赞。
卡尔每年都两次拜访伊利诺伊大学,他精力充沛,常常一次进行3个讲座,每个讲座长达90分钟。他的演讲极具感染力,旁征博引大量的工程实例,符合听众口味,他偶尔还会运用奇怪的装置来表达自己的观点。
这些年来,除了负责芝加哥地铁,诺曼底、慈善医院和钢铁存储仓库的地基工程接踵而来。太沙基还以岩土工程勘探者和设计者的身份,利用其专业技能拓展了工作领域。他帮助重建了哈特福德破坏的堤坝;让墨西哥失效的水力冲填坝重新恢复使用;他推测准确,预料到苏必利尔湖滨沿岸会因部分地基的滑坡而造成损坏。他解释了纽约一所高中地基破坏性沉降的原因,也解释了密歇根州一座盐矿地面下沉的机理。他研究出了常年冻土(永久性冻土)的物理机理,并应用于阿拉斯加机场的地基建设。瑞典的一座基础选址于黏土层上,他提出了反对意见。在魁北克省,他第一次处理了黏土滑坡问题;在墨西哥城,又第一次碰到了黏性土的巨大沉降;在加利福尼亚,还遇到了长滩地区无止境的地表沉降。他还在加拿大不列颠哥伦比亚省、法国、印度、北非和巴西等地开展了新的工程咨询。
1941年7月,在哈特福德,为修建高速公路路堤,当时项目组正准备用水力冲砂填满在新旧两个平行堤坝之间的中空地带,却发现外侧堤坝突然向外移动了60英尺,砂土填充物随即流出。水力填充物覆盖在一层细砂和粉土层上,该层细砂和粉土下卧一层“纹泥层”(在冰河时代由粉土和黏土叠积而成的地层)。根据美国工程师联合团的土样数据,太沙基描绘出滑坡后的地质断面情况,并推断出滑坡发生的时空顺序。滑坡最先发生在“纹泥层”,“纹泥层”发生少量滑动后,导致穿过细砂和粉土层的地下管道接头处豁开,发生管涌。慢慢地形成了一个巨大的洞室,洞室最后倒塌,引发了纹泥层大规模滑动。
大部分黏土层都未受此次滑动影响,工程师联合团简单分析了大坝稳定性后提议重建大坝。而太沙基表示,路堤并没有工程师们想象的那样安全,他们并没有从大坝的实际破坏过程中受到启发。根据太沙基的要求,最终采用观测法,时刻测量地层中的临界孔隙水压力,对大坝进行逐步修复。
在哈特福特大坝损坏后,位于滑动带边缘的科尔特兵工厂地表开始出现裂缝。太沙基认为地表出现裂缝并不是因为接近滑坡地带,他推断造成地表裂缝的罪魁祸首很可能是地下洞室的坍塌,可能是在地下水位较高的时候,一处地下污水管在接头处发生渗漏,致使管涌,从而引发地下洞室的坍塌。在遭到破坏的地表下取了48个土样的结果证实了太沙基推断完全正确。
太沙基非常有天赋,在处理工程问题时,他通常能够根据收集到的信息,大体描绘出一幅接近实际的区域地质图,然后再做工程结论。他的这种天赋在1946年纽约市布朗克斯行政区塔夫特高中项目中得到了很好的体现。该校新建建筑发生了严重沉降,市政部门认为是因为雷蒙德公司的桩没有打到指定的砂砾持力层上。太沙基观察到,同一组桩能打入地下的深度(碰到坚硬地层或障碍物的深度)相差很大,根据桩端的深度,可将桩划分为几个亚组。此外,桩沉降的时程曲线显示独特的形状,太沙基判断,这种形状的时程曲线只能是黏土的固结沉降造成的。他解释道,尽管这些桩大部分已经被打入到砂砾持力层中,但在一些桩尖下面必定存在局部黏土区。卡尔拿出地质历史学家的想象力,重新演示了冰川推进、消退和海平面的升降顺序,详细解释了自己描绘的地质剖面图。根据地质剖面图,他发现学校塌陷地基部分刚好处于湖岸古水体地带,该水体填满了基岩中的峡谷。太沙基推测,80年前修建大坝时形成了密斯迪克湖,沿岸被洪水侵蚀成陡壁状,洪水带走的砂粒和粗粒土在附近湖底沉积。布朗克斯湖历史悠久,湖的沿岸都是砂砾石,它们也会被冲刷到湖底。这一区域真实的地层分布应该是:有一层连续分布的砂砾层,但其边界极不规则,边界被小范围的砾石和黏土层打断,这些砾石和黏土层的构成极其复杂,且在水平和竖直向的分布都不均匀。从大楼的建造数据来看,此项论断非常正确。著名的冰川地质学家理查德•福斯特•弗林特,在给太沙基的地质推断写评论意见时表示,他在读太沙基的报告时,对太沙基无比钦佩。
太沙基所绘制的图。图中是纽约塔夫特高中的地基比较图,对工程师绘制的图(a)和承包商在太沙基指导下按实际地质情况所绘的图(b)进行了比较。摘自太沙基的“纽约布朗克斯威廉霍华德塔夫特高中体育馆侧厅下沉原因备忘录”(1946年10月22日)
太沙基在为雷蒙德公司作法庭陈述时说,工程师没有采用必要的手段进行地质勘探,只是推测了地质情况,地质勘探上的疏忽导致了设计和施工规范编制的不到位。陪审团在审议半小时后,一致支持了太沙基的决断。
1943年,卡尔和露丝一起前往墨西哥,去评估一个古老的水力冲填坝的安全性。1909年,在大坝的工程完成90%时,这个60英尺高的堤坝却已经遭受了严重损坏,后来做了些修复工作后,大坝又持续运转发电。但问题是,公司不确定往后是否还能使用该水库。但是,想要解释大坝发生滑坡的原因,还需应用地质学知识。从不同的采石场运来的两种不同的碎石,但只有一种密度足够大,能够通过水力输送系统到达坝堤位置,挤开淤泥,沉淀下去。完全了解大坝的结构后,太沙基向他们解释说,之前的大坝滑坡已经带走了易于产生滑动的软土材料。他断定大坝是安全的,能满足运营需要,他进一步向公司的人表明,他们甚至可以把坝高再增加3米。后来公司采纳了他的意见,成功增加了坝高。
卡尔拿到护照和墨西哥签证的时间有些延误,在抵达墨西哥之前,他决定选个墨西哥助手,代理他在内卡萨的工作。道森教授向他推荐了一个学生,这个学生还曾经在得克萨斯听过太沙基的讲座,但卡尔对他没有印象,于是向道森询问这个学生的详细情况时说:“如果他跟去年我雇用的那个受过大学教育的助手一般,既呆板、不切实际又毫无用处的话,我只怕要和墨西哥卫生当局起点冲突了,因为我会用我的双手掐死他,然后抛尸于内卡萨水库。”太沙基在笔记里提到的那个“在大学里接受过专业培训的助手”着实惹恼了太沙基。一年后,太沙基还在嘲讽这个助手,就像他当初在克罗地亚嘲讽别人一样。“他接受的教育彻底毁了他,仅有的一点与生俱来的常识也荡然无存,他被我解雇后,他的母校倒是热切地为他提供了一份土力学讲师的职位,声称,他现在已经能把深奥理论和实践结合起来了。毫无疑问,过不了多久,他会接着祸害‘基础研究’领域。”
因内卡萨项目,太沙基来到了墨西哥。但是,直到1943年,因为研究一个炼油厂的地基问题,他才真正对墨西哥城的地质状况有了透彻了解。37在这座伟大之城的现在位置,16世纪初之前,一直居住着阿兹克人,当时这里还是一片小岛,四周环水,直到西班牙人人侵,开始排水填土,才慢慢演变成了现在的样子。一个钻孔在地表下面穿过了超过300米厚的“蒙脱石黏土”,这种黏土通常分布在火山地形附近,如有充足的水分渗透其分子结构,其质地会软化。在墨西哥地区,这种黏土层中水的体积超过黏土矿物体积的10倍。地表下深100英尺左右,黏土层中夹杂着水平砂层,随着软黏土层中的水通过砂层流出,黏土层产生固结,地层发生沉降。即使在地基下土层的超孔隙水压力消散以后,沉降还是以大致恒定的速度发生,这种现象被称为“次固结沉降”。
20世纪之交,随着墨西哥城市地下污水管道的修建,建筑物下沉速度骤增,水井的修建,释放了砂土层的承压水,更加剧了沉降速度。此外,并非只有建筑物下沉,地层的沉降减小了污水系统的坡度,导致其无法实现重力排水。
在其他城市,可以通过开挖深基坑,修建地下室的补偿方法来减小高楼的有效荷载,从而减小高楼沉降。但太沙基对客户说,这种方法很难在墨西哥城实用。在地下室基坑开挖过程中,基坑底部的地基土可能会回弹1米,在地下室底板的边墙和中心地带会产生破坏性的不均匀回弹;然后,随着荷载的施加,两者还会产生大致相似的沉降量。
太沙基还曾担任帕拉西奥•德•贝拉•阿特斯歌剧院的顾问,剧院修建于1900~1925年期间。剧院动工初期浇灌混凝土地基时,场地就已经下沉了8厘米,后来在施工中,钢柱又下沉更多,以至于不得不采用千斤顶把钢柱顶起。1910~1920年期间,建筑商试图采用注浆阻止下沉趋势,奈何一点也不奏效。太沙基认为,唯一可行的方案就是通过托换技术把建筑物的重量转移到深基础。1944年,太沙基在报告中详细讲解了该方案的具体细节,并提醒大家:“任何无前期调查的方案都是不负责任的赌博。这样的赌博,我已经目睹过太多次了,凭我个人经验来说,虽然不充分的前期调查实现了节省,但将造成更巨大的经济损失。”
6年后,太沙基重新负责剧院的托换工程。这时,区域地下水位的下降已让下沉问题非常严重,建筑物也发生严重的变形。区域地层的下沉,也造成地面开裂,致使剧院周围一些恰巧在地裂缝上的建筑物遭受损毁。太沙基提议及时组织这些蒙受损失的物主联合向地区政府上诉该问题。
太沙基在墨西哥遇到的地基问题中,最严重的或许是埃斯库埃拉师范大学。学校除了中央高塔座立于深30米的端承桩上,其他建筑物都建在浅(浮式)基础或浅摩擦桩上。学校的礼堂还恰好穿过张力区。埃斯库埃拉师范大学在竣工后的2年内,不均匀沉降非常严重,整个建筑物濒临崩塌,内部人员不得不排空疏散。
形成条件特殊、工程特性差的黏土的区域性问题并非墨西哥独有。大西洋两侧北岸一些气候严寒的海湾和河口地区,填满了一种脆性黏土,这种黏土能突然软化成稠状流体状态。挪威、瑞典、魁北克都曾发生过大规模的流体滑坡地质灾害,就比如,原本结实黏土会突然从固体转化成流体状,然后奔流而下,带走整片农田。早在1941年,亚瑟曾向卡尔展示了波士顿蓝黏土的易脆属性,如果处理不得当,它非常容易软化成稠状流体。亚瑟还正确解释了这种特质的成因,是因为黏土在盐水中沉积形成。
卡尔初次接触到高灵敏度的魁北克黏土,是在博阿努瓦附近的发电厂项目上,发电厂大坝从圣劳伦斯河取水,太沙基负责检查河边大坝系统的安全性。他发现,运河中高度超过20英尺的堤坝几乎每段都有开裂现象,随后会突然崩塌,滑移出去好几英尺。然后泥浆就会从堤坝趾部冒出,向前水平侧向流动至150英尺开外。滑坡一旦产生就会迅速水平向扩展,波及未受影响区域。卡尔非常坦诚地说,尽管自己在《土力学》一书已经给出了大致解释,但自己对这种土体还是不甚了解。伊利诺伊大学和哈佛大学很快就针对这种海相超灵敏黏土的起源和特性展开了研究。
太沙基不仅擅长解决软土地层的过度沉降和地表塌陷问题,也擅长解决硬岩地层的相关问题,这些硬岩地层的问题通常是由人类工业生产造成的。19世纪40年代后期,他同时负责密西根怀恩多特盐田和加利福尼亚维明顿油田项目,两个项目都有严重的地表沉陷问题。
自1896年起,怀恩多特化工公司就开始从密西根地底深处的岩盐层采盐,他们在原地注水溶解岩盐层,然后抽取盐水。1947年,太沙基抵达当地时,采矿大楼的地表已经下沉了5英尺。拉尔夫•佩克认为沉降并非主要因为抽取地下水而导致的黏土固结造成的,太沙基不同意他的判断。沉降的范围太大了,而且,他从历史数据分析得出,以盐水洞室为中心的沉降跨度达到了600英尺。问题是,这一地区的持续沉降是否会像石灰岩地层带一样,导致地表突然崩塌?太沙基测量了一些填满碎石的地下空洞的孔隙度,然后断言,即使深达100英尺的地下空洞完全坍塌,也不会波及地表,只会简单地在基岩产生很多填满碎石的洞室。岩溶洞和地表塌陷不太可能发生。但是太沙基的合作顾问,拉尔夫•佩克和卡尔•贝茨并不完全同意他的观点,于是,他们联合向管理层写了一份报告,认为虽然可能性不大,但并不能完全排除在公司办公楼地下形成岩溶洞的可能。
太沙基签署了此份报告,但是他不忍让他的客户担心发电厂大规模突发塌陷事故,所以他又认真思考了此问题,从索尔维公司历史案件中收集额外数据,因为索尔维公司的许多矿区产生了岩溶洞。他仔细研究这些数据,分析每个地表塌陷案件中的地质和力学特性,并将有可能酿成岩溶洞灾难的不同机理进行分类整理。结合这些材料和怀恩多特盐水工作区特定的工程地质条件,太沙基通知该公司管理层,此处发生岩溶洞的危险微乎其微。“但是,1954年,还是发生了岩溶洞灾难,直接穿过安大略省温莎市的河流。《生活》(Life)杂志在封面头条上对此进行了报道。
加利福尼亚长滩的维明顿油田的地表加速下沉,这是近些年来美国西部发生的严重地基问题之一。从19世纪30年代在此开采石油开始,地表开始下沉,到了1952年,已经下沉16英尺,导致地面每100英尺的水平距离缩短了4.5英寸。
《华尔街日报》(The wall street Journal)在1952年10月13日报道称每月为了防止海潮淹没码头和临水区的工厂,以及解决陆陆续续的问题,所需花费高达100)万美元。“政府和私企必须承担起有史以来最大的海港救助作业重担”。每年,数百万吨碎石从卡特琳娜岛的采石场运到此处,用来建造堤坝,填补低洼地带。还有约150万吨的碎填料从海港底部被带走。原因是开采石油,从1932年起,已有约6亿桶原油,2亿桶水和大量的天然气被抽取。
城市街道和工业设施都有被潮水淹没的危险。海军修建了4.5英里的混凝土结构来保护船厂;长滩政府额外拨款3000万用来进行维修或迁移桥梁、道路、码头和办公楼。此外,沉降产生的地表水平压缩造成一些建筑物的立柱开裂、铁轨屈曲、塔桥倾斜,同时,处于水平张力区的城市地下管道发生破裂。1949年,因为地层下沉导致一个断层滑移了13英寸,200个产油井的护壁钢套筒被拉裂;1954年,新产生的断层滑移又拉裂了68个油井。
南加利福尼亚的爱迪生公司饱受这些问题的困扰。这家公司在长滩海港的特米诺岛上有个占地43英亩的蒸汽发电站,恰好坐落于沉降槽的中心。到1952年,沉降产生的地层压缩迫使该公司更换冷却水系统。随着地层沉降幅度越来越大,发电厂面临着被水淹的危险,该公司不得不在发电厂四周修建防洪堤。
来自太沙基1950年12月30日提交给怀恩多特化工公司的”关于盐水田沉降状况的机密报告”,图中解释了导致地表大面积下沉的原因。
堤坝高度的确定取决于地面可能进一步沉降的幅度。尽管长滩口岸机构对沉降影响发布了一个公众福利损失评估,但是他们的评估没有得到石油公司的通力协作,所以评估结果并不可靠。1948年9月21日,为了改善局势,在南加利福尼亚爱迪生中心召开了一次会议,石油公司、长滩市政府、联合太平洋公司以及斯坦福研究院的代表参加了会议。斯坦福研究院邀请了一大批专家,其中就有卡尔•太沙基。太沙基为南加利福尼亚爱迪生公司准备了一份非正式报告,调查了可能导致地面下沉的原因。报告中,太沙基非常肯定地指出,特米诺岛上发生的一切,唯一能解释得通的是:不断开采石油,导致产油沉积地层内的液压降低。
太沙基创立了土体压缩产生地表沉降的分析方法。他向业主解释说:有效应力是单位面积的土体重量和土体孔隙中的流体压力之差。因此,如果抽出液体后,孔隙压力减小而土体重量保持不变,有效应力必定增加。有效应力的增加就可能压缩和缩短减压层,导致地层下沉。
如果地层由砂土组成,地表的沉降可以通过获取不同地层的压缩系数,然后将各压缩系数和该地层中的有效应力增值相乘来预测。另一方面,如果石油区的降压减低了黏土层的孔隙压力,沉降将会产生一个滞后效应,这个沉降和滞后可经由太沙基的固结理论计算出来,这个方法现在已经成为土体工程实践中普遍应用的常规方法。
这样看来,卡尔•太沙基似乎在处理此项目上得心应手,游刃有余。真的是这样吗?维明顿油田不是从土体抽取石油,而是从上新世和更新世的沉积层中抽取的。尽管这些沉积层和土体很相似,却还没有在这种材料上运用固结理论的先例。此外,取样工具并没有深入产
油层,因为产油层在地表以下2000~6000英尺处,太深了。油田被许多个正断层隔开,使之成为几个独立的地质体,石油开采仍在继续,开采的速度因为区域不同而不同。开采区域包含了体量很大的岩体,没有一处按照太沙基的常规要求采样测试过。虽然地面的沉降曲线图已被画出来,但对土体的水平应变了解甚少,对地层变形沿地下深度的分布更是一无所知。更糟糕的是,尽管关于地层中孔隙水压力在不同区域下降的采集信息常常填满几千页的报告,但压缩油层中的空隙不是由水饱和,而是由油和天然气饱和。
因此,1949年4月23日,南加州爱迪生公司副主席华莱士•查德威克在读完太沙基乐观的报告后,授权太沙基对此问题进行详细分析,摆在太沙基面前的任务非常艰巨。为了更好地开展工作,太沙基收集和消化了大量的报告,还让他的雇主雇佣了一个能干的石油T程师查尔斯•道森,他负责收集、筛选太沙基需要的数据。
太沙基面临的第一个决策是,究竟应该采用适用于砂土的简单压缩理论还是采用适用于黏土的时间滞后同结理论来计算沉降。毫无疑问的是,沉降随着时间的变化而变化,但这一事实可能由很多原因造成,如:场地区域太大、抽水速率随时间变化、以及天然气含量随着时间变化,而不一定是由低透水性黏土层的缓慢排水速率引起的。这个物理原理在太沙基的同结理论中有所述及。
观察分析种种沉降的数据和现象,太沙基确认时间滞后效应非常小,可以忽略不计。石油是从可压缩砂土层中开采出来的。据报告称,砂土层中夹有泥砂岩层。泥砂岩由风把砂和粉土吹落进海里,沉积变质而成,里面没有黏土,即使有,也很少量。这些泥砂岩基本上是不可压缩的。
地层的沉降由地层内孔隙压力的下降造成,孔隙压力的下降由很多原因产生,并且每处孔隙压力的下降在地层各处产生的体积压缩也不同。因此,地层总沉降的计算,需要根据道森提供的数据,在地层的每一处,叠加由不同原因孔隙压力下降造成的分个沉降。这本身就是个浩大的工程,太沙基的报告,算上附录和绘图,大概有400页。他对不同土层的压缩率进行了合理的估计,并采用土体随深度变硬的常理,假定石油在某个特定的区域以某个特定的速率开采,太沙基预测地面最大沉降可能在17~20英尺之间。考虑石油开采周边最坏的发展形式,总沉降可能高达23英尺,但是,太沙基认为这是不可能发生的。因此,太沙基给南加利福尼亚爱迪生公司提议,大坝的防洪设计应考虑20英尺的地面沉降,并且应留有预备,在最坏的情况下,如果地面沉降达23英尺,大坝高度要能被加高。
太沙基并不是唯一预测沉降的人。斯坦福研究所也为长滩市提供了一个报告,报告基于一个复杂大胆的数学模型,引用了太沙基以前的博士生那波尔•卡瑞洛提出的新理论。斯坦福研究所的人信誓旦旦,认为自己预测的结果更为科学,因为他们运用了电子计算器以及一个精准的理论一一卡瑞洛的“拉应力中心”理论。斯坦福研究所比太沙基有条件接触更多关于油田的运作信息,卡尔认为他们预测沉降的模式是有参考价值的,但他认为他们估计的24英尺的总沉降太过夸大。无论如何,他认为,这是一群“运行状态精良,充满自大情结的计算机器”,是采用应用力学中的错误力学理论计算出的结果。
1950年10月,太沙基这篇皇皇巨著终于完成。到1951年9月,下沉速度并不像太沙基预期的收敛,而是达到了每月0.17英尺的新高度。别人问他,是否这片场地发生了些新的变化,你是否必须修正你的推测?南加州爱迪生公司正准备发放800000股普通股的招股书,现在发生的情况让他们非常恼火,因为如果下沉继续增加,会在市面上引起恐慌。太沙基为配合招股书,发表了安慰声明:他2年前预测地面沉降不会超过23英尺,没有任何迹象表明沉降会超过23英尺。“但是,所有关于沉降的估算,包括太沙基自己的,都不可避免的是基于简化的假设,在获得新信息以后,先前的推测就可能要重新修订。”他们的确修改了先前的预测。
1954年1月,太沙基不得不重新发表报告,应对远高于自己预估的沉降速率的状况。此时,太沙基能够很方便地进入油井深处进行勘查,他发现产油区顶部以上地层只是随着下部地层的沉降而下落,自身并没发生压缩。经过艰苦调查和创造性地设想,唯一能解释现状的就是,沉降是由真正的带有时间滞后效应的固结作用产生的。泥砂岩并不像先前设想的那样是不可压缩的,而是它们的低渗透性阻止了产油层内部以及产油层之间的排水。令人悲伤的事实就是,现在,真正的最终沉降可能要“远远大于”太沙基之前的计算,更糟糕的是,即使停止开采石油、停止抽水,沉降依然会继续。
在1954年1月份的报告中,太沙基提出了两种方案,一种有些乐观,一种彻底悲观。这两种方案实际上囊括了随着时间推移可能发生的沉降状况。但是,时间流逝,一年又一年,下沉的实际情况正如最悲观的预测趋势那样,甚至超过其预估的最大值。沉降速度急剧增加:
1958年23英尺,1970年33英尺,或许到了1979年会有38英尺。多年后,拉尔夫•佩克对所谓的泥砂岩进行取样、固结和分类测试,发现这“岩石”实际上是一种典型的油性黏土,有着该类黏土典型的压缩和固结特性。以前的地质描述显然误导了大家,对他们来说是个惨痛的教训。
1952年4月,太沙基在写给道森的信中自嘲道:“等我再来到洛杉矶的时候,我在油井实践领域的知识将不会如现在这般了,应该是会有所提高的吧。”事实上,他确实在这个领域悟性越来越高,还提出了许多新方法。基于斯坦利•威尔森的研究,他首次在工程实际中应用钻孔边坡测斜仪来测量因油层下沉产生的应变。维明顿油田案例中,在认识到时间滞后这个沉降中的关键和必然的因素以后,他所做的预测,尽管采用了简化假设,后来被证明是极其精确的。太沙基为人处世极为出色,能与高层互通有无,他从标准石油公司的主席处获得了一条重要信息,即赛罗尔石油公司在委内瑞拉马拉开博湖下发生沉降的油田中尝试使用了高压注水技术。可以说,太沙基此后极力推崇该方法,即通过把水压进地层孔隙来恢复地层的孔压水压力,并最终用该方法制止住了沉降。1953年,太沙基已经70岁了,这时,他仍然坚持学习,不仅仅学习如何处理沉降问题,同时也在学习如何调理自己的身体。