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土壤的秘密變身：為何土壤在壓力下會悄然縮小？
土壤的變化經常是一個隱蔽而複雜的過程，尤其是在其面臨外部壓力的情況下。土壤擁有三個主要組成部分，分別是土壤顆粒、孔隙流體（通常是地下水）以及氣體。在重新施加壓力的過程中，土壤的容量會逐漸發生變化，而這一變化過程稱為「土壤固結」。這是一個機械過程，它是如何進行的呢？
固結是因應施加壓力改變而使土壤發生體積變化的過程。
固結的過程與機制
當土壤被水飽和後，若施加額外的壓力，水的體積剛性往往會吸收壓力的變化，導致孔隙水壓力升高。隨著水向高壓區域的擴散，土壤本身的矩陣則逐漸承受這一壓力變化，最終導致土壤體積的縮小。在這個意義上，「有效應力」的概念至關重要，該概念主要涉及土壤的有效承載力及流體的排水速率。
有效應力是影響土壤固結的關鍵因素。
歷史背景及理論架構
在20世紀20年代，卡爾·特札基（Karl Terzaghi）和保羅·菲倫格（Paul Fillunger）提出了兩種不同的固結理论框架。特札基的模型至今廣泛應用於工程實務中，而他的理論主要基於擴散方程，簡化問題以便於實際應用。反之，菲倫格的模型則較為抽象，需考慮的變數繁多，因而未能直接運用於工程設計中。
特札基常被稱為「土木力學之父」，他的觀點認為固結是飽和土壤水分減少的任何過程，而此過程的體積變化則是重點。
土壤變化的特徵
固結過程的顯著特徵在於，土壤在長期靜態負載下會逐步排出或吸收水分導致體積減少。這一過程的速度和顯著性受土壤類型的影響，黏土在受到外部負載影響時，固結沉降的速度遠慢於粗顆粒土壤。這使得黏土成為許多建築項目中的潛在風險因素，尤其在土地填海、土壤填築及隧道挖掘等工程中。
黏土的固結沉降是施工安全的重要考量因素。
固結的時間依賴性
土壤的固結過程並非瞬間完成，經常需要數年時間，尤其是在水流動性極低的飽和黏土中。這是一個時間依賴性的過程，因此了解固結過程的時限至關重要。一方面，施加的壓力讓水在孔隙中儲存與流動，直到這一過程的終結——水分完全排出。
土壤的蠕變現象
有些土壤類型，尤其是富含有機物的土壤，會表現出明顯的蠕變效應。在這一過程中，即使在一定的有效應力下，土壤的體積仍會隨著時間而減少。這一現象通常被稱為「次固結」。
結論
從根本上說，固結表現出土壤在應力變化影響下的基本行為。無論是通過外部負載，還是自身重力導致的壓縮，土壤的變化無時無刻不在進行。而我們是否已經充分了解土壤的這些變化，並可以有效應對可能的風險呢？
