آرثر كاساجراند: الرجل الذي جعل التربة قابلة للقياس

هناك كوب نحاسي صغير، مثبت على كامة، يجلس في كل مختبر تربة في العالم. تملأه بالطين المبلل، وتقطع أخدوداً في المنتصف، وتدير مقبضاً حتى يسقط الكوب مسافة محددة، مراراً وتكراراً، حتى يغلق الأخدود. يخبرك عدد الضربات بشيء دقيق عن التربة. قبل أن يبني آرثر كاساجراند (Arthur Casagrande) ذلك الجهاز، كان المهندسون يحكمون على الطين من خلال عجنه بين أصابعهم وتكوين رأي. بعد ذلك، يمكن لمختبرين في قارتين مختلفتين اختبار نفس التربة والحصول على نفس الإجابة. هذه هي القصة الكاملة تقريباً لكيفية توقف هندسة الأساسات عن كونها حرفة.

أجدوفشينا، فيينا، وكمان

وُلد كاساجراند في 28 أغسطس 1902 في أجدوفشينا (Ajdovščina)، التي كانت آنذاك جزءاً من النمسا-المجر وتقع الآن في سلوفينيا. كان طفلاً عبقرياً في العزف على الكمان قبل أن يتحول إلى الهندسة، وجاء من عائلة كانت تعمل بالفعل في هذه المهنة. حضر عامه الأول من المدرسة في لينز (Linz)، وانتقل إلى ترييستي (Trieste)، ودرس في المدرسة الواقعية (Realschule)، وتخرج في الهندسة المدنية من الجامعة التقنية (Technische Hochschule) في فيينا عام 1924، وبقي فيها كمساعد بدوام كامل للبروفيسور شافيرناك (Schaffernak) في مختبر الهيدروليكا.

توفي والده في نفس العام. كانت النمسا-المجر قد انهارت بعد الحرب ولم يكن لديها عمل للمهندسين الشباب، لذلك في عام 1926، ورغم اعتراضات والدته وأستاذه، أبحر إلى نيويورك.

لقاء بالصدفة

لم تكن أمريكا رحيمة به على الفور. عمل كمهندس تفاصيل فولاذية لشركة كارنيجي للصلب (Carnegie Steel) في نيوجيرسي. ثم، أثناء إجراء مقابلة للحصول على وظيفة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، التقى كارل تيرزاغي (Karl Terzaghi) - المهندس النمساوي الذي كان قد اخترع للتو الأساس النظري الكامل لميكانيكا التربة - وعُرضت عليه وظيفة على الفور كمساعد خاص لتيرزاغي.

من عام 1926 إلى عام 1932، كان كاساجراند مساعداً بحثياً في مكتب الطرق العامة الأمريكي (US Bureau of Public Roads)، ومكلفاً بالعمل في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، حيث كان يجري اختبارات التربة لتيرزاغي. عندما عاد تيرزاغي إلى فيينا في عام 1929، ذهب كاساجراند معه لإنشاء مختبر لميكانيكا التربة، وقام بجولة في المختبرات الأوروبية الأخرى، وعاد إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وهو يعرف عن الجانب العملي لهذا المجال الناشئ أكثر من أي شخص حي تقريباً.

جعل التربة قابلة للقياس

قدم تيرزاغي النظرية. وقدم كاساجراند الأدوات، وهذا الفرق يهم أكثر مما يبدو.

التربة ليست مادة مصنعة. يمكن لنوعين من الطين يبدوان متطابقين أن يتصرفا بشكل مختلف تماماً تحت مبنى، وحتى الثلاثينيات لم تكن هناك طريقة متفق عليها لوصف الفرق. يمر الطين بحالات مختلفة أثناء امتصاصه للماء: هش عندما يكون جافاً، لدن في المنتصف، وسائل فعلياً عندما يكون مشبعاً. محتويات الماء التي ينتقل عندها بين هذه الحالات - حدود أتربيرج (Atterberg limits) - تميزه بشكل مفيد. لكن قياسها كان يعتمد على أصابع المختبِر وحكمه.

أنتج مختبر كاساجراند في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مجموعة كاملة من أدوات الموضوعية: جهاز حدود السيولة، واختبار الهيدروميتر، واختبار الشعيرات الأفقية، وأدوات قياس الضغط للقياسات الانضغاطية، وصندوق القص. لقد جلب اختبار القص ثلاثي المحاور إلى الولايات المتحدة، وكان من بين أوائل الذين درسوا كيفية تغير حجم التربة عند تعرضها للقص، وأدرك ما يحدث لضغط الماء بين الحبيبات أثناء القص غير المصفى، وطور الإجراء الذي لا يزال المهندسون يستخدمونه لحساب ضغط التصلب المسبق للطين - وهو أكبر حمل تحمله في ماضيه الجيولوجي، والذي يحكم مقدار استقراره تحت حمل جديد.

خلال الحرب العالمية الثانية، حول كل هذا إلى أنظمة تصنيف لفيلق المهندسين بالجيش (Army Corps of Engineers) ومكتب الاستصلاح (Bureau of Reclamation)، بحيث يمكن تعيين فئة لأي تربة تتنبأ بسلوكها الهندسي. يظل هذا المبدأ قائماً كنظام تصنيف التربة الموحد (Unified Soil Classification System).

هارفارد

انضم إلى جامعة هارفارد في عام 1932 كأستاذ مساعد، وبإصرار من تيرزاغي حصل على الدكتوراه من الجامعة التقنية في فيينا في نفس العام، بعد أن لم يكن لديه أي منها حتى ذلك الحين. في هارفارد، بنى برنامجاً للدراسات العليا في ميكانيكا التربة نما من اثني عشر طالباً إلى أكثر من ثمانين بعد الحرب، وفي عام 1946 حصل على كرسي تم إنشاؤه حديثاً في ميكانيكا التربة وهندسة الأساسات. أصبح تركيز البرنامج على العمل المخبري وتحليل التسرب نموذجاً تم نسخه في جميع أنحاء العالم. بين عامي 1942 و1944 دفع حوالي أربعمائة ضابط جيش خلال دورات مكثفة مدتها أربعة أسابيع في بناء المطارات لفيلق المهندسين.

جاء أكثر أعماله التنظيمية أهمية في وقت سابق. في عام 1936 عقد المؤتمر الدولي الأول لميكانيكا التربة وهندسة الأساسات - وهي فكرة اعتقد تيرزاغي نفسه أنها كانت محفوفة بالمخاطر للغاية بحيث لا يمكن تجربتها. لقد نجحت، وأرست ميكانيكا التربة كجزء لا يتجزأ من الهندسة المدنية، وأنتجت ما يعرف الآن بالجمعية الدولية لميكانيكا التربة والهندسة الجيوتقنية (International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering)، التي استمر كاساجراند في خدمتها كرئيس من 1961 إلى 1965.

التميع والسدود

تناولت ورقته البحثية عام 1936 حول خصائص التربة غير المتماسكة التي تؤثر على استقرار المنحدرات وردم التربة ظاهرة أطلق عليها اسم: التميع (liquefaction).

تستحق الآلية أن تُذكر بوضوح، لأنها تقتل الناس. الرمال المفككة تحت منسوب المياه الجوفية تجلس كعيكل من الحبيبات مع وجود الماء في الفجوات. هزها - زلزال، انفجار، تحميل سريع - وتحاول الحبيبات إعادة الترتيب في حزم أكثر كثافة. لا يمكن للماء الهروب بالسرعة الكافية، لذا فهو يتحمل الحمل بدلاً منها. يرتفع الضغط في مياه المسام، وتتوقف الحبيبات عن الضغط ضد بعضها البعض، ولبضع ثوانٍ لا تملك الأرض أي قوة على الإطلاق. إنها تتصرف كسائل ثقيل. تغرق المباني؛ وتتدفق السدود الترابية بعيداً.

قضى كاساجراند بقية حياته المهنية في هذا وفي دراسات التسرب، حيث قدم استشارات حول السدود الترابية عبر ثلاث قارات، وحول أساسات مطار لوجان (Logan Airport) في بوسطن، وحول تأثير أحمال الانفجار الذري على سدود قناة بنما، وحول التحقيق في فشل سد تيتون (Teton Dam). وبشكل مميز، جادل لاحقاً بتقييد كلمة التميع بحالات تليين الإجهاد الشديدة التي تنتج تدفقاً حقيقياً، بدلاً من السماح لها بالتوسع إلى مصطلح شامل.

لماذا يُطلق على آرثر اسم العبقري

يستند الادعاء إلى نوع معين ومستهان به من الذكاء: معرفة أن العلم مستحيل حتى يمكن قياس كمياته بنفس الطريقة مرتين. أنتج تيرزاغي المفاهيم؛ وأنتج كاساجراند الاختبارات، والأجهزة، والتصنيف، والبرنامج التعليمي الذي سمح للمهندسين العاديين باستخدامها، ثم بنى المؤسسة الدولية التي يمكن للمجال من خلالها الجدال مع نفسه. كان عقد مؤتمر عام 1936 ضد نصيحة معلمه هو الحكم المحوري في حياته، وكان على حق. لا تزال أدواته على المقعد بعد تسعين عاماً، وهي حياة عمل أطول مما تديره معظم النظريات.

الحجة المقابلة الصادقة هي أنه كان، وظل إلى حد كبير، الرجل الثاني. النظرية التأسيسية لميكانيكا التربة - الإجهاد الفعال، التصلب - هي تيرزاغي، ولم تكن القفزة المفاهيمية الكبيرة من صنع كاساجراند. مساهماته الخاصة تجريبية: إجراءات، أجهزة، تصنيفات وارتباطات، مفيدة للغاية ولكنها ليست قوانين. هناك شيء يروي بهدوء حقيقة أن أبرز تكريم له كان أن يكون أول متلقٍ لجائزة كارل تيرزاغي (Karl Terzaghi Award)، التي سميت باسم معلمه. وصل أيضاً إلى هارفارد بدون دكتوراه وحصل عليها فقط لأن تيرزاغي طلب منه ذلك. مقارنة بمخترعي النظريات، هو شخصية أقل شأناً؛ ومقارنة بمسألة ما إذا كانت المباني ستسقط، فقد يكون أكثر أهمية.

الإرث

توفي كاساجراند في 6 سبتمبر 1981. كان أول محاضر رانكين (Rankine Lecturer) للجمعية الجيوتقنية البريطانية (British Geotechnical Association) ومحاضر تيرزاغي للجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين (American Society of Civil Engineers)، وتحمل جائزة آرثر كاساجراند للتطوير المهني (Arthur Casagrande Professional Development Award)، التي تدعم المهندسين الجيوتقنيين الشباب، اسمه. الانضباط الذي ساعد في بنائه هو الآن السبب في أنه ليس من غير المعتاد وضع كتلة برجية على أرض ناعمة. الكوب النحاسي لا يزال هناك أيضاً، دون تغيير، يقوم بالضبط بما صممه للقيام به.