アルトゥール・カサグランデ：土を測定可能にした男

世界中の土質研究所には、カムに取り付けられた小さな真鍮製のカップが必ず置かれている。湿った粘土をカップに入れ、中央に溝を作り、クランクを回してカップを一定の高さから何度も落下させ、溝が閉じるまで繰り返す。その打撃回数は、土に関する正確な情報を示してくれる。アルトゥール・カサグランデがこの装置を開発する前、エンジニアたちは粘土を指でこねて感触で判断していた。カサグランデの装置開発後、異なる大陸にある2つの研究所で同じ土をテストすれば、同じ結果が得られるようになった。これが、基礎工学が職人の勘の世界から科学へと変わった大まかな経緯である。

アイドフシュチーナ、ウィーン、そしてバイオリン

カサグランデは1902年8月28日、当時オーストリア＝ハンガリー帝国の一部であったアイドフシュチーナ（Ajdovščina、現在はスロベニア）で生まれた。エンジニアリングの世界に入る前はバイオリンの神童であり、専門職の家庭の出身であった。リンツで初等教育を受け、トリエステに移り、実科学校（Realschule）を経て、1924年にウィーンのウィーン工科大学（Technische Hochschule in Vienna）で土木工学の学位を取得し、その後シャッフェルナーク教授の水理学研究室でフルタイムの助手として残った。

同年、父親が死去。戦後のオーストリア＝ハンガリー帝国は崩壊し、若いエンジニアが働く場所はなかった。そのため1926年、母親と教授の反対を押し切り、彼はニューヨークへ渡る船に乗った。

偶然の出会い

アメリカでの生活は順調ではなかった。ニュージャージー州のカーネギー・スチールで鋼材の詳細設計者として働いた。その後、マサチューセッツ工科大学（MIT）の面接を受けた際、土質力学という学問分野の理論的基盤を築いたばかりのオーストリアのエンジニア、カール・テルザーギ（Karl Terzaghi）と出会い、その場で彼の私設助手として採用された。

1926年から1932年まで、カサグランデは米国公共道路局の研究助手としてMITに派遣され、テルザーギのために土質試験を行った。1929年にテルザーギがウィーンに戻った際、カサグランデも同行して土質力学研究室を設立し、ヨーロッパ各地の研究所を巡り、この若い分野の実践的な側面に関して、当時誰よりも精通した専門家となってMITに戻った。

土を測定可能にする

テルザーギが理論を提供し、カサグランデが装置を提供した。この違いは、思われている以上に重要である。

土は製造された材料ではない。見た目が同じ2つの粘土でも、建物の下では全く異なる振る舞いをする可能性がある。1930年代まで、その違いを説明するための合意された方法が存在しなかった。粘土は水分を取り込むにつれて状態を変える。乾燥していれば脆く、中間では塑性を示し、飽和状態では液体のように振る舞う。その状態遷移点となる水分量（アッターバーグ限界）は土を特徴づける有用な指標だが、それを測定する基準はこれまで担当者の指の感覚と判断に依存していた。

カサグランデはMITの研究室で、液性限界測定装置、比重計試験、水平毛細管試験、圧縮測定用の圧密試験機、せん断箱など、客観性を担保するための装置群を開発した。彼は三軸せん断試験をアメリカに導入し、土がせん断される際に体積がどのように変化するかを研究した最初の人物の1人であり、非排水せん断中に粒子の間で起こる水圧変化を認識し、現在でもエンジニアが使用している粘土の先間隙比（または先圧密圧力）を求める手順を開発した。これは、過去の地質時代にその土が受けた最大荷重であり、新しい荷重の下でどれだけ沈下するかを支配するものである。

第二次世界大戦中、彼はこれらすべてを米陸軍工兵隊や開拓局のための分類システムへと昇華させ、どんな土であってもその工学的振る舞いを予測できるカテゴリに割り当てられるようにした。この原則は、現在「統一土質分類システム」として存続している。

ハーバード大学

1932年にハーバード大学の助教授となり、テルザーギの強い勧めで同年にウィーン工科大学で博士号を取得した（それまでは博士号を持っていなかった）。ハーバード大学で、戦後に12人から80人以上に拡大した土質力学の大学院プログラムを構築し、1946年には新設された土質力学および基礎工学の講座の教授に就任した。彼のプログラムが掲げた実験作業と浸透解析の重視は、世界中でコピーされるモデルとなった。1942年から1944年の間に、約400人の陸軍将校に対し、工兵隊のための飛行場建設に関する4週間の集中コースを指導した。

彼の最も歴史的な貢献は、それより前に行われた。1936年、テルザーギ自身がリスクが高すぎて不可能だと考えた「第1回国際土質力学基礎工学会議」を招集した。これは成功を収め、土質力学を土木工学において不可欠なものとして確立し、現在の国際土質力学・地盤工学会（ISSMGE）の設立へとつながった。カサグランデは1961年から1965年まで同会の会長を務めた。

液状化現象とダム

1936年の論文「斜面や土留めの安定性に影響を与える非粘着性土の特性」において、彼はこの分野における重要な現象に名称を与えた。それが「液状化（Liquefaction）」である。

このメカニズムは、人命に関わるため、明確に説明する価値がある。地下水位より下にある緩い砂は、隙間に水を含んだ粒子の骨格として存在する。地震や爆発、急速な荷重によって揺さぶられると、粒子はより密なパッキングへと再配置しようとする。しかし水は十分に速く逃げられないため、粒子が支えていた荷重を代わりに水が負うことになる。間隙水圧が上昇すると粒子同士の押し付け合いがなくなり、数秒間、地面は一切の強度を失う。地面は重い液体のように振る舞い、建物は沈み、アースダムは流出して崩壊する。

カサグランデは残りのキャリアを液状化と浸透の研究に捧げ、3大陸にわたるアースダムのコンサルティング、ボストンのローガン国際空港の基礎設計、パナマ運河の堤防に対する核爆発の衝撃波の影響分析、そしてテトン・ダム決壊の調査に携わった。彼は後に、液状化という言葉を、真の流動を引き起こす劇的な歪軟化が発生した事例に限定すべきであり、あらゆる事象を指す総称として使うべきではないと主張した。

アルトゥールが天才と呼ばれる理由

この評価は、過小評価されがちな特定の知性に基づいている。それは、「量を2度同じ方法で測定できるまでは科学ではない」という確信である。テルザーギが概念を提唱し、カサグランデがそれを測定するための試験方法、装置、分類体系、教育プログラムを開発し、エンジニアたちがそれを実際に使用できるようにした。さらに、この分野が議論を行うための国際機関を構築した。指導者の助言に反して1936年の会議を招集したことは、彼の人生における最大の賭けであり、そしてそれは正しかった。彼の開発した装置は90年経った今でも研究室のベンチに残っており、これはほとんどの理論が維持できるよりも長い実用寿命である。

率直な反論として、彼は常に「ナンバー2」であったという点がある。土質力学の創始的理論である有効応力や圧密はテルザーギのものであり、概念上の大きな飛躍はカサグランデによるものではない。彼自身の貢献は実証的であり、手順や装置、分類、相関関係など、非常に有益ではあるが「法則」ではない。彼が受けた最高の栄誉が、師であるカール・テルザーギの名を冠した「カール・テルザーギ賞」の最初の受賞者であった事実は、多くを物語っている。ハーバード大学に赴任した際も博士号を持っておらず、テルザーギに言われてようやく取得したほどだった。理論の創造者と比べれば小さな存在かもしれないが、建物が崩壊するかどうかという実務の問題においては、彼の方が重要な存在かもしれない。

遺産

カサグランデは1981年9月6日に死去した。彼は英国地盤工学協会（BGS）の最初のランキン講義の講師であり、米国土木学会（ASCE）のテルザーギ講師でもあった。また、若い地盤工学エンジニアを支援する「アルトゥール・カサグランデ専門能力開発賞」にその名を残している。彼が構築を助けた分野は、現在では軟弱な地盤の上に高層ビルを建てることを当然のこととしている。あの真鍮製のカップも今なお変わらず、彼が設計した通りに機能している。