아서 카사그란데: 흙을 측정 가능한 것으로 만든 사람

전 세계의 모든 토질 실험실에는 캠에 장착된 작은 황동 컵이 하나씩 놓여 있습니다. 젖은 점토를 채우고 가운데에 홈을 판 뒤, 핸들을 돌려 컵이 일정한 거리를 반복해서 떨어지게 하면 홈이 메워집니다. 타격 횟수는 흙에 대한 정확한 정보를 알려줍니다. 아서 카사그란데 (Arthur Casagrande)가 그 장치를 만들기 전에는 엔지니어들이 점토를 손가락으로 반죽해 보고 의견을 내는 방식으로 판단했습니다. 그 후로 서로 다른 대륙에 있는 두 실험실이 동일한 흙을 테스트하여 같은 답을 얻을 수 있게 되었습니다. 이것이 기초 공학이 공예적 성격에서 벗어난 과정의 대략적인 전체 이야기입니다.

아이다우슈치나, 빈, 그리고 바이올린

카사그란데는 1902년 8월 28일 당시 오스트리아-헝가리 제국 영토였으며 현재는 슬로베니아에 속한 아이다우슈치나 (Ajdovščina)에서 태어났습니다. 그는 공학으로 전향하기 전 어린 시절 바이올린 신동이었으며, 이미 해당 직업군에 종사하던 가족 출신이었습니다. 그는 린츠 (Linz)에서 첫 학년을 보냈고 트리에스테 (Trieste)로 이주하여 레알슐레 (Realschule)를 거쳐 1924년 빈 기술대학교 (Technische Hochschule)에서 토목 공학 학위를 받았으며, 이후 수력학 연구실의 샤페르나크 (Schaffernak) 교수의 정규 조수로 남았습니다.

그의 아버지는 같은 해에 사망했습니다. 전후 오스트리아-헝가리 제국은 붕괴하여 젊은 엔지니어를 위한 일자리가 없었기에, 1926년 그는 어머니와 교수의 반대를 무릅쓰고 뉴욕으로 향하는 배에 올랐습니다.

우연한 만남

미국에서의 삶은 처음부터 순탄하지 않았습니다. 그는 뉴저지의 카네기 철강 (Carnegie Steel)에서 강철 세부 도면 설계자로 일했습니다. 그러던 중 MIT의 한 자리에 면접을 보러 갔다가, 토질 역학의 이론적 기초 전체를 막 발명해낸 오스트리아 엔지니어 카를 테르차기 (Karl Terzaghi)를 만났고, 그 자리에서 테르차기의 개인 조수직을 제안받았습니다.

1926년부터 1932년까지 카사그란데는 미국 공공도로국 (US Bureau of Public Roads)의 연구 조수로서 MIT에 배정되어 테르차기를 위한 토양 테스트를 수행했습니다. 1929년 테르차기가 빈으로 돌아갔을 때 카사그란데는 그와 동행하여 토질 역학 실험실을 세우고 다른 유럽 실험실들을 견학했으며, 살아있는 그 누구보다 이 젊은 분야의 실무적 측면을 잘 아는 상태로 MIT에 복귀했습니다.

흙을 측정 가능하게 만들기

테르차기는 이론을 제공했습니다. 카사그란데는 기기를 제공했는데, 그 차이는 생각보다 훨씬 중요합니다.

흙은 공산품이 아닙니다. 똑같이 보이는 두 점토도 건물 아래에서는 완전히 다르게 행동할 수 있는데, 1930년대까지는 그 차이를 설명할 합의된 방법이 없었습니다. 점토는 물을 머금음에 따라 상태가 변합니다. 건조할 때는 부서지기 쉽고, 중간에는 소성 상태이며, 포화되면 사실상 액체가 됩니다. 점토가 이러한 상태를 넘나드는 함수량을 아터버그 한계 (Atterberg limits)라고 하며, 이는 점토를 유용하게 분류해 줍니다. 그러나 이를 측정하는 것은 시험자의 손길과 판단에 의존했습니다.

MIT에 있던 카사그란데의 실험실은 객관성을 위한 일련의 장치들을 만들어냈습니다. 액성 한계 측정 장치, 비중계 시험, 수평 모세관 시험, 압축성을 측정하는 압밀 시험기, 그리고 전단 상자가 그것입니다. 그는 미국에 삼축 전단 시험을 도입했고, 전단될 때 흙의 부피가 어떻게 변하는지 연구한 초기 인물 중 하나였으며, 비배수 전단 중에 입자 사이의 수압에서 일어나는 일을 인지하고 엔지니어들이 점토의 선행 압밀 압력을 알아내기 위해 여전히 사용하는 절차를 개발했습니다. 이는 지질학적 과거에 흙이 겪은 최대 하중으로, 새로운 하중 하에서 얼마나 침하될지를 결정합니다.

제2차 세계 대전 동안 그는 이 모든 것을 육군 공병대 (Army Corps of Engineers)와 개간국 (Bureau of Reclamation)을 위한 분류 체계로 바꾸어, 어떤 토양이든 그 공학적 거동을 예측할 수 있는 범주에 배정되도록 했습니다. 이 원칙은 통일 토양 분류 체계 (Unified Soil Classification System)로 남아 있습니다.

하버드

그는 1932년 하버드 대학교 조교수로 부임했고 테르차기의 권유에 따라 그해 빈 기술대학교에서 박사 학위를 취득했는데, 그때까지 학위가 없었습니다. 하버드에서 그는 전쟁 후 12명에서 80명 이상으로 늘어난 토질 역학 대학원 과정을 구축했으며, 1946년에는 새로 창설된 토질 역학 및 기초 공학 교수직을 받았습니다. 실험실 작업과 침투 분석을 강조하는 이 프로그램은 전 세계적으로 복제된 모델이 되었습니다. 1942년에서 1944년 사이 그는 공병대를 위해 약 400명의 육군 장교를 대상으로 비행장 건설에 관한 4주 집중 과정을 진행했습니다.

그의 가장 영향력 있는 조직적 업적은 더 일찍 일어났습니다. 1936년 그는 제1회 국제 토질 역학 및 기초 공학 회의를 소집했는데, 이는 테르차기 본인조차 시도하기에는 너무 위험하다고 생각했던 아이디어였습니다. 이 회의는 성공했고 토질 역학을 토목 공학에 없어서는 안 될 분야로 확립했으며, 현재의 국제 토질 역학 및 지반 공학회 (International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering)를 탄생시켰고, 카사그란데는 1961년부터 1965년까지 이 학회의 회장을 역임했습니다.

액상화와 댐

사면 및 흙 채움의 안정성에 영향을 미치는 비점성토의 특성에 관한 그의 1936년 논문은 그가 이 분야를 위해 명명한 현상인 액상화 (liquefaction)를 다루었습니다.

그 메커니즘은 사람을 죽일 수 있기 때문에 명확히 말할 필요가 있습니다. 지하수면 아래의 느슨한 모래는 입자로 이루어진 뼈대와 그 사이의 물로 구성됩니다. 지진, 폭발, 빠른 하중 등으로 흔들리면 입자들은 더 밀집된 상태로 재배열되려 합니다. 물은 충분히 빨리 빠져나갈 수 없으므로 대신 하중을 떠맡게 됩니다. 간극 수압이 상승하고 입자들이 서로 밀어내는 것을 멈추면 몇 초 동안 지반은 아무런 강도도 갖지 못하게 됩니다. 그것은 무거운 액체처럼 거동합니다. 건물이 침하하고, 흙 댐이 흘러내립니다.

카사그란데는 남은 경력을 이 문제와 침투 연구에 바쳤으며, 3개 대륙에 걸친 흙 댐, 보스턴 로건 공항 (Logan Airport)의 기초, 파나마 운하 제방에 미치는 원자폭탄 폭발 하중의 영향, 그리고 티턴 댐 (Teton Dam) 붕괴 조사에 대한 자문을 수행했습니다. 특유의 태도로 그는 나중에 액상화라는 단어를 광범위하게 사용하는 대신 실제 유동을 발생시키는 급격한 변형 연화 사례에만 제한적으로 사용하자고 주장했습니다.

아서가 천재라 불리는 이유

그에 대한 평가는 과학은 동일한 수치로 두 번 측정할 수 있기 전까지는 불가능하다는 것을 아는, 저평가된 특정 종류의 지능에 근거합니다. 테르차기가 개념을 만들었다면, 카사그란데는 일반 엔지니어들이 그 개념을 사용할 수 있게 하는 테스트, 기구, 분류, 교육 프로그램을 만들었고, 그 후 이 분야가 스스로 논쟁할 수 있는 국제 기구를 구축했습니다. 스승의 조언을 거스르고 1936년 회의를 소집한 것은 그의 삶에서 결정적인 판단이었고 그것은 옳았습니다. 그의 기구들은 90년이 지난 지금도 실험실 벤치 위에 있는데, 이는 대부분의 이론이 누리는 것보다 더 긴 활동 수명입니다.

솔직한 반론은 그가 대체로 '두 번째 사람'이었다는 것입니다. 토질 역학의 기초 이론인 유효 응력과 압밀은 테르차기의 것이며, 위대한 개념적 도약은 카사그란데의 몫이 아니었습니다. 그의 기여는 절차, 장치, 분류, 상관관계와 같은 경험적인 것이었으며 매우 유용했지만 법칙은 아니었습니다. 그가 받은 가장 저명한 영예가 스승의 이름을 딴 카를 테르차기 상 (Karl Terzaghi Award)의 첫 번째 수상자가 된 것이라는 점은 조용히 시사하는 바가 큽니다. 또한 그는 박사 학위 없이 하버드에 왔으며 테르차기가 시켰기 때문에 학위를 받았습니다. 이론의 발명가들과 비교하면 그는 작은 인물일지 모르나, 건물이 무너지는지 여부를 따진다면 그는 더 중요할지도 모릅니다.

유산

카사그란데는 1981년 9월 6일 사망했습니다. 그는 영국 지반공학회 (British Geotechnical Association)의 첫 번째 랭킨 강연자 (Rankine Lecturer)이자 미국 토목공학회 (American Society of Civil Engineers)의 테르차기 강연자였으며, 젊은 지반 공학자들을 지원하는 '아서 카사그란데 전문 개발상' (Arthur Casagrande Professional Development Award)에 그의 이름이 붙어 있습니다. 그가 구축을 도운 이 학문 덕분에 이제 연약 지반 위에 타워 블록을 세우는 것은 흔한 일이 되었습니다. 황동 컵도 여전히 그 자리에 그대로 남아, 그가 설계한 대로 정확하게 작동하고 있습니다.