Артур Касагранде: человек, сделавший грунт измеримым

В каждой лаборатории грунтов в мире есть небольшая латунная чашка, установленная на кулачке. Вы наполняете ее влажной глиной, прорезаете бороздку посередине и поворачиваете рукоятку так, чтобы чашка снова и снова падала на фиксированное расстояние, пока бороздка не закроется. Количество ударов говорит вам нечто точное о почве. До того, как Артур Касагранде (Arthur Casagrande) создал это устройство, инженеры судили о глине, разминая ее пальцами и формируя мнение. После этого две лаборатории на разных континентах могли протестировать один и тот же грунт и получить один и тот же ответ. Это, в общих чертах, вся история того, как фундаментостроение перестало быть ремеслом.

Айдовшчина, Вена и скрипка

Касагранде родился 28 августа 1902 года в Айдовшчине (Ajdovščina), которая тогда была частью Австро-Венгрии, а ныне находится в Словении. В детстве он был вундеркиндом-скрипачом, прежде чем переключился на инженерное дело, и происходил из семьи, которая уже была в этой профессии. Свой первый учебный год он провел в Линце (Linz), переехал в Триест (Trieste), окончил реальное училище (Realschule) и получил степень по гражданскому строительству в Техническом университете (Technische Hochschule) в Вене в 1924 году, оставшись там в качестве штатного ассистента профессора Шаффернака (Schaffernak) в гидравлической лаборатории.

Его отец умер в том же году. Послевоенная Австро-Венгрия распалась, и работы для молодых инженеров не было, поэтому в 1926 году, вопреки возражениям матери и профессора, он сел на корабль до Нью-Йорка.

Случайная встреча

Америка не сразу приняла его радушно. Он работал инженером-конструктором стальных конструкций в компании Carnegie Steel в Нью-Джерси. Затем, на собеседовании на должность в MIT, он встретил Карла Терцаги (Karl Terzaghi) — австрийского инженера, который только что изобрел всю теоретическую основу механики грунтов, — и ему на месте предложили работу личного помощника Терцаги.

С 1926 по 1932 год Касагранде был научным сотрудником Бюро общественных дорог США (US Bureau of Public Roads), прикомандированным к MIT, где он проводил испытания грунтов для Терцаги. Когда Терцаги вернулся в Вену в 1929 году, Касагранде поехал с ним, чтобы основать лабораторию механики грунтов, посетил другие европейские лаборатории и вернулся в MIT, зная о практической стороне этой молодой области больше, чем кто-либо из ныне живущих.

Сделать грунт измеримым

Терцаги предоставил теорию. Касагранде предоставил инструменты, и эта разница важнее, чем кажется.

Почва — это не промышленный материал. Две глины, которые выглядят идентично, могут вести себя совершенно по-разному под зданием, и до 1930-х годов не было согласованного способа описать эту разницу. Глина проходит через разные состояния по мере поглощения воды: хрупкая в сухом виде, пластичная посередине, практически жидкая при насыщении. Содержание воды, при котором она переходит между этими состояниями — пределы Аттерберга (Atterberg limits) — полезно ее характеризуют. Но их измерение зависело от пальцев и суждения испытателя.

Лаборатория Касагранде в MIT создала целый аппарат объективности: прибор для определения предела текучести, ареометр, прибор для горизонтальных капиллярных испытаний, одометр для измерения сжимаемости и прибор для прямого сдвига. Он внедрил трехосные испытания на сдвиг в Соединенных Штатах, был одним из первых, кто изучал, как изменяется объем грунта при сдвиге, осознал, что происходит с давлением воды между зернами при недренированном сдвиге, и разработал процедуру, которую инженеры до сих пор используют для определения давления предуплотнения глины — наибольшей нагрузки, которую она когда-либо несла в своем геологическом прошлом, определяющей, насколько она просядет под новой нагрузкой.

Во время Второй мировой войны он превратил все это в системы классификации для Инженерного корпуса армии (Army Corps of Engineers) и Бюро мелиорации (Bureau of Reclamation), чтобы любому грунту можно было присвоить категорию, предсказывающую его инженерное поведение. Этот принцип сохранился как Унифицированная система классификации грунтов (Unified Soil Classification System).

Гарвард

Он поступил в Гарвард в 1932 году в качестве доцента, и по настоянию Терцаги в том же году получил докторскую степень в Венском техническом университете, не имея ее до тех пор. В Гарварде он создал программу аспирантуры по механике грунтов, которая после войны выросла с двенадцати студентов до более чем восьмидесяти, а в 1946 году получил вновь созданную кафедру механики грунтов и фундаментостроения. Акцент программы на лабораторной работе и анализе фильтрации стал моделью, копируемой по всему миру. В период с 1942 по 1944 год он обучил около четырехсот армейских офицеров на интенсивных четырехнедельных курсах по строительству аэродромов для Инженерного корпуса.

Его самая важная организационная работа была выполнена раньше. В 1936 году он созвал Первую международную конференцию по механике грунтов и фундаментостроению — идея, которую сам Терцаги считал слишком рискованной. Конференция прошла успешно, утвердила механику грунтов как неотъемлемую часть гражданского строительства и создала организацию, ныне известную как Международное общество по механике грунтов и геотехническому строительству (International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering), президентом которой Касагранде был с 1961 по 1965 год.

Разжижение и плотины

Его статья 1936 года о характеристиках несвязных грунтов, влияющих на устойчивость склонов и грунтовых насыпей, была посвящена явлению, которое он назвал термином для этой области: разжижение (liquefaction).

Механизм стоит объяснить просто, потому что он убивает людей. Рыхлый песок под уровнем грунтовых вод представляет собой скелет из зерен с водой в пустотах. Встряхните его — землетрясение, взрыв, быстрое нагружение — и зерна попытаются перестроиться в более плотную упаковку. Вода не может уйти достаточно быстро, поэтому она принимает нагрузку на себя. Давление в поровой воде возрастает, зерна перестают давить друг на друга, и на несколько секунд грунт полностью теряет прочность. Он ведет себя как тяжелая жидкость. Здания тонут; земляные плотины разрушаются.

Остаток своей карьеры Касагранде посвятил этому и вопросам фильтрации, консультируя по вопросам земляных плотин на трех континентах, фундаментов аэропорта Логан (Logan Airport) в Бостоне, влияния нагрузки от атомного взрыва на насыпи Панамского канала и расследования аварии на плотине Титон (Teton Dam). Характерно, что позже он выступал за ограничение использования слова «разжижение» случаями резкого деформационного размягчения, приводящего к подлинному течению, а не за то, чтобы позволить ему стать универсальным термином.

Почему Артура называют гением

Это утверждение основано на специфическом и недооцененном виде интеллекта: понимании того, что наука невозможна до тех пор, пока ее величины нельзя дважды измерить одинаково. Терцаги создал концепции; Касагранде создал тесты, приборы, классификацию и учебную программу, которые позволили обычным инженерам использовать их, а затем построил международный институт, через который эта область могла дискутировать сама с собой. Созыв конференции 1936 года вопреки совету наставника был поворотным моментом в его жизни, и он был прав. Его инструменты спустя девяносто лет все еще стоят на лабораторном столе, что дольше, чем жизнь большинства теорий.

Честный контраргумент заключается в том, что он был и во многом оставался «вторым человеком». Основополагающая теория механики грунтов — эффективное напряжение, консолидация — принадлежит Терцаги, и великий концептуальный скачок был не за Касагранде. Его собственный вклад эмпирический: процедуры, устройства, классификации и корреляции, чрезвычайно полезные, но не законы. Есть нечто показательное в том факте, что его самой высокой наградой стало звание первого лауреата премии имени Карла Терцаги (Karl Terzaghi Award), названной в честь его учителя. Он также приехал в Гарвард без докторской степени и получил ее только потому, что Терцаги велел ему это сделать. По сравнению с изобретателями теории он фигура меньшего масштаба; по сравнению с вопросом о том, рухнет ли здание, он может значить больше.

Наследие

Касагранде умер 6 сентября 1981 года. Он был первым лектором Ранкина (Rankine Lecturer) Британской геотехнической ассоциации (British Geotechnical Association) и лектором Терцаги Американского общества гражданских инженеров (American Society of Civil Engineers), а премия Артура Касагранде за профессиональное развитие (Arthur Casagrande Professional Development Award), которая поддерживает молодых инженеров-геотехников, носит его имя. Дисциплина, которую он помогал строить, теперь является причиной того, что размещение многоэтажного дома на мягком грунте не является чем-то примечательным. Латунная чашка тоже все еще там, неизменная, делающая именно то, для чего он ее разработал.