沙子：液体还是固体？

  沙子是我们周边的一种常见材料，虽然在人们的印象中沙子似乎只是辽阔海洋的边框纹饰，但实际上它们还是制造混凝土的一种基本材料。除此之外，沙粒也是土壤的重要组成成分。正因为如此，每一个岩土工程师对沙子都十分熟悉。沙子源自结晶岩的分解，组成沙子的颗粒排列无序，因而形成了独特的性质，经常作为阐释颗粒材料的典型例证。本文在回顾沙子的起源后，对其中的一些特性进行了介绍。

1. 沙子从何而来？

  沙子是许多岩石分解的最终产物，特别是由晶粒组成的深结晶岩浆岩。花岗岩[1]是这类岩石的典型代表，它是大多数高大山脉主峰的岩体，如勃朗峰（Mont-Blanc）、埃克兰峰（Ecrins）、安宾峰（Ambin）、阿真泰拉峰（Argentera）等。侵蚀是物质在破坏性因素（以气候为主）作用下老化的必然结果，岩石受侵蚀作用破碎成较小的颗粒，最终分解成原岩中各种晶粒的颗粒集合体（图1），这种集合体被称之为花岗岩沙土（granite arena）。以花岗岩为例，它由云母晶体、长石晶体和石英晶体组成，但由于持续的物理化学蚀变，通常只有石英颗粒能留存下来，形成河岸和海滩上的沙子。

2. 颗粒的故事

  沙子是一种由石英晶粒组成的颗粒材料（图2），可以形象地将它看作是一堆相互挤压的小球，小球可以滑动和滚动。但实际上，很少有沙粒是像弹珠一样的球体。沙粒通常呈不规则形状，有些带有棱角，还有一些呈条状；其表面可能是平面，也有可能是球面。粒径也是沙子的重要参数，不同沙粒的粒径各异，通常从几十微米[2]到几厘米不等，对沙粒粒径分布的研究称为粒度分析（granulometry）。如果把沙子平铺开，由于颗粒大小不等，较大颗粒之间的空隙会被较小的颗粒填充，以此类推，使得相邻颗粒之间几乎没有空隙。在相同的体积下，如果颗粒间的空隙占总体积的比很小，则为密砂；相反则为松砂。

  岩土工程师们因为土木工程（如道路、建筑物、水坝、近海工程等）而关注土壤。对这些工程而言，沙子的紧实度至关重要，因为密砂和松砂有着不同的力学行为（即在给定荷载作用下土壤的形变方式），对于绝大多数土木工程而言，严格控制地面形变，确保不超过给定阈值是至关重要的。

3. 固体、空气与水

  土壤中的沙层一般不会只由固体颗粒和空气组成，颗粒之间的空隙往往会全部（处于饱和状态）或部分（见图3）被液体填充，通常是水，有时也可能是碳氢化合物，如加拿大的油砂。液体的存在极大地改变了沙子的力学行为。当沙粒间的空隙中存在水分时，就会产生一种作用力（称为毛管力，capillary），使沙粒相互吸引，使土壤表现出粘聚性（cohesion），这也是沙堡能够堆积形成带有垂直墙体的原因！如果沙子被水分饱和（例如在涨潮的时候），毛细管作用就会消失，沙子的粘聚性随之丧失，沙堡就会倒塌。

  流体的存在还会促进沙的蚀变及物理化学转变过程，使颗粒间产生牢固的连接，这种连接加强了沙粒之间的结合，形成了土壤的机械抗性（mechanical resistance）。如果这种固结作用（consolidation）在地质时间尺度上持续进行，就会形成成岩过程（diagenesis），最终形成砂岩（grès）。

4. 对于粒状结构的信心

  自18世纪 C.A. Coulomb关于摩擦力的奠基性工作（参见“什么是库伦摩擦力定律？”）以来，沙子作为颗粒材料的典型代表一直备受土力学界关注。三个世纪过去了，我们还没有完全了解这类材料的奥秘，它有时像“真正的”固体一样坚实，有时又像液体一样易变。请想象一下流沙！更具灾难性的是，在地震中沙质土层最主要的问题是土壤液化。土壤一旦发生液化，就无法稳固支撑地表的各种建筑物，导致建筑物坍塌。

  简而言之，作为一种颗粒材料，沙子的复杂性主要源于以下两个方面：

• 一方面，沙粒可以通过颗粒的滑动或滚动重新排列，使得沙粒间空隙减少或增加，从而改变了沙子的结构。这种颗粒的相对运动受颗粒间的摩擦系数（符合库仑定律）和颗粒形状控制。
• 另一方面，即使很小体积的沙子也包含了极大数量的颗粒（一把沙子可能含有数十亿颗沙粒），颗粒间相互接触，形成了多变的结构样式，如大小和形状多样的团簇结构，团簇结构之间通过各种颗粒链相连接（图4），沙子在群体中表现出几何复杂性，这是一种大数量效应，不论是在生物还是非生物领域中都能观察到。沙子最为独特的性质之一是剪胀性（dilatancy，见“What is sand dilatancy?”），反映受到剪应力作用下沙子体积增大的现象，这也部分源于大量沙粒的集体效应。

  从沙子的最基本结构出发，通过研究沙粒、几个沙粒构成的基本团簇结构，可以深入理解沙子的行为。这条回归本源之路的研究已经取得了丰硕的成果，当前砂土工程研究面临主要挑战之一就是如何沿着这一方向继续深入。由于工程师的工作尺度可达数十米以上，而研究者则深入到颗粒集合体的尺度开展研究，两者之间存在着巨大的尺度差异，解决这一问题也是一项真正的智力挑战。

 

---

参考资料及说明

封面图片：留尼汪岛 [© François Nicot]

[1] 花岗岩类是指以花岗岩为代表的一个科。Belledonne地块（Isère）的片麻岩或角闪石属于此科。

[2] 微米比毫米小一千倍：1毫米=1000微米。