沙子:液体还是固体?

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  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。本文以沙子的起源为引子,简要介绍了沙子的部分特性。

1. 沙子从何而来?

环境百科全书-沙子-岩石蚀变
图1. 沙子作为某些岩石蚀变的最终产物,普遍存在于山地景观中。

  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)。例如,花岗岩由云母晶体、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

环境百科全书-沙子-样品
图2. 实验室中的沙子样品。这一小撮沙子含有数十亿粒二氧化硅。[来源: By Daniel Ventura, Own work, CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

  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,很少有沙粒是弹子球那样的球体。沙粒通常是不规则的,有些带着棱角,也有一些成条状;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,不同沙粒的粒径各有不同,通常从几十微米[2]到几厘米不等,对沙粒粒径分布的研究就是粒度分析(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,那就是密砂;相反就是松砂。

  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),而严格避免地面形变超过给定阈值对绝大多数土木工程至关重要。

3. 固体、空气与水

环境百科全书-沙子-状态图
图3. 水分在土壤中的不同状态图:(a)吸湿态(hygroscopic regime),(b)薄环态(pendulum regime),(c)条索态(funicular regime),(d)毛管态(capillary regime)。[来源: Based on Luc Scholtes (2008): Micromechanical modelling of partially saturated granular media. Doctoral thesis, Engineering sciences [physics], Institut National Polytechnique de Grenoble]

  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被液体(通常是水,有时也可能是碳氢化合物,如加拿大的油砂)全部(呈饱和状态)或部分(图3)填充。液体的存在极大地改变了沙子的力学行为。当沙粒间的空隙有水分存在时,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),这也是能堆出带垂直墙体的沙堡的原因!如果沙子被水分饱和(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,沙粒间胶结的形成增强了土壤的机械抗性(mechanical resistance)。如果这种固结作用(consolidation)持续进行,长达地质学的时间尺度,就是成岩过程(diagenesis),形成的岩石是砂岩(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。

环境百科全书-沙子-微结构
图4. 颗粒集合体中的微结构。当集合体受到机械压力时,就会形成优先颗粒链(preferential grain chains)(左图,用光弹颗粒(photo-elastic particle))进行的实验室测试;右图,采用离散元法的数值计算结果)。[来源: Based on Huaxiang ZHU (2015): Consideration of an intermediate scale in micro-structural modelling of granular soils. Doctoral thesis, Engineering sciences[physics], Institut National Polytechnique de Grenoble]

  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(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),形成了沙子的几何复杂性(在任何个体数量极大的群体中都可以观察到的大数量效应,无论是生物还是非生物)。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。


译者:赵路佳          编审:崔骁勇教授         责任编辑:崔骁勇教授


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: NICOT François (2021), 沙子:液体还是固体?, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sol-zh/sand-fluid-or-solid/.

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