沙子：液体还是固体？

  沙子是我们周边环境中的常见物质。妆点漫长海岸的沙子实际上是制造混凝土的基本原料。此外，沙粒是土壤的基本组成成分，以至于每个岩土工程师都十分熟悉这种物质。沙子源自结晶岩的分解，因颗粒排列无序而形成独特性质，经常作为阐释颗粒物质的典型例证。本文在回顾沙子来源后，将系统介绍其中的一些特征。

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。作为这类岩石的典型代表，花岗岩[1]是大多数高大山脉的主峰岩体，如勃朗峰（Mont-Blanc）、埃克兰峰（Ecrins）、安宾峰（Ambin）、阿真泰拉峰（Argentera）等。在以气候因素为主的侵蚀作用下，岩石材料发生不可逆转的老化过程，破碎成尺寸较小的碎块，最终分解成包含原岩中各种晶粒在内的颗粒体（图1）。我们称之为花岗岩沙土，可从中发现云母、长石和石英等晶体。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物质（图2），可以形象地将它看作是一堆相互挤压着的可滑动和滚动小球。实际上，很少有沙粒是弹珠一样的球体。沙粒通常呈不规则形状，有些带棱角，有些呈条状；其表面可能是平面，也可能是球面。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。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，致使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；反之为松砂。

  岩土工程师们常因拟修建诸如道路、建筑物、水坝、近海工程等土木工程而研究土壤。其中，土壤中沙子的密度至关重要，因为密砂和松砂有着不同的力学行为（即在给定载荷作用下土壤的变形方式）。对于绝大多数土木工程而言，确保地面变形不超过某个确切阈值是基本要求。

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质土壤的力学行为。当沙粒间的空隙中存在水分时，就会在沙粒之间产生毛管力，使之出现吸引效应，土壤表现出粘聚性。这是能用垂直墙体建造沙堡的原因。如果沙子处于水分饱和状态（例如涨潮时），毛管力消失，粘聚性随之丧失，沙堡就会倒塌。

  此外，流体的存在能促进沙子的蚀变及物理化学过程，使颗粒间产生固态链接。这种链接加强了沙粒之间的结合，提高了土壤的力学强度。如果这种固结作用在地质时间尺度上持续进行，就是我们常说的成岩过程，沙土将最终变为砂岩。

4. 历久弥新的颗粒物质

  自18世纪库仑(C.A. Coulomb)的奠基性工作（参见“什么是库仑摩擦定律？”）以来，沙子作为颗粒物质的典型代表长期是土力学的关注对象。三个世纪过去了，我们还没有完全了解这类物质的奥秘。它们有时像“真正的”固体一样坚实，有时又像液体一样流动。请想像一下流沙！更具灾难性的是地震中沙质土壤的液化。土壤一旦发生液化，就无法稳固支撑各种建筑物，导致坍塌。

  简而言之，作为一种颗粒物质，沙子的复杂性主要源于以下两方面：

• 一方面，沙粒可以通过相对滑动或滚动而重新排列，使得沙粒间空隙减少或增加，从而改变了沙子的结构。这种相对运动受控于颗粒形状和通过库仑定律体现的颗粒间摩擦系数。
• 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。这将引发几何复杂性，即一种在任何大型生物种群或材料中都能观察到的群体效应。在沙子中表现为因颗粒接触而形成的各种纠缠斑图，在高度可变的团簇、尺寸和形状中间出现不同类型的颗粒链（图4）。沙子最为独特的性质之一是剪胀性（见“What is sand dilatancy?”），即受剪应力作用时体积增大，部分原因也在于大量沙粒的群体效应。

  从沙粒或数颗沙粒组成的团簇这种最基本尺度的颗粒结构出发，可以理解沙子的行为，成果丰硕。目前，岩土工程领域面临的主要挑战之一是重返这条研究道路后，如何继续深入探索。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物质的核心细微尺度。解决两者之间巨大的尺度差异是一项真正的智力挑战。

 

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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。