本文最初发表在The Conversation上。
如果你想了解为什么有些沙堡高大而结构精巧，而有些则几乎是无形的沙堆，那么拥有岩土工程背景会很有帮助。
作为一名岩土工程教育者，我会在课堂上利用沙堡来解释土壤、水和空气之间的相互作用是如何让我们能够在开采对能源转型至关重要的金属后重建地貌。
建造沙堡的关键在于这三种成分的正确混合。沙子提供结构，而沙粒之间的水则提供将沙子固定在一起的力——在这种情况下是吸力。如果没有适量的空气，水就会将沙粒推开。
并非所有沙子都适用
根据 ASTM 国际标准机构的统一土壤分类系统，沙粒是指直径在 0.003 英寸（0.075 毫米）到 0.187 英寸（4.75 毫米）之间的土壤颗粒。根据定义，沙子的颗粒中至少有一半在此范围内。粉土或粘土是指颗粒尺寸小于沙子的土壤。而颗粒尺寸大于沙子的土壤则为砾石。
颗粒的大小，也就是粒径，也决定了沙子的外观和手感。最小的沙粒质地几乎像糖粉。最大的颗粒则更像小干扁豆的大小。
大多数沙子都可以用来建造沙堡，但最好的沙子有两个特点：不同尺寸的沙粒混合以及边缘呈棱角或粗糙的沙粒。粒径的变化允许较小的沙粒填充较大的沙粒之间的空隙。这会增加沙子的强度。
具有尖角的沙粒更容易咬合在一起，从而使沙堡更坚固。这就像一堆棱角分明的木块会保持堆叠状态，而一堆弹珠则会四处滚动一样。
这也是为什么，令人惊讶的是，最适合建造沙堡的沙子通常不在岛屿或海滩上。更棱角的沙粒通常在靠近其地质来源的山区更容易找到。这些沙粒的边缘尚未被风和水磨圆。专业的沙堡建造者甚至会进口河沙来建造他们的作品。
最后，沙粒越紧密，沙子就越坚固。用力挤压湿沙，通过压实或捣实，可以将沙粒挤在一起，减小孔隙的尺寸，并增强水的作用。压实还可以增加颗粒间的咬合，从而提高沙子的强度。
水是关键
没有水，沙子只会形成一堆。水太多，沙子就会像液体一样流动。但在干沙和饱和沙之间，存在着各种各样的湿度水平，它们使得沙堡的建造成为可能。
水具有内聚性，这意味着水喜欢粘附在水上。但水也会粘附或爬上某些表面。看看半杯水，你会看到水在杯壁内向上爬一点。重力仍然将水留在杯子里，但水试图爬升并湿润表面。这种微小的力量较量使得沙堡成为可能。
在空气和水相遇的地方，存在表面张力。空气-水界面向下收缩，试图将水拉在一起，抵抗表面润湿、内聚力和重力的竞争力量。表面张力将水拉在一起，就像气球紧绷的表面一样。表面张力也将沙粒拉在一起。
如果杯子更细，就像吸管一样，水会升得更高，表面张力也会更大。吸管越窄，水升得越高。这种现象被称为毛细作用。
湿沙中的水也是如此。沙粒之间的孔隙或空间就像一束束非常细小的吸管。水在颗粒之间形成微小的桥梁。这些桥梁中的水处于张力之下，通过我们岩土工程师称为吸力应力的力将颗粒拉在一起。
刚刚好的水量
沙子中的水量控制着水桥的大小和强度。水太少，沙粒之间的桥梁也很少。水越多，桥梁的大小和数量就越多，增加了将沙粒固定在一起的吸力。其结果就是完美的沙堡沙子。
然而，水太多，吸力就太弱，无法将沙子固定在一起。
建造优秀沙堡的一个经验法则是每八份干沙加一份水。但在实验室的理想条件下，例如使用密实的沙子且无蒸发，每一百份干沙加一份水就可以创造奇迹。在海滩上，含水量合适的沙子在低潮时位于高潮线附近。
顺便说一句，海水中的盐分也可以提高沙堡的稳定性。毛细作用力最初将沙粒固定在一起，但毛细水最终会蒸发，尤其是在有风的日子里。当海水干涸时，盐分会残留在接触点。这样，盐分就可以让沙堡在沙子干透后仍然屹立不倒。但要注意不要打扰这些盐键合的沙子；它们很脆，容易坍塌。
要建造一个坚固的沙堡，请尽可能紧密地压实沙子和少量水。我更喜欢先创建一个致密的土堆，然后进行挖掘和雕刻，以展现其中的艺术。您也可以将沙子压实到桶、杯子或其他模具中，然后从下往上建造。请确保沙子足够密实，并将模具放置在压实的基座上。双手是绝佳的压实和雕刻工具，但铲子或贝壳可以提供更精细的操作。祝您玩得开心，不要害怕弄脏手！
