这种墙看起来很普通，但背后根本不是你想象的样子 | 科学DIY_风闻

【本文由公众号“把科学带回家”提供，ID：steamforkids】

在高铁、大桥、机场等地方，我们常常能看到长成这样的墙——

这让我们有一种错觉，那就是这些墙头都是用这样庞大的砖块砌成的，它们后面应该排布着和它们一样形状的砖块吧。

别被骗了。这些墙后面根本不是砖块，而是你想象不到的物质。

关键概念

加筋土

材料和操作

一些沙子

纸张或者布料

一个杯子

先揭晓谜题。高速公路，铁路附近的这些美貌（相对于它们要掩藏的东西而言）的砖块后面是沙土。

玩过泥巴的小朋友都知道，沙土堆成的塔一碰就碎，很不牢固。在机场这些地方用沙土建墙，难道是豆腐渣工程？

其实，这并不是豆腐渣工程，而是建筑学家和工程师为了省钱省空间同时提高泥土强度而想出来的窍门。

原来，这些沙土之间还水平填埋着一层层其他物质。利用这个小技巧，你甚至可以建造出不会被汽车压垮的沙雕游戏！来看看怎么玩吧。

你可以尝试把沙子倒入一个杯子里，然后倒扣着把杯子拿走。接着尝试用重物放在沙雕上面，看看沙雕能承受多大的力。

现在，再做一个沙雕。不过这次，每铺一层1-2厘米左右厚的沙子，就放一块纸，或者一层布在上面，然后继续铺沙子。

倒扣着把杯子拿走，然后再试一试，这样的沙雕能承受多大的力呢？

用玻璃钢网夹在沙雕里的话，就可以让这个边长20厘米的立方体沙雕承受270千克的重量——

你可以想象，如果夹心材料不是穿插在沙子里，而是集中叠放，那么沙雕肯定会倒塌。

@practical engineering

神奇吧，在沙子里铺了几层纸或布以后，沙雕居然能承受更大的力了。纸本身也容易弯折啊，为什么和沙雕合体后，就变得更强了呢，这是怎么回事呢？

原理

要了解加了沙雕和纸头合体后变得更强的原理，就要从剪应力说起了。

我们用一个斜角压沙雕的时候，这个力可以被分解为两部分：垂直于沙雕面的正向力，也就是法向应力，还有平行于沙雕面的剪应力。用剪刀剪纸张时，纸张就是因为剪应力而剪开。

剪应力fs和法向应力fn

我们知道，如果我们施加的剪应力不够大，沙雕是能挺住的，这是因为泥土有一定的剪切强度，也就是对抗剪应力的强度。

而泥土的剪切强度取决于3个参数：粘聚力、安息角，以及法向应力的大小。它们和剪切强度的关系是这样的——

根据莫尔库仑土模型（Mohr Coulomb theory），泥土的剪切强度（τ）和粘聚力（c）、安息角（Φ），以及法向应力（σ）的大小有关。

粘聚力很容易理解，沙子属于无粘性土，也就是粘聚力为零，粘土属于粘性土，粘聚力比较大。

安息角又是什么东西？

静安息角

如果把沙子倒在平面上，它们自然形成的沙锥的底角叫做静安息角，这就是保持沙雕稳定时的最大角度。超过静安息角，沙雕就会自行垮塌。

要让沙雕不崩坏，就要增加它的剪切强度，所以就要对这里面的3个参数下手。这时候，就需要把沙雕做成夹层的了。

夹了一层层水平材料的沙雕叫做加筋土（Geosynthetic Reinforced Soil Mass，GRS）。实际上，加筋土增加了沙土的粘聚力和围压。

围压是什么呢？

围压

我们刚刚说，把沙子倒在水平的桌面上，形成的底角是静安息角。但是如果把沙子填到一个洞里，不管洞是什么形状，它都不会散开。这是因为洞的四周提供了围压，就像把沙雕装在杯子里一样。

增加的夹层的张力为沙雕增加了围压，相当于把沙雕装入了一个无形的杯子里，使其不再受到静安息角的限制。

所以，通过添加夹心材料的方式，就可以把软趴趴的沙雕变成坚固的城墙了。预算降低达成！

加筋土拥有很好的剪切强度

@fhwa

你可以想象，那些需要大量建筑材料的地方，比如高速公路、桥梁的桥台、防波堤通常用的都是加筋土。

当然，加筋土沙雕如果不包起来，可能会吓到普通市民，也不好看嘛。它们就是你在高速公路，机场等地看到的巨长的有奇怪砖头的墙面——护土墙了。

全世界的许多高速铁路的地基也是用加筋土沙雕造的，因为高速铁路的铁轨对基质的变形非常敏感。

来看看法国高铁TGV下面采用的加筋土和护土墙——

加筋土的技术实际上有很长的历史，古人就常常用树枝什么的为泥土加筋。长城的西段，还有中东地区苏美尔人造的金字形神塔用的也是加筋土。

苏美尔人造的金字形神塔采用的也是加筋土

@wikipedia

但是，现代意义上的加筋土是法国工程师 Henri Vidal 在20世纪60年代发明的，他采用了钢铁片为泥土加筋。到了80年代，加筋土在许多工程中得到了广泛应用。

加固材料通常是水平放置的钢铁片、钢筋网等物质。现在也出现了高分子材料的拉筋。

加筋土采用的拉筋以及施工过程

@ace geosynthetics

“元芳，你怎么看？”

“大人，您的体重都夯不垮的地面，下面必有蹊跷。”