本文由《萬物》雜志官方微信

“ 把科學帶回家” 提供

在高鐵、大橋、機場等地方，我們常常能看到長成這樣的墻——

這讓我們有一種錯覺，那就是這些墻頭都是用這樣龐大的磚塊砌成的，它們后面應該排布著和它們一樣形狀的磚塊吧。

別被騙了。這些墻后面根本不是磚塊，而是你想象不到的物質。

關鍵概念

加筋土

材料和操作

一些沙子

紙張或者布料

一個杯子

先揭曉謎題。高速公路，鐵路附近的這些美貌（相對于它們要掩藏的東西而言）的磚塊后面是沙土。

玩過泥巴的小朋友都知道，沙土堆成的塔一碰就碎，很不牢固。在機場這些地方用沙土建墻，難道是豆腐渣工程？

其實，這并不是豆腐渣工程，而是建筑學家和工程師為了省錢省空間同時提高泥土強度而想出來的竅門。

原來，這些沙土之間還水平填埋著一層層其他物質。利用這個小技巧，你甚至可以建造出不會被汽車壓垮的沙雕游戲！來看看怎么玩吧。

你可以嘗試把沙子倒入一個杯子里，然后倒扣著把杯子拿走。接著嘗試用重物放在沙雕上面，看看沙雕能承受多大的力。

現在，再做一個沙雕。不過這次，每鋪一層1-2厘米左右厚的沙子，就放一塊紙，或者一層布在上面，然后繼續鋪沙子。

倒扣著把杯子拿走，然后再試一試，這樣的沙雕能承受多大的力呢？

用玻璃鋼網夾在沙雕里的話，就可以讓這個邊長20厘米的立方體沙雕承受270千克的重量——

你可以想象，如果夾心材料不是穿插在沙子里，而是集中疊放，那么沙雕肯定會倒塌。 @practical engineering

神奇吧，在沙子里鋪了幾層紙或布以后，沙雕居然能承受更大的力了。紙本身也容易彎折啊，為什么和沙雕合體后，就變得更強了呢，這是怎么回事呢？

原理

要了解加了沙雕和紙頭合體后變得更強的原理，就要從剪應力說起了。

我們用一個斜角壓沙雕的時候，這個力可以被分解為兩部分：垂直于沙雕面的正向力，也就是法向應力，還有平行于沙雕面的剪應力。用剪刀剪紙張時，紙張就是因為剪應力而剪開。

剪應力fs和法向應力fn

我們知道，如果我們施加的剪應力不夠大，沙雕是能挺住的，這是因為泥土有一定的剪切強度，也就是對抗剪應力的強度。

而泥土的剪切強度取決于3個參數：粘聚力、安息角，以及法向應力的大小。它們和剪切強度的關系是這樣的——

根據莫爾庫侖土模型（Mohr Coulomb theory），泥土的剪切強度（τ）和粘聚力（c）、安息角（Φ），以及法向

粘聚力很容易理解，沙子屬于無粘性土，也就是粘聚力為零，粘土屬于粘性土，粘聚力比較大。

安息角又是什么東西？

靜安息角

如果把沙子倒在平面上，它們自然形成的沙錐的底角叫做靜安息角，這就是保持沙雕穩定時的最大角度。超過靜安息角，沙雕就會自行垮塌。

要讓沙雕不崩壞，就要增加它的剪切強度，所以就要對這里面的3個參數下手。這時候，就需要把沙雕做成夾層的了。

夾了一層層水平材料的沙雕叫做加筋土（Geosynthetic Reinforced Soil Mass，GRS）。實際上，加筋土增加了沙土的粘聚力和圍壓。

圍壓是什么呢？

圍壓

我們剛剛說，把沙子倒在水平的桌面上，形成的底角是靜安息角。但是如果把沙子填到一個洞里，不管洞是什么形狀，它都不會散開。這是因為洞的四周提供了圍壓，就像把沙雕裝在杯子里一樣。

增加的夾層的張力為沙雕增加了圍壓，相當于把沙雕裝入了一個無形的杯子里，使其不再受到靜安息角的限制。

所以，通過添加夾心材料的方式，就可以把軟趴趴的沙雕變成堅固的城墻了。預算降低達成！

加筋土擁有很好的剪切強度 @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、橋梁的橋臺、防波堤通常用的都是加筋土。

當然，加筋土沙雕如果不包起來，可能會嚇到普通市民，也不好看嘛。它們就是你在高速公路，機場等地看到的巨長的有奇怪磚頭的墻面——護土墻了。

全世界的許多高速鐵路的地基也是用加筋土沙雕造的，因為高速鐵路的鐵軌對基質的變形非常敏感。

來看看法國高鐵TGV下面采用的加筋土和護土墻——

加筋土的技術實際上有很長的歷史，古人就常常用樹枝什么的為泥土加筋。長城的西段，還有中東地區蘇美爾人造的金字形神塔用的也是加筋土。

蘇美爾人造的金字形神塔采用的也是加筋土 @wikipedia

但是，現代意義上的加筋土是法國工程師 Henri Vidal 在20世紀60年代發明的，他采用了鋼鐵片為泥土加筋。到了80年代，加筋土在許多工程中得到了廣泛應用。

加固材料通常是水平放置的鋼鐵片、鋼筋網等物質。現在也出現了高分子材料的拉筋。

加筋土采用的拉筋以及施工過程 @ace geosynthetics

“元芳，你怎么看？”

“大人，您的體重都夯不垮的地面，下面必有蹊蹺。”

無標注圖片來源網絡。

動圖來源和參考資料儲存于石墨：

https://shimo.im/docs/ycdg3QXyDyJXYQ6j/