本文原刊於The Conversation 網站。
如果你想了解為什麼有些沙堡很高，結構複雜，而有些沙堡幾乎沒有形狀，那麼具備岩土工程的背景知識會有所幫助。
身為一名岩土工程教育工作者，我經常在課堂上使用沙堡來解釋土壤、水和空氣的相互作用如何使開採對能源轉型至關重要的金屬後重建地形成為可能。
建造沙堡的關鍵在於三種成分的完美配比。沙子提供結構支撐，而沙粒間的水則提供作用力——在這種情況下是吸力——使沙子保持在一起。如果沒有適量的空氣，水就會將沙粒推開。
不僅僅是任何沙子
根據美國材料與試驗協會（ASTM International）的統一土壤分類系統，沙粒是指直徑在0.003英吋（0.075毫米）至0.187英吋（4.75毫米）之間的土壤顆粒。根據定義，沙至少有一半的顆粒尺寸在此範圍內。粉砂或黏土是指顆粒尺寸小於沙粒的土壤。而顆粒尺寸大於沙粒的土壤則稱為礫石。
沙子顆粒的大小也決定了沙子的外觀和觸感。最小的沙粒質地幾乎像糖粉一樣細膩。最大的沙粒則更像小乾扁豆的大小。
大多數沙子都可以用來堆沙堡，但最好的沙子有兩個特點：沙粒大小不一，且邊緣粗糙或呈棱角狀。沙粒大小的變化使得較小的沙粒能夠填補較大沙粒之間的空隙，從而提高沙子的強度。
沙粒棱角分明、尖銳的沙粒更容易相互咬合，使沙堡更加堅固。這就像一堆棱角分明的木塊會保持堆疊狀態，而一堆彈珠則會四處散落一樣。
這也解釋了為什麼令人驚訝的是，最適合建造沙堡的沙子通常不在島嶼或沿海沙灘上。沙粒棱角分明的沙粒通常產自靠近山脈的地區，那裡是它們的地質來源。這些沙粒的邊緣尚未被風和水磨圓。專業的沙堡建造者甚至會從河裡運沙來建造他們的作品。
最後，沙粒之間的距離越近，沙子的強度就越高。透過壓實或夯實將濕沙緊緊壓在一起，可以擠壓沙粒，減少孔隙尺寸，從而增強水的作用。壓實還能增加沙粒間的相互咬合，進而提高沙子的強度。
水是關鍵
沒有水，沙子只會堆積成山。水太多，沙子就會像液體一樣流動。但在乾燥的沙子和飽和的沙子之間存在著一個很大的含水量範圍，正是這個範圍使得建造沙堡成為可能。
水俱有內聚力，這意味著水傾向於與水相連。但水也會附著或向上攀爬某些表面。觀察一杯半滿的水，你會發現水會沿著杯子內壁向上流動。重力仍然將水留在杯子裡，但水也試圖向上攀爬並潤濕杯壁。正是這種微小的力量較量，使得沙堡的建造成為可能。
在空氣和水交會的地方，存在著表面張力。空氣-水界面向下牽拉，試圖克服表面潤濕力、內聚力和重力等相互競爭的力，使水分子聚集在一起。表面張力就像氣球的表皮一樣，將水分子拉攏在一起。表面張力也能使沙粒聚集在一起。
如果玻璃杯更細，像吸管一樣，水就會上升得更高，表面張力也會更大。吸管越細，水上升越高。這種現象叫做毛細作用。
水在濕沙中的行為也類似。沙粒之間的孔隙就像一束束細小的吸管。水在沙粒之間形成微小的「橋樑」。這些「橋樑」中的水處於張力狀態，透過一種我們岩土工程師稱為「吸力」的力將沙粒拉攏在一起。
水量剛好夠用
沙子中的含水量決定了水橋的大小和強度。含水量過少，沙粒之間的水橋就很小。含水量越多，水橋的大小和數量就越大，從而增強了沙粒之間的吸力。最終形成完美的沙堡沙。
但是水太多的話，吸力就太弱，無法將沙子固定在一起。
建造精美沙堡的一般經驗法則是：每八份乾沙配一份水。但在實驗室的理想條件下，如果沙子密實且水分完全蒸發，每100份乾沙配一份水也能創造出令人驚嘆的效果。在海灘上，當潮水退去時，濕度合適的沙子通常位於高潮線附近。
順便一提，海水中的鹽分對沙堡的穩定性也大有助益。毛細作用力最初將沙粒黏合在一起，但毛細水最終會蒸發，尤其是在刮風的日子裡。當海水乾涸後，鹽分就會留在沙粒之間。由於海水在沙粒間形成了“橋樑”，鹽分會在這些接觸點結晶。這樣一來，即使沙子乾透，鹽分也能讓沙堡屹立不搖。但要注意不要擾動這些被鹽分黏合的沙子；它們很脆，容易坍塌。
要建造一座堅固的沙堡，首先要將沙子和少量水盡可能地壓實。我喜歡先堆出一個密實的沙丘，然後再用鏟子挖空並雕刻，展現出裡面的藝術。你也可以將沙子壓入桶子、杯子或其他模具中，然後從底部開始建造。只需確保沙子壓實，並將模具放在壓實的地基上即可。用手既可以很好地壓實沙子，也可以雕刻，但使用鏟子或貝殼會更加精準。盡情享受吧，別怕弄得滿身沙子！
