从三个维度，重新理解土的力学行为
——一种更直观、更统一的视角
很多时候，我们并不是不会算，
而是从一开始，就没有在对的维度上思考问题。
仅有的一张图，名字唤作
Figure 1. A three-dimensional conceptual framework for interpreting soil mechanical behaviour
这张图是一个理论性的三维示意图，用来帮助理解土在不同条件下可能表现出的力学行为。
图中的三个轴分别代表三个连续的、彼此独立的维度，它们不是用来给土分类的，而是描述控制土力学行为的关键因素。
第一条轴表示主导的变形与强度机制，从偏砂性到偏黏性。这里说的不是土的名称，而是指在当前状态和加载条件下，土主要是通过哪一类机制在变形和承载。
第二条轴表示体积变形是否受到约束，从完全排水到完全不排水。这一维度描述的是外部条件，而不是土本身的材料属性。
第三条轴表示剪切过程中土的体积响应趋势，从剪缩到剪胀。这个趋势在排水条件下表现为体积变化，在不排水条件下则表现为孔隙水压力的变化。
图中间的水平面对应临界状态，它起到的是一个行为参考面的作用，而不是一个必然到达的终点。
在这个三维空间中，土的力学行为被理解为沿着不同路径不断演化的过程。图中画出的几条路径只是具有代表性的示意，用来说明在不同机制、排水约束和体积趋势组合下，行为可能朝着不同方向发展，而不是具体的应力路径或计算结果。
1. 我为什么想画这个图
如果你学过、教过，或者长期从事岩土工程，你一定对这些词非常熟悉：
- 砂土 / 黏土
- 排水 / 不排水
- 剪胀 / 剪缩
- 液化 / 软化 / 失稳
这些概念本身都没有问题，但在实际工程中，我们常常会发现：
同样“名字”的土，在不同条件下，表现得却像完全不同的材料；以及，这些概念通常会扎堆出现，看着似乎是可以相互替换的，没有明显的分别和清晰的关系。
我越来越觉得，问题不在于这些概念不对，或者名字起得不好，而在于——
它们是离散的，而土的力学行为本身是连续演化的。
而且，它们是从不同的维度描述土的力学行为的。
于是我尝试退后一步，不再从“土的类别”出发，而是问：
如果从控制行为的关键因素出发，
会不会更容易把问题想清楚？
Figure 1，正是在这样的背景下画出来的。
2. Figure 1：三个连续维度，而不是三个分类标签
Figure 1
一个由三个连续维度构成的“土力学行为空间”
我想先强调一句：
这不是一张分类图，而是一张“行为地图”。
图中的三个维度，都是连续的，而不是非此即彼。
2.1 主导的变形与强度机制
Axis 1.
Dominant deformation and strength mechanism
这一维度经常被简单理解为“砂 vs 黏土”，
但我真正想表达的是：
在当前状态与加载条件下，
土体主要是靠什么机制来变形和承载？
- 偏 sand-like：
- 颗粒摩擦
- 颗粒重排
- 几何嵌锁
- 偏 clay-like：
- 结构性
- 胶结与破坏
- 时间与速率效应
同一种土，在不同状态下，
在这个维度上的位置是可以变化的。
2.2 对体积变形的约束条件
Axis 2.
Constraint on volumetric deformation
这一维度回答的其实是一个非常工程化的问题：
体积变化，允不允许发生？
在 Figure 1 中，它被画成一条有明确边界的轴：
- 一端是 perfectly drained
- 另一端是 perfectly undrained
现实工程问题几乎总是在两者之间，
但把两个极端画出来，有助于建立清晰的物理直觉。
2.3 剪切过程中的体积响应趋势
Axis 3.
Volumetric tendency during shear
这是整张图中最核心的一条轴线。
它描述的不是结果，而是趋势：
在剪切过程中，土体内在地更倾向于剪胀，还是剪缩？
- 在排水条件下
→ 表现为真实的体积变化 - 在不排水条件下
→ 转化为孔隙水压力的演化
正因为如此，我们刻意避免使用
strain hardening / strain softening
来定义这条轴线。
使用 dilation / contraction tendency，
才能统一描述所有排水条件下的行为。
3. 中央参考面：Critical State Plane
由前两个维度构成的水平面，
就是熟悉的 Critical State Plane。
- 位于该平面上：
- 剪切过程中体积趋势为零
- 位于平面之上：
- 剪胀趋势占主导
- 位于平面之下：
- 剪缩趋势占主导
在 Figure 1 中，它更像是一个：
区分不同行为演化方向的参考面，
而不是一个“终点”。
4. 一个关键说明：这不是应力路径
在继续之前，有一点需要特别说明：
Figure 1 中画的不是应力路径，
而是土体力学行为的演化路径（paths）。
这些路径描述的是：
- 在给定的主导机制特征下
- 在给定的排水约束条件下
- 体积响应趋势如何随剪切不断演化
5. Figure 1 中的 8 条代表性路径（如何读这张图）
在 Figure 1 中，我一共画了 8 条代表性的路径（A-H），
它们分布在由三个维度划分出的 8 个区间（octants） 中。
这些路径并不是为了穷尽所有情况，
而是为了帮助建立方向性的物理直觉。
5.1 一个最经典的例子：完全不排水 + sand-like 一侧
我们先看 Figure 1 中：
- Constraint on volumetric deformation 位于最右端
→ 完全不排水条件 - Dominant mechanism 位于偏 sand-like 一侧
在这两个条件确定之后，以 Critical State Plane 为对称面，
上下各有一条物理意义完全不同的路径。
路径 A：Undrained stabilisation（典型密砂行为）
- 起点位于临界状态平面附近或略高
- 剪切过程中：
- 先向剪胀趋势一侧发展
- 到达峰值后回落至临界状态平面
其物理含义是：
- 密砂
- 完全不排水
- 剪切过程中产生负超孔压（吸力）
- 有效应力提高，体系趋于稳定
路径 B：Undrained instability（典型松砂行为）
与路径 A 关于临界状态平面镜像对称的是另一条路径：
- 起点位于临界状态平面下方
- 剪切过程中始终表现为剪缩趋势
- 对应正超孔压持续积累
这意味着：
- 有效应力不断降低
- 可能触发液化或流动破坏
5.2 其余 6 条路径：机制 × 约束 × 体积趋势
其余 6 条路径，分布在其他区间中，
可以理解为：
- dense sand / loose sand
- OC clay / NC clay
- 在理想排水或不排水条件下
体积响应趋势（dilatancy）随剪切演化的不同可能性。
6. 为什么我会提 dense sand、NC clay，但又拒绝用它们来分类？
你可能注意到，在举例时我会提到：
- dense sand
- loose sand
- OC clay
- NC clay
但我想明确强调：
这些只是帮助建立直觉的例子，
而不是用来分类的维度。
原因在于：
- 同一种土，完全可能表现出不同的力学行为
- 土的命名是理想化、离散的
- 而土的力学行为是连续演化、强烈依赖路径的
因此，与其问“这是什么土”，
不如先问三个更根本的问题：
- 当前主导的变形与强度机制是什么？
- 体积变形是否受到约束？
- 剪切过程中，体积响应的趋势是什么？
一个方法论层面的总结
这套三维框架并不是也不能要取代试验或计算，而是：
- 帮我（也希望能帮你）
- 更快判断一个问题里，哪一个维度才是关键的
- 理解为什么在看似相似的条件下，会出现完全不同的行为
- 在面对复杂工程问题时，
- 不至于一上来就迷失在参数里
你可以把它当成一个：
帮助工程判断的“思维坐标系”。
写在最后
很多岩土问题真正困难的地方，
并不在于计算本身，
而在于：
你是不是在对的维度上提问。
Xiang Yu - Geotechnics 