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

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