4.2.1 概述
非饱和土三轴试验能较为真实地反映土体实际受力情况，且应力状态明确简单，排水条件明确。如图4.24所示为较常见的非饱和土三轴仪。与饱和土三轴试验装置的主要区别即非饱和土三轴试验装置增加了气压控制装置。
图4.24 非饱和土三轴仪
如图4.25所示为英国GDS公司生产的非饱和应力路径三轴仪，由英国GDS土工仪器有限公司和香港科技大学合作研发。仪器由控制器（2台液压控制器分别控制轴向压力和反压，2台气压控制器控制孔隙气压和围压）、压力室和数据采集系统（包括传感器、数据采集板和电脑）三大部分组成。图4.26为GDS非饱和土三轴仪的构造示意图。轴向压力控制器连到压力室底座，通过底座的升降对试样进行压缩剪切；围压控制器连到压力室中，以量测、控制压力室中的水压力；反压控制器连到压力室底座的陶土板，以量测并控制试样中的孔隙水压以及试样中孔隙水体积变化；气压控制器与试样帽相连，再由试样帽上预留孔道将气压控制器中的空气与试样孔隙气体连为一体，以量测并控制试样中的孔隙气压和整个系统中空气体积变化（詹良通和吴宏伟，2006）。该非饱和土三轴仪利用轴平移技术来控制吸力。三轴试样中孔隙气压和孔隙水压分别通过试样帽中多孔板和试样底座中的陶土板控制，当试样两端控制的孔隙气（水）压与土样内部孔隙气（水）压平衡时，试样中的吸力就等于所控制的吸力。该非饱和土三轴仪利用Ng等（2002）研制的双室体变测量系统来量测非饱和试样的总体变，该体变系统是由开顶瓶状内室、参照管和高精度的差压传感器组成。其基本工作原理是通过差压传感器自动连续地测量内室里的水位变化来获得试样的体积变化。
图4.25 GDS非饱和土三轴仪（拍摄于澳大利亚纽卡索大学）
除了常规的应力路径外，该系统还可以实现许多复杂的应力/吸力路径，如各种应力状态条件下的干湿循环、等平均主应力剪切、等偏应力吸湿等（Zhan，2003）。
非饱和土三轴试验历时较长，一方面受土体低渗透性影响，另一方面受与土体接触的高进气值陶土板低渗透性的控制（Gan等，1988）。同时，还存在许多技术困难（陈正汉等，2006），如吸力控制、体变测量等。常用的吸力控制方法利用轴平移技术，即在不排水条件下人为提高孔隙气压，与此同时孔隙水压随之平移提高，而二者之间的差值，即基质吸力却保持不变。通过内嵌于非饱和土三轴仪底座的高进气值陶土板（图4.27），实现对土样中的孔隙水压和孔隙气压分别进行控制或量测，达到吸力控制的目的。空气通过管道从试样上部试样帽进入到试样里面，当陶土板底座的排水阀打开与大气相通时，孔隙水压uw＝0，从而实现通过控制孔隙气压ua来达到控制吸力的目的。这种吸力控制方法受陶土板的进气上限值限制，最大吸力控制为1500kPa。也可以通过渗析法控制吸力，如图4.28所示（Delage和Cui，2000），渗析法控制吸力技术已在1.4.3部分进行了详细的说明。
图4.26 GDS非饱和土三轴仪构造示意图（Ng等，2002）
图4.27 非饱和土三轴仪底座（内嵌高进气值陶土板）
非饱和土三轴试验过程中，准确地量测非饱和土试样的体积是非饱和土力学特性试验研究的关键。与饱和土的体积变化量测不同，非饱和土试样的总体积变化量包括试样中气体体积的变化和水体积的变化两部分。非饱和土试样的体积变化与吸/排水量的关系，即变形与水力特性的相互关系，是一个比较复杂的问题（Ng等，2002）。因此，在非饱和土三轴试验过程中，精确量测试样的体积变化比较困难。在介绍非饱和土三轴试验前，首先阐述目前常用的几类体变量测方法，适用于饱和/非饱和土试样。
图4.28 渗析法控制吸力的三轴试验装置（Delage和Cui，2000）