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近期，GDS非饱和土三轴试验系统UNSAT在中国地质大学投入使用。该系统是英国GDS公司生产的一款高端非饱和土试验仪器，是对传统三轴试验的升级和扩充，主要用来研究地下水位以上的土的特性，可以模拟现场的应力状态和饱和情况。

中国地质大学 GDS非饱和土三轴仪

非饱和土与非饱和土试验

非饱和土是一种土体孔隙中存在空气和水的三相土壤。与饱和土不同，非饱和土的孔隙没有被液体完全占据，因此其含水饱和度小于100%。非饱和土在自然界中广泛存在，尤其在干旱和半干旱地区。由于土壤中的气体相存在，非饱和土具有特殊的工程性质，如基质吸力。基质吸力的存在使得非饱和土在受力时表现出与饱和土不同的行为。因此，非饱和土的工程性质是当前研究的热点之一，对其深入了解有助于更好地进行工程设计和施工。

非饱和土三轴试验是研究非饱和土力学特性的重要手段。试验通过控制轴向压力和周围压力，模拟实际工程中的应力状态，以测试非饱和土的变形和强度特性。该试验不仅有助于深入了解非饱和土的力学行为，而且为工程设计和建设提供了重要的参考依据。

干裂的河床（非饱和土）

非饱和土三轴试验仪器

用来完成非饱和土试验的其中一种仪器即非饱和土三轴仪，作用是用于完成砂土、粉土、粘性土等动强度、液化、模量、阻尼等动力特性试验的仪器。它通过对土壤样品施加轴向压力和周围压力，模拟非饱和土在实际工程中的应力状态，以测试其变形和强度特性。非饱和土三轴仪器在工程领域中具有重要的意义，可以为土壤工程、农业生产和环境保护等方面提供科学的依据，促进社会的可持续发展。

非饱和土三轴仪器的原理

非饱和土三轴仪器的原理基于维持土壤样品的轴向等应力状态，通过引入不同水分条件下的水分压力，模拟土壤在不同湿度下的力学行为。通过施加垂直压力和水平应变，可以了解土壤的变形、强度和渗透性等力学性质。非饱和土三轴仪器通常由液压控制器分别控制轴向压力、围压和反压；气压控制器控制孔隙气压、压力室和数据采集系统组成。控制器数据采集板和压力室相连，通过水和气来传递压力。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剪切；围压控制器连到压力室中，用以量测、控制三轴压力室中的水压力；反压控制器连到压力室底座的陶土板，用来量测、控制试样中的孔隙水压力，以及试样中的孔隙水体积变化；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，用以量测、控制土样中的孔隙气压力和整个系统中空气体积变化。当试样两端控制的孔气（水）压与土样内部孔气（水）压平衡时，试样中吸力就等于所控制的吸力。

下图GDS非饱和土三轴仪示意图体现了非饱和土三轴仪的基本构成--试样容器；加压系统；轴向加载装置；孔隙气压控制系统；反压系统；数据采集和处理系统；测量系统等。

GDS“UNSAT”型非饱和土三轴仪

GDS非饱和土三轴仪UNSAT

GDS非饱和土三轴试验系统UNSAT是对传统三轴试验的延伸，可以在接近实际地应力状态和饱和度条件下对地下水位以上的土体进行测试。所有GDS三轴测试系统（以及其他制造商的三轴设备）都可以进行改造，以进行非饱和土三轴测试。GDS可以提供4种方法来进行非饱土测试。

非饱和测试也可以运用到"剪切"、"空心扭剪"、"共振柱"和"真三轴"试验。

01 系统主要特点及优势

选择不同测试方法：为了满足您的测试要求和预算，参见下面的方法A，B，C，D
香港科技大学：方法B是与HKUST(香港科技大学)合作开发的，他们是非饱和土测试方面的专家
混合搭配：这些方法可以混合搭配使用，以创建自定义系统
GDS的经验：GDS有多种不同的非饱和土测试方法，可以客观地为客户提供最佳的测试选择。GDS并不局限于单一的解决方案。

02 非饱和土体变测量方法

• 方法A：通过GDS孔隙气压/体积控制器直接测量孔隙气体积和孔隙水的体积变化。

• 方法B：HKUST内压力室 — 用差压传感器测量内压力室中水的水位变化进而得到试样的总体积变化。

• 方法C：双压力室 — 试样的体变通过GDS压力体积控制器测量流进或流出内压力室的水体积来完成。由于外压力室加压，内压力室壁可视为是无限刚度的。

• 方法D：利用安装于试样上的局部应变传感器直接测量而得到试样的总体变。

03 UNSAT系统技术参数

方法 A
测量分辨率：压力 = 0.2kPa, 体积 = 1mm³
测量精度：压力 = <0.1% FRO，体积 = 0.25%
方法 B
体积变化测量分辨率：<10mm3
体积变化测量精度：对于直径为38mm、高76mm的试样，精度约为32mm3或试样体积应变的0.04%
方法 C
压力室体积测量分辨率：1mm³
压力室体积测量精度：0.25%
方法 D
位移测量精度：<0.1μm   霍尔效应传感器 = 0.8% FRO, LVDT = 0.1% FRO

04 4 种体变测量方法详述

方法 A – 通过GDS孔隙气压/体积控制器直接测量体积变化

如何使用?

为了直接测量体积变化，采用2MPa/1000cc高级气压压力体积控制器内充入空气，用于控制孔隙气压和以及测量孔隙气体积变化。采用2MPa/200cc高级水压压力体积控制器内充入除气水，用来控制孔隙水压力（反压）以及测量孔隙水体积变化。通过高级压力体积控制测量得到的孔隙气体积和孔隙水体积变化计算得到试样的总体积变化。

孔隙气压与试样顶部相连（见图4），其值总要大于与底部相连的孔隙水压值。顶帽采用标准的透水石，由于孔隙气压大于孔隙水压，所以水不会进入到气压管路。因为底座配有高进气值陶土板(HAEPD)，所以气体也不会进入孔隙水管路。孔隙气压和孔隙水压维持一个压力差从而在非饱和土中产生一个“基质吸力”。

图 1  采用GDS 方法A进行试验时的连接示意图

2MPa/1000cc高级气体压力/体积控制器

GDS 2MPa/1000cc高级气体压力/体积控制器，与普通充除气水的压力体积控制器在结构上相似。该控制器的内置控制软件是经过特别设计，以适用刚度较低的空气(见Adams，Wulfsohn and Fredlund, 1996)。

图2  2MPa/1000cc气体压力/体积控制器

使用该控制器时需要注意如下几点：

• 该控制器气压量程为2MPa，分辨率是1kPa；体积量程为1000cc，分辨率为1mm3（即0.001cc）。

• 该控制器专门设计用于控制气压。这是因为内置于控制器程序中的目标压力搜寻算法对于空气（极软）与水（比空气刚度大很多）来说是不同的。

• 控制器能从零压力开始运行，控制器能提供足够的体积变化，这里1000cc是必需的。同时，该控制器可以通过空压机预压，这能够在自身压缩时“节省”体积。

方法 A 技术参数

高级 2MPa/1000cc气压/体积控制器

• 压力量程：2MPa

• 体积量程 (名义上的)：1000cc

• 测量和控制分辨率：压力 = <0.1% 满量程，体积 = 0.5 mm3

• 测量精度：压力 = <0.1% 满量程，体积 = 0.25%

方法A UNSAT 系统必备选项

• 带高进气值陶土板的非饱和土底座

• GDS 2MPa/1000cc 高级气压压力/体积控制器

• 4D 非饱和土软件模块

从方法A升级为方法D的升级选项

• 局部应变传感器 (霍尔效应或 LVDT传感器)

• 大气压力传感器

• 三轴压力室通道环

方法 B – HKUST 内压力室体变测量

HKUST（香港科技大学）体变测量方法通过测量主三轴压力室中的内压力室里试样的体变来完成。体变测量通过一个高精度差压传感器（DPT）来完成，这使得体变测量仅仅在内压力室里面，从而使温度和压力变化引起的误差最小化。

通过一个GDS双通道气压控制器，软件控制的气动调节阀控制a）内外围压 b）试样中的孔隙气压。

三轴试样安装在内压力室中（见图3），该内压力室通过DPT与参照管相连接。由于试样变形，将引起内压力室内水位的上升或下降，通过测量内压力室和参照管的压力差，结合相关的标定系数，就可以得到试样的体变。

图3 HKUST内压力室和DPT连接示意图

方法 B 技术参数

• 差压传感器（DPT）量程： +/- 1.5kPa (+/- 150mm 水头)

• 差压传感器（DPT）精度： <0.2%全量程 

• 体变测量理论分辨率（16位分辨率）： <10mm3.

• 体变测量精度： 对于38mm x 76mm 试样，约为 32mm3或体积应变的0.04% 

HKUST UNSAT 系统必备选项

• 内压力室

• 带高进气值陶土板的非饱和土底座

• HKUST顶帽

• 高精度、低量程差压传感器

• 4D 非饱和土软件模块

• 双通道气压控制器 (需要实验室气压源或空压机)

• 压力室通道环

方法 C – 双压力室体变测量

方法C体变的测量选项包括使用双层压力室或双压力室。由于压力室壁拉伸和蠕变引起的误差，常规的三轴压力室不能用于体变测量。

在双层压力室或双压力室中，内压力室壁没有压力差，因此没有径向拉伸/蠕变产生的误差。双层压力室由内有机玻璃壁和外有机玻璃壁构成。两个GDS压力/体积控制器用于控制围压/径向应力，第一个连接到内压力室，第二个连接到外压力室。围压目标值同时发送到内部和外部控制器。试样的体变是通过内压力室的体积变化来测量。

图4 安装于GDS Bishop & Wesley内的双压力室示意图

以往曾尝试采用刚度较大的三轴压力室（例如：不锈钢压力室）而不是双层压力室。不锈钢压力室很重而且不透明，也会产生一些偏差。

图5 双压力室示意图

方法 C 技术参数

2MPa/1000cc高级气压压力/体积控制器

• 测量和控制分辨率：压力 = <0.1% 满量程，体积 = 0.5mm3

• 测量精度：压力 = <0.1% 满量程，体积 = 0.25%

方法 C UNSAT 系统必备选项

• GDS 双压力室

• 带高进气值陶土板的非饱和土底座

• GDS 压力/体积控制器

•  GDSLAB 4D UNSAT 软件模块

升级为方法 C UNSAT 需要的选项

• 局部应变传感器 (霍尔效应或LVDT传感器)

• 大气压力传感器

• 三轴压力室通道环

方法 D – 局部应变测量

任何一套GDS系统都可以升级完成局部应变测量，如霍尔效应或LVDT传感器。两种装置都可以通过轻型铝制固定器固定在试样表面直接测量轴向和径向变形。

霍尔效应传感器可以在1700kPa水压力下使用。

LVDT 传感器有2种型号：

• 低压型 (最大可承受压力3500kPa)，适合在水中使用。

• 高压型 (最大可承受 200MPa) ，适合在不导电的油中使用。

图6 霍尔效应和LVDT传感器

高进气值陶土板

在进行非饱和土试验时，将孔隙气和孔隙水分开以便维持一个压力差（即基质吸力）是很有必要的，可以通过一个高进气值陶土板（HAEPD）来完成。

当高进气值陶土板（HAEPD）完全饱和时，可以维持陶土板一边的气压大于另外一边的水压，气体不会通过该陶土板，可以维持的最大压力差就是“进气值”。在GDS系统中，高进气值陶土板（HAEPD）被固定在底座上。

图7 用于方法A和C的非饱和底座（左）和用于方法B的HKUST底座

升级为弯曲元测试

任何非饱和系统都可以通过增加以下项目升级完成P波和S波弯曲元试验：

• 带有插入元件的弯曲元底座和顶帽

• 高速数据采集卡

• 信号调节单元，包括发射和接收信号（P波和S波）的放大器和用户控制增益值（通过软件）。

图8 GDS弯曲元 

GDSLAB 4D UNSAT 软件模块

GDSLAB UNSAT 软件模块 (见图9) 可以为多种应力路径提供控制和数据采集功能。这是一个四维应力路径模块，可以同时控制孔隙气压、孔隙水压、围压和轴压。

控制孔隙气压和孔隙水压的能力可以完成以下试验：

• 线性控制下的非饱和试验

• 土水特征曲线

• 饱和条件下的排水试验

• 非饱和条件下的排水试验

图9 正在进行试验的4D非饱和土试验模块

05 方法 A B C D 对比