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近期，GDS非飽和土三軸試驗系統UNSAT在中國地質大學投入使用。該系統是英國GDS公司生產的一款高端非飽和土試驗儀器，是對傳統三軸試驗的升級和擴充，主要用來研究地下水位以上的土的特性，可以模擬現場的應力狀態和飽和情況。

中國地質大學 GDS非飽和土三軸儀

非飽和土與非飽和土試驗

非飽和土是一種土體孔隙中存在空氣和水的三相土壤。與飽和土不同，非飽和土的孔隙沒有被液體完全占據，因此其含水飽和度小于100%。非飽和土在自然界中廣泛存在，尤其在干旱和半干旱地區。由于土壤中的氣體相存在，非飽和土具有特殊的工程性質，如基質吸力。基質吸力的存在使得非飽和土在受力時表現出與飽和土不同的行為。因此，非飽和土的工程性質是當前研究的熱點之一，對其深入了解有助于更好地進行工程設計和施工。

非飽和土三軸試驗是研究非飽和土力學特性的重要手段。試驗通過控制軸向壓力和周圍壓力，模擬實際工程中的應力狀態，以測試非飽和土的變形和強度特性。該試驗不僅有助于深入了解非飽和土的力學行為，而且為工程設計和建設提供了重要的參考依據。

干裂的河床（非飽和土）

非飽和土三軸試驗儀器

用來完成非飽和土試驗的其中一種儀器即非飽和土三軸儀，作用是用于完成砂土、粉土、粘性土等動強度、液化、模量、阻尼等動力特性試驗的儀器。它通過對土壤樣品施加軸向壓力和周圍壓力，模擬非飽和土在實際工程中的應力狀態，以測試其變形和強度特性。非飽和土三軸儀器在工程領域中具有重要的意義，可以為土壤工程、農業生產和環境保護等方面提供科學的依據，促進社會的可持續發展。

非飽和土三軸儀器的原理

非飽和土三軸儀器的原理基于維持土壤樣品的軸向等應力狀態，通過引入不同水分條件下的水分壓力，模擬土壤在不同濕度下的力學行為。通過施加垂直壓力和水平應變，可以了解土壤的變形、強度和滲透性等力學性質。非飽和土三軸儀器通常由液壓控制器分別控制軸向壓力、圍壓和反壓；氣壓控制器控制孔隙氣壓、壓力室和數據采集系統組成。控制器數據采集板和壓力室相連，通過水和氣來傳遞壓力。軸向壓力控制器連到壓力室底座，通過底座的升降對試樣進行剪切；圍壓控制器連到壓力室中，用以量測、控制三軸壓力室中的水壓力；反壓控制器連到壓力室底座的陶土板，用來量測、控制試樣中的孔隙水壓力，以及試樣中的孔隙水體積變化；氣壓控制器與試樣帽相連，再由試樣帽上預留孔道將氣壓控制器中的空氣與試樣孔隙氣體連為一體，用以量測、控制土樣中的孔隙氣壓力和整個系統中空氣體積變化。當試樣兩端控制的孔氣（水）壓與土樣內部孔氣（水）壓平衡時，試樣中吸力就等于所控制的吸力。

下圖GDS非飽和土三軸儀示意圖體現了非飽和土三軸儀的基本構成--試樣容器；加壓系統；軸向加載裝置；孔隙氣壓控制系統；反壓系統；數據采集和處理系統；測量系統等。

GDS“UNSAT”型非飽和土三軸儀

GDS非飽和土三軸儀UNSAT

GDS非飽和土三軸試驗系統UNSAT是對傳統三軸試驗的延伸，可以在接近實際地應力狀態和飽和度條件下對地下水位以上的土體進行測試。所有GDS三軸測試系統（以及其他制造商的三軸設備）都可以進行改造，以進行非飽和土三軸測試。GDS可以提供4種方法來進行非飽土測試。

非飽和測試也可以運用到"剪切"、"空心扭剪"、"共振柱"和"真三軸"試驗。

01 系統主要特點及優勢

選擇不同測試方法：為了滿足您的測試要求和預算，參見下面的方法A，B，C，D
香港科技大學：方法B是與HKUST(香港科技大學)合作開發的，他們是非飽和土測試方面的專家
混合搭配：這些方法可以混合搭配使用，以創建自定義系統
GDS的經驗：GDS有多種不同的非飽和土測試方法，可以客觀地為客戶提供最佳的測試選擇。GDS并不局限于單一的解決方案。

02 非飽和土體變測量方法

? 方法A：通過GDS孔隙氣壓/體積控制器直接測量孔隙氣體積和孔隙水的體積變化。

? 方法B：HKUST內壓力室 — 用差壓傳感器測量內壓力室中水的水位變化進而得到試樣的總體積變化。

? 方法C：雙壓力室 — 試樣的體變通過GDS壓力體積控制器測量流進或流出內壓力室的水體積來完成。由于外壓力室加壓，內壓力室壁可視為是無限剛度的。

? 方法D：利用安裝于試樣上的局部應變傳感器直接測量而得到試樣的總體變。

03 UNSAT系統技術參數

方法 A
測量分辨率：壓力 = 0.2kPa, 體積 = 1mm³
測量精度：壓力 = <0.1% FRO，體積 = 0.25%
方法 B
體積變化測量分辨率：<10mm3
體積變化測量精度：對于直徑為38mm、高76mm的試樣，精度約為32mm3或試樣體積應變的0.04%
方法 C
壓力室體積測量分辨率：1mm³
壓力室體積測量精度：0.25%
方法 D
位移測量精度：<0.1μm   霍爾效應傳感器 = 0.8% FRO, LVDT = 0.1% FRO

04 4 種體變測量方法詳述

方法 A – 通過GDS孔隙氣壓/體積控制器直接測量體積變化

如何使用?

為了直接測量體積變化，采用2MPa/1000cc高級氣壓壓力體積控制器內充入空氣，用于控制孔隙氣壓和以及測量孔隙氣體積變化。采用2MPa/200cc高級水壓壓力體積控制器內充入除氣水，用來控制孔隙水壓力（反壓）以及測量孔隙水體積變化。通過高級壓力體積控制測量得到的孔隙氣體積和孔隙水體積變化計算得到試樣的總體積變化。

孔隙氣壓與試樣頂部相連（見圖4），其值總要大于與底部相連的孔隙水壓值。頂帽采用標準的透水石，由于孔隙氣壓大于孔隙水壓，所以水不會進入到氣壓管路。因為底座配有高進氣值陶土板(HAEPD)，所以氣體也不會進入孔隙水管路。孔隙氣壓和孔隙水壓維持一個壓力差從而在非飽和土中產生一個“基質吸力”。

圖 1  采用GDS 方法A進行試驗時的連接示意圖

2MPa/1000cc高級氣體壓力/體積控制器

GDS 2MPa/1000cc高級氣體壓力/體積控制器，與普通充除氣水的壓力體積控制器在結構上相似。該控制器的內置控制軟件是經過特別設計，以適用剛度較低的空氣(見Adams，Wulfsohn and Fredlund, 1996)。

圖2  2MPa/1000cc氣體壓力/體積控制器

使用該控制器時需要注意如下幾點：

• 該控制器氣壓量程為2MPa，分辨率是1kPa；體積量程為1000cc，分辨率為1mm3（即0.001cc）。

• 該控制器專門設計用于控制氣壓。這是因為內置于控制器程序中的目標壓力搜尋算法對于空氣（極軟）與水（比空氣剛度大很多）來說是不同的。

• 控制器能從零壓力開始運行，控制器能提供足夠的體積變化，這里1000cc是必需的。同時，該控制器可以通過空壓機預壓，這能夠在自身壓縮時“節省”體積。

方法 A 技術參數

高級 2MPa/1000cc氣壓/體積控制器

• 壓力量程：2MPa

• 體積量程 (名義上的)：1000cc

• 測量和控制分辨率：壓力 = <0.1% 滿量程，體積 = 0.5 mm3

• 測量精度：壓力 = <0.1% 滿量程，體積 = 0.25%

方法A UNSAT 系統必備選項

• 帶高進氣值陶土板的非飽和土底座

• GDS 2MPa/1000cc 高級氣壓壓力/體積控制器

• 4D 非飽和土軟件模塊

從方法A升級為方法D的升級選項

• 局部應變傳感器 (霍爾效應或 LVDT傳感器)

• 大氣壓力傳感器

• 三軸壓力室通道環

方法 B – HKUST 內壓力室體變測量

HKUST（香港科技大學）體變測量方法通過測量主三軸壓力室中的內壓力室里試樣的體變來完成。體變測量通過一個高精度差壓傳感器（DPT）來完成，這使得體變測量僅僅在內壓力室里面，從而使溫度和壓力變化引起的誤差最小化。

通過一個GDS雙通道氣壓控制器，軟件控制的氣動調節閥控制a）內外圍壓 b）試樣中的孔隙氣壓。

三軸試樣安裝在內壓力室中（見圖3），該內壓力室通過DPT與參照管相連接。由于試樣變形，將引起內壓力室內水位的上升或下降，通過測量內壓力室和參照管的壓力差，結合相關的標定系數，就可以得到試樣的體變。

圖3 HKUST內壓力室和DPT連接示意圖

方法 B 技術參數

• 差壓傳感器（DPT）量程： +/- 1.5kPa (+/- 150mm 水頭)

• 差壓傳感器（DPT）精度： <0.2%全量程 

• 體變測量理論分辨率（16位分辨率）： <10mm3.

• 體變測量精度： 對于38mm x 76mm 試樣，約為 32mm3或體積應變的0.04% 

HKUST UNSAT 系統必備選項

• 內壓力室

• 帶高進氣值陶土板的非飽和土底座

• HKUST頂帽

• 高精度、低量程差壓傳感器

• 4D 非飽和土軟件模塊

• 雙通道氣壓控制器 (需要實驗室氣壓源或空壓機)

• 壓力室通道環

方法 C – 雙壓力室體變測量

方法C體變的測量選項包括使用雙層壓力室或雙壓力室。由于壓力室壁拉伸和蠕變引起的誤差，常規的三軸壓力室不能用于體變測量。

在雙層壓力室或雙壓力室中，內壓力室壁沒有壓力差，因此沒有徑向拉伸/蠕變產生的誤差。雙層壓力室由內有機玻璃壁和外有機玻璃壁構成。兩個GDS壓力/體積控制器用于控制圍壓/徑向應力，第一個連接到內壓力室，第二個連接到外壓力室。圍壓目標值同時發送到內部和外部控制器。試樣的體變是通過內壓力室的體積變化來測量。

圖4 安裝于GDS Bishop & Wesley內的雙壓力室示意圖

以往曾嘗試采用剛度較大的三軸壓力室（例如：不銹鋼壓力室）而不是雙層壓力室。不銹鋼壓力室很重而且不透明，也會產生一些偏差。

圖5 雙壓力室示意圖

方法 C 技術參數

2MPa/1000cc高級氣壓壓力/體積控制器

• 測量和控制分辨率：壓力 = <0.1% 滿量程，體積 = 0.5mm3

• 測量精度：壓力 = <0.1% 滿量程，體積 = 0.25%

方法 C UNSAT 系統必備選項

• GDS 雙壓力室

• 帶高進氣值陶土板的非飽和土底座

• GDS 壓力/體積控制器

•  GDSLAB 4D UNSAT 軟件模塊

升級為方法 C UNSAT 需要的選項

• 局部應變傳感器 (霍爾效應或LVDT傳感器)

• 大氣壓力傳感器

• 三軸壓力室通道環

方法 D – 局部應變測量

任何一套GDS系統都可以升級完成局部應變測量，如霍爾效應或LVDT傳感器。兩種裝置都可以通過輕型鋁制固定器固定在試樣表面直接測量軸向和徑向變形。

霍爾效應傳感器可以在1700kPa水壓力下使用。

LVDT 傳感器有2種型號：

• 低壓型 (最大可承受壓力3500kPa)，適合在水中使用。

• 高壓型 (最大可承受 200MPa) ，適合在不導電的油中使用。

圖6 霍爾效應和LVDT傳感器

高進氣值陶土板

在進行非飽和土試驗時，將孔隙氣和孔隙水分開以便維持一個壓力差（即基質吸力）是很有必要的，可以通過一個高進氣值陶土板（HAEPD）來完成。

當高進氣值陶土板（HAEPD）完全飽和時，可以維持陶土板一邊的氣壓大于另外一邊的水壓，氣體不會通過該陶土板，可以維持的最大壓力差就是“進氣值”。在GDS系統中，高進氣值陶土板（HAEPD）被固定在底座上。

圖7 用于方法A和C的非飽和底座（左）和用于方法B的HKUST底座

升級為彎曲元測試

任何非飽和系統都可以通過增加以下項目升級完成P波和S波彎曲元試驗：

• 帶有插入元件的彎曲元底座和頂帽

• 高速數據采集卡

• 信號調節單元，包括發射和接收信號（P波和S波）的放大器和用戶控制增益值（通過軟件）。

圖8 GDS彎曲元 

GDSLAB 4D UNSAT 軟件模塊

GDSLAB UNSAT 軟件模塊 (見圖9) 可以為多種應力路徑提供控制和數據采集功能。這是一個四維應力路徑模塊，可以同時控制孔隙氣壓、孔隙水壓、圍壓和軸壓。

控制孔隙氣壓和孔隙水壓的能力可以完成以下試驗：

• 線性控制下的非飽和試驗

• 土水特征曲線

• 飽和條件下的排水試驗

• 非飽和條件下的排水試驗

圖9 正在進行試驗的4D非飽和土試驗模塊

05 方法 A B C D 對比