近期，GDS非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)UNSAT在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)投入使用。該系統(tǒng)是英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的一款高端非飽和土試驗(yàn)儀器，是對(duì)傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)的升級(jí)和擴(kuò)充，主要用來研究地下水位以上的土的特性，可以模擬現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力狀態(tài)和飽和情況。
中國(guó)地質(zhì)大學(xué) GDS非飽和土三軸儀
非飽和土與非飽和土試驗(yàn)
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(jù)，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(qū)。由于土壤中的氣體相存在，非飽和土具有特殊的工程性質(zhì)，如基質(zhì)吸力?；|(zhì)吸力的存在使得非飽和土在受力時(shí)表現(xiàn)出與飽和土不同的行為。因此，非飽和土的工程性質(zhì)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，對(duì)其深入了解有助于更好地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和施工。
非飽和土三軸試驗(yàn)是研究非飽和土力學(xué)特性的重要手段。試驗(yàn)通過控制軸向壓力和周圍壓力，模擬實(shí)際工程中的應(yīng)力狀態(tài)，以測(cè)試非飽和土的變形和強(qiáng)度特性。該試驗(yàn)不僅有助于深入了解非飽和土的力學(xué)行為，而且為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了重要的參考依據(jù)。
干裂的河床（非飽和土）
非飽和土三軸試驗(yàn)儀器
用來完成非飽和土試驗(yàn)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(dòng)強(qiáng)度、液化、模量、阻尼等動(dòng)力特性試驗(yàn)的儀器。它通過對(duì)土壤樣品施加軸向壓力和周圍壓力，模擬非飽和土在實(shí)際工程中的應(yīng)力狀態(tài)，以測(cè)試其變形和強(qiáng)度特性。非飽和土三軸儀器在工程領(lǐng)域中具有重要的意義，可以為土壤工程、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等方面提供科學(xué)的依據(jù)，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)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(yīng)力狀態(tài)，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(xué)行為。通過施加垂直壓力和水平應(yīng)變，可以了解土壤的變形、強(qiáng)度和滲透性等力學(xué)性質(zhì)。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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成?？刂破鲾?shù)據(jù)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(duì)試樣進(jìn)行剪切；圍壓控制器連到壓力室中，用以量測(cè)、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(cè)、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(yù)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(cè)、控制土樣中的孔隙氣壓力和整個(gè)系統(tǒng)中空氣體積變化。當(dāng)試樣兩端控制的孔氣（水）壓與土樣內(nèi)部孔氣（水）壓平衡時(shí)，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(xiàn)了非飽和土三軸儀的基本構(gòu)成--試樣容器；加壓系統(tǒng)；軸向加載裝置；孔隙氣壓控制系統(tǒng)；反壓系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)；測(cè)量系統(tǒng)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(yàn)系統(tǒng)UNSAT是對(duì)傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)的延伸，可以在接近實(shí)際地應(yīng)力狀態(tài)和飽和度條件下對(duì)地下水位以上的土體進(jìn)行測(cè)試。所有GDS三軸測(cè)試系統(tǒng)（以及其他制造商的三軸設(shè)備）都可以進(jìn)行改造，以進(jìn)行非飽和土三軸測(cè)試。GDS可以提供4種方法來進(jìn)行非飽土測(cè)試。
非飽和測(cè)試也可以運(yùn)用到"剪切"、"空心扭剪"、"共振柱"和"真三軸"試驗(yàn)。
01 系統(tǒng)主要特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)
選擇不同測(cè)試方法：為了滿足您的測(cè)試要求和預(yù)算，參見下面的方法A，B，C，D
香港科技大學(xué)：方法B是與HKUST(香港科技大學(xué))合作開發(fā)的，他們是非飽和土測(cè)試方面的專家
混合搭配：這些方法可以混合搭配使用，以創(chuàng)建自定義系統(tǒng)
GDS的經(jīng)驗(yàn)：GDS有多種不同的非飽和土測(cè)試方法，可以客觀地為客戶提供最佳的測(cè)試選擇。GDS并不局限于單一的解決方案。
02 非飽和土體變測(cè)量方法
? 方法A：通過GDS孔隙氣壓/體積控制器直接測(cè)量孔隙氣體積和孔隙水的體積變化。
? 方法B：HKUST內(nèi)壓力室 — 用差壓傳感器測(cè)量?jī)?nèi)壓力室中水的水位變化進(jìn)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(cè)量流進(jìn)或流出內(nèi)壓力室的水體積來完成。由于外壓力室加壓，內(nèi)壓力室壁可視為是無(wú)限剛度的。
? 方法D：利用安裝于試樣上的局部應(yīng)變傳感器直接測(cè)量而得到試樣的總體變。
03 UNSAT系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
方法 A
測(cè)量分辨率：壓力 = 0.2kPa, 體積 = 1mm3
測(cè)量精度：壓力 = <0.1% FRO，體積 = 0.25%
方法 B
體積變化測(cè)量分辨率：<10mm3
體積變化測(cè)量精度：對(duì)于直徑為38mm、高76mm的試樣，精度約為32mm3或試樣體積應(yīng)變的0.04%
方法 C
壓力室體積測(cè)量分辨率：1mm3
壓力室體積測(cè)量精度：0.25%
方法 D
位移測(cè)量精度：<0.1μm 霍爾效應(yīng)傳感器 = 0.8% FRO, LVDT = 0.1% FRO
04 4 種體變測(cè)量方法詳述
方法 A – 通過GDS孔隙氣壓/體積控制器直接測(cè)量體積變化
如何使用?
為了直接測(cè)量體積變化，采用2MPa/1000cc高級(jí)氣壓壓力體積控制器內(nèi)充入空氣，用于控制孔隙氣壓和以及測(cè)量孔隙氣體積變化。采用2MPa/200cc高級(jí)水壓壓力體積控制器內(nèi)充入除氣水，用來控制孔隙水壓力（反壓）以及測(cè)量孔隙水體積變化。通過高級(jí)壓力體積控制測(cè)量得到的孔隙氣體積和孔隙水體積變化計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的透水石，由于孔隙氣壓大于孔隙水壓，所以水不會(huì)進(jìn)入到氣壓管路。因?yàn)榈鬃溆懈哌M(jìn)氣值陶土板(HAEPD)，所以氣體也不會(huì)進(jìn)入孔隙水管路。孔隙氣壓和孔隙水壓維持一個(gè)壓力差從而在非飽和土中產(chǎn)生一個(gè)“基質(zhì)吸力”。
圖 1 采用GDS 方法A進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的連接示意圖
2MPa/1000cc高級(jí)氣體壓力/體積控制器
GDS 2MPa/1000cc高級(jí)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(jié)構(gòu)上相似。該控制器的內(nèi)置控制軟件是經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，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(shí)需要注意如下幾點(diǎn)：
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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）。
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該控制器專門設(shè)計(jì)用于控制氣壓。這是因?yàn)閮?nèi)置于控制器程序中的目標(biāo)壓力搜尋算法對(duì)于空氣（極軟）與水（比空氣剛度大很多）來說是不同的。
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控制器能從零壓力開始運(yùn)行，控制器能提供足夠的體積變化，這里1000cc是必需的。同時(shí)，該控制器可以通過空壓機(jī)預(yù)壓，這能夠在自身壓縮時(shí)“節(jié)省”體積。
方法 A 技術(shù)參數(shù)
高級(jí) 2MPa/1000cc氣壓/體積控制器
方法A UNSAT 系統(tǒng)必備選項(xiàng)
從方法A升級(jí)為方法D的升級(jí)選項(xiàng)
方法 B – HKUST 內(nèi)壓力室體變測(cè)量
HKUST（香港科技大學(xué)）體變測(cè)量方法通過測(cè)量主三軸壓力室中的內(nèi)壓力室里試樣的體變來完成。體變測(cè)量通過一個(gè)高精度差壓傳感器（DPT）來完成，這使得體變測(cè)量?jī)H僅在內(nèi)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(gè)GDS雙通道氣壓控制器，軟件控制的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制a）內(nèi)外圍壓 b）試樣中的孔隙氣壓。
三軸試樣安裝在內(nèi)壓力室中（見圖3），該內(nèi)壓力室通過DPT與參照管相連接。由于試樣變形，將引起內(nèi)壓力室內(nèi)水位的上升或下降，通過測(cè)量?jī)?nèi)壓力室和參照管的壓力差，結(jié)合相關(guān)的標(biāo)定系數(shù)，就可以得到試樣的體變。
圖3 HKUST內(nèi)壓力室和DPT連接示意圖
方法 B 技術(shù)參數(shù)
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差壓傳感器（DPT）量程： +/- 1.5kPa (+/- 150mm 水頭)
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差壓傳感器（DPT）精度： <0.2%全量程
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體變測(cè)量理論分辨率（16位分辨率）： <10mm3.
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體變測(cè)量精度： 對(duì)于38mm x 76mm 試樣，約為 32mm3或體積應(yīng)變的0.04%
HKUST UNSAT 系統(tǒng)必備選項(xiàng)
方法 C – 雙壓力室體變測(cè)量
方法C體變的測(cè)量選項(xiàng)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(guī)的三軸壓力室不能用于體變測(cè)量。
在雙層壓力室或雙壓力室中，內(nèi)壓力室壁沒有壓力差，因此沒有徑向拉伸/蠕變產(chǎn)生的誤差。雙層壓力室由內(nèi)有機(jī)玻璃壁和外有機(jī)玻璃壁構(gòu)成。兩個(gè)GDS壓力/體積控制器用于控制圍壓/徑向應(yīng)力，第一個(gè)連接到內(nèi)壓力室，第二個(gè)連接到外壓力室。圍壓目標(biāo)值同時(shí)發(fā)送到內(nèi)部和外部控制器。試樣的體變是通過內(nèi)壓力室的體積變化來測(cè)量。
圖4 安裝于GDS Bishop & Wesley內(nèi)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(huì)產(chǎn)生一些偏差。
圖5 雙壓力室示意圖
方法 C 技術(shù)參數(shù)
2MPa/1000cc高級(jí)氣壓壓力/體積控制器
方法 C UNSAT 系統(tǒng)必備選項(xiàng)
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GDS 雙壓力室
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帶高進(jìn)氣值陶土板的非飽和土底座
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GDS 壓力/體積控制器
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GDSLAB 4D UNSAT 軟件模塊
升級(jí)為方法 C UNSAT 需要的選項(xiàng)
方法 D – 局部應(yīng)變測(cè)量
任何一套GDS系統(tǒng)都可以升級(jí)完成局部應(yīng)變測(cè)量，如霍爾效應(yīng)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(cè)量軸向和徑向變形。
霍爾效應(yīng)傳感器可以在1700kPa水壓力下使用。
LVDT 傳感器有2種型號(hào)：
圖6 霍爾效應(yīng)和LVDT傳感器
高進(jìn)氣值陶土板
在進(jìn)行非飽和土試驗(yàn)時(shí)，將孔隙氣和孔隙水分開以便維持一個(gè)壓力差（即基質(zhì)吸力）是很有必要的，可以通過一個(gè)高進(jìn)氣值陶土板（HAEPD）來完成。
當(dāng)高進(jìn)氣值陶土板（HAEPD）完全飽和時(shí)，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(huì)通過該陶土板，可以維持的最大壓力差就是“進(jìn)氣值”。在GDS系統(tǒng)中，高進(jìn)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(jí)為彎曲元測(cè)試
任何非飽和系統(tǒng)都可以通過增加以下項(xiàng)目升級(jí)完成P波和S波彎曲元試驗(yàn)：
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(yīng)力路徑提供控制和數(shù)據(jù)采集功能。這是一個(gè)四維應(yīng)力路徑模塊，可以同時(shí)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(yàn)：
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線性控制下的非飽和試驗(yàn)
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土水特征曲線
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飽和條件下的排水試驗(yàn)
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非飽和條件下的排水試驗(yàn)
圖9 正在進(jìn)行試驗(yàn)的4D非飽和土試驗(yàn)?zāi)K
05 方法 A B C D 對(duì)比
