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近期
，GDS非鼓和土三轴试验系统UNSAT在中国地质大学投入使用。该系统是英国GDS公司出产的一款高端非鼓和土试验仪器
，是对传统三轴试验的升级和扩充
，重要用来钻研地下水位以上的土的个性
，能够仿照现场的应力状态和鼓和情况。

中国地质大学 GDS非鼓和土三轴仪

非鼓和土与非鼓和土试验

非鼓和土是一种土体孔隙中存在空气和水的三相泥土。与鼓和土分歧
，非鼓和土的孔霞有被液体齐全占据
，因而其含水鼓和度幼于100%。非鼓和土在天然界中宽泛存在
，尤其在干旱和半干旱地域。由于泥土中的气体相存在
，非鼓和土拥有特殊的工程性质
，如基质吸力
；饰Φ拇嬖谑沟梅枪暮屯猎谑芰κ辈⒊鲇牍暮屯练制绲男形。因而
，非鼓和土的工程性质是当前钻研的热点之一
，对其深刻相识有助于更好地进行工程设计和施工。

非鼓和土三轴试验是钻研非鼓和土力学个性的沉要伎俩。试验通过节造轴向压力和周围压力
，仿照现实工程中的应力状态
，以测试非鼓和土的变形和强度个性。该试验不仅有助于深刻相识非鼓和土的力学行为
，并且为工程设计和建设提供了沉要的参考凭据。

干裂的河床（非鼓和土）

非鼓和土三轴试验仪器

用来实现非鼓和土试验的其中一种仪器即非鼓和土三轴仪
，作用是用于实现砂土、粉土、粘性土等动强度、液化、模量、阻尼等动力个性试验的仪器。它通过对泥土样品施加轴向压力和周围压力
，仿照非鼓和土在现实工程中的应力状态
，以测试其变形和强度个性。非鼓和土三轴仪器在工程领域中拥有沉要的意思
，可以为泥土工程、农业出产和环境
；さ确矫嫣峁┛蒲У钠揪
，推进社会的可持续发展。

非鼓和土三轴仪器的道理

非鼓和土三轴仪器的道理基于维持泥土样品的轴向蹬爪力状态
，通过引入分歧水分前提下的水分压力
，仿照泥土在分歧湿度下的力学行为。通过施加垂直压力和水平应变
，能够相识泥土的变形、强度和渗入性等力学性质。非鼓和土三轴仪器通常由液压节造器别离节造轴向压力、围压和反压
；气压节造器节造孔隙气压、压力室和数据采集系统组成＝谠炱魇莶杉搴脱沽κ蚁嗔
，通过水和气来传递压力。轴向压力节造器连到压力室底座
，通过底座的起落对试样进行剪切
；围压节造器连到压力室中
，用以量测、节造三轴压力室中的水压力
；反压节造器连到压力室底座的陶土板
，用来量测、节造试样中的孔隙水压力
，以及试样中的孔隙水体积变动
；气压节造器与试样帽相连
，再由试样帽上预留孔路将气压节造器中的空气与试样孔隙气体连为一体
，用以量测、节造土样中的孔隙气压力和整个系统中空气体积变动。当试样两端节造的孔气（水）压与土样内部孔气（水）压平衡时
，试样中吸力就蹬宗所节造的吸力。

下图GDS非鼓和土三轴仪示意图体现了非鼓和土三轴仪的根基组成--试样容器
；加压系统
；轴向加载装置
；孔隙气压节造系统
；反压系统
；数据采集和处置系统
；丈量系统等。

GDS“UNSAT”型非鼓和土三轴仪

GDS非鼓和土三轴仪UNSAT

GDS非鼓和土三轴试验系统UNSAT是对传统三轴试验的延长
，能够在靠近现实地应力状态和鼓和度前提下对地下水位以上的土体进行测试。所有GDS三轴测试系统（以及其他造作商的三轴设备）都能够进行刷新
，以进行非鼓和土三轴测试。GDS能够提供4种步骤来进行非鼓土测试。

非鼓和测试也能够使用到"剪切"、"空心扭剪"、"共振柱"和"真三轴"试验。

01 系统重要特点及优势

选择分歧测试步骤：为了满足您的测试要求和预算
，拜见下面的步骤A
，B
，C
，D
香港科技大学：步骤B是与HKUST(香港科技大学)合作开发的
，他们长短鼓和土测试方面的专家
混合搭配：这些步骤能够混合搭配使用
，以创建自界说系统
GDS的经验：GDS有多种分歧的非鼓和土测试步骤
，能够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规划。

02 非鼓和土体变丈量步骤

? 步骤A：通过GDS孔隙气压/体积节造器直接丈量孔隙气体积和孔隙水的体积变动。

? 步骤B：HKUST内压力室 — 用差压传感器丈量内压力室中水的水位变动进而得到试样的总体积变动。

? 步骤C：双压力室 — 试样的体变通过GDS压力体积节造器丈量流进或流出内压力室的水体积来实现。由于表压力室加压
，内压力室壁可视为是无限刚度的。

? 步骤D：利用装置于试样上的部门应变传感器直接丈量而得到试样的总体变。

03 UNSAT系统技术参数

步骤 A
丈量分辨率：压力 = 0.2kPa, 体积 = 1mm³
丈量精度：压力 = <0.1% FRO
，体积 = 0.25%
步骤 B
体积变动丈量分辨率：<10mm3
体积变动丈量精度：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%
步骤 C
压力室体积丈量分辨率：1mm³
压力室体积丈量精度：0.25%
步骤 D
位移丈量精度：<0.1μm   霍尔效应传感器 = 0.8% FRO, LVDT = 0.1% FRO

04 4 种体变丈量步骤详述

步骤 A – 通过GDS孔隙气压/体积节造器直接丈量体积变动

若何使用?

为了直接丈量体积变动
，选取2MPa/1000cc高级气压压力体积节造器内充入空气
，用于节造孔隙气压和以及丈量孔隙气体积变动。选取2MPa/200cc高级水压压力体积节造器内充入除气水
，用来节造孔隙水压力（反压）以及丈量孔隙水体积变动。通过高级压力体积节造丈量得到的孔隙气体积和孔隙水体积变动推算得到试样的总体积变动。

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。顶帽选取尺度的透水石
，由于孔隙气压大于孔隙水压
，所以水不会进入到气压管路。由于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？紫镀购涂紫端刮忠桓鲅沽Σ畲佣诜枪暮屯林胁桓觥盎饰Α。

图 1  选取GDS 步骤A进行试验时的衔接示意图

2MPa/1000cc高级气体压力/体积节造器

GDS 2MPa/1000cc高级气体压力/体积节造器
，与通常充除气水的压力体积节造器在结构上类似。该节造器的内置节造软件是经过出格设计
，以合用刚度较低的空气(见Adams
，Wulfsohn and Fredlund, 1996)。

图2  2MPa/1000cc气体压力/体积节造器

使用该节造器时必要把稳如下几点：

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

• 该节造器专门设计用于节造气压。这是由于内置于节造器法式中的指标压力搜索算法对于空气（极软）与水（比空气刚度大好多）来说是分歧的。

• 节造器能从零压力起头运行
  ，节造器能提供足够的体积变动
  ，这里1000cc是必须的。同时
  ，该节造器能够通过空压机预压
  ，这可能在自身压缩时“节俭”体积。

步骤 A 技术参数

高级 2MPa/1000cc气压/体积节造器

• 压力量程：2MPa

• 体积量程 (名义上的)：1000cc

• 丈量和节造分辨率：压力 = <0.1% 满量程
  ，体积 = 0.5 mm3

• 丈量精度：压力 = <0.1% 满量程
  ，体积 = 0.25%

步骤A UNSAT 系统必备选项

• 带高进气值陶土板的非鼓和土底座

• GDS 2MPa/1000cc 高级气压压力/体积节造器

• 4D 非鼓和土软件？

从步骤A升级为步骤D的升级选项

• 部门应变传感器 (霍尔效应或 LVDT传感器)

• 大气压力传感器

• 三轴压力室通路环

步骤 B – HKUST 内压力室体变丈量

HKUST（香港科技大学）体变丈量步骤通过丈量主三轴压力室中的内压力室里试样的体变来实现。体变丈量通过一个高精度差压传感器（DPT）来实现
，这使得体变丈量仅仅在内压力室里面
，从而使温度和压力变动引起的误差最幼化。

通过一个GDS双通路气压节造器
，软件节造的气动调节阀节造a）内表围压 b）试样中的孔隙气压。

三轴试样装置在内压力室中（见图3）
，该内压力室通过DPT与参照管相衔接。由于试样变形
，将引起内压力室内水位的上升或降落
，通过丈量内压力室和参照管的压力差
，结合有关的标定系数
，就能够得到试样的体变。

图3 HKUST内压力室和DPT衔接示意图

步骤 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 

• 体变丈量理论分辨率（16位分辨率）： <10mm3.

• 体变丈量精度： 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鼓和土底座

• HKUST顶帽

• 高精度、低量程差压传感器

• 4D 非鼓和土软件？

• 双通路气压节造器 (必要尝试室气压源或空压机)

• 压力室通路环

步骤 C – 双压力室体变丈量

步骤C体变的丈量选项蕴含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
，通例的三轴压力室不能用于体变丈量。

在双层压力室或双压力室中
，内压力室壁没有压力差
，因而没有径向拉伸/蠕变产生的误差。双层压力室由内有机玻璃壁和表有机玻璃壁组成。两个GDS压力/体积节造器用于节造围压/径向应力
，第一个衔接到内压力室
，第二个衔接到表压力室。围压指标值同时发送到内部和表部节造器。试样的体变是通过内压力室的体积变动来丈量。

图4 装置于GDS Bishop & Wesley内的双压力室示意图

以往曾尝试选取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。不锈钢压力室很沉并且不通明
，也会产生一些误差。

图5 双压力室示意图

步骤 C 技术参数

2MPa/1000cc高级气压压力/体积节造器

• 丈量和节造分辨率：压力 = <0.1% 满量程
  ，体积 = 0.5mm3

• 丈量精度：压力 = <0.1% 满量程
  ，体积 = 0.25%

步骤 C UNSAT 系统必备选项

• GDS 双压力室

• 带高进气值陶土板的非鼓和土底座

• GDS 压力/体积节造器

•  GDSLAB 4D UNSAT 软件？

升级为步骤 C UNSAT 必要的选项

• 部门应变传感器 (霍尔效应或LVDT传感器)

• 大气压力传感器

• 三轴压力室通路环

步骤 D – 部门应变丈量

任何一套GDS系统都能够升级实现部门应变丈量
，如霍尔效应或LVDT传感器。两种装置都能够通过轻型铝造固定器固定在试样表表直接丈量轴向和径向变形。

霍尔效应传感器能够在1700kPa水压力下使用。

LVDT 传感器有2种型号：

• 低压型 (最大可接受压力3500kPa)
  ，适合在水中使用。

• 高压型 (最大可接受 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

在进行非鼓和土试验时
，将孔隙气和孔隙水分隔以便维持一个压力差（即基质吸力）是很有必要的
，能够通过一个高进气值陶土板（HAEPD）来实现。

当高进气值陶土板（HAEPD）齐全鼓和时
，能够维持陶土板一壁的气压大于另表一壁的水压
，气体不会通过该陶土板
，能够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 用于步骤A和C的非鼓和底座（左）和用于步骤B的HKUST底座

升级为弯曲元测试

任何非鼓和系统都能够通过增长以下项目升级实现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
  ，蕴含发射和接管信号（P波和S波）的放大器和用户节造增益值（通过软件）。

图8 GDS弯曲元 

GDSLAB 4D UNSAT 软件？

GDSLAB UNSAT 软件？ (见图9) 可以为多种应力蹊径提供节造和数据采集职能。这是一个四维应力蹊径？
，能够同季节造孔隙气压、孔隙水压、围压和轴压。

节造孔隙气压和孔隙水压的能力能够实现以下试验：

• 线性节造下的非鼓和试验

• 土水特点曲线

• 鼓和前提下的排水试验

• 非鼓和前提下的排水试验

图9 在进行试验的4D非鼓和土试验？

05 步骤 A B C D 对比