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摘要：与传统三轴仪相比非饱和土三轴仪有着显著的优势，对非饱和土三轴仪的组成部分、工作原理和试验过程中的具体操作进行了详细介绍，并应用非饱和土三轴仪研究了高心墙堆石坝非饱和土填料的强度特征，得到了该土样的抗剪强度参数。
传统三轴仪暴露出很大弊端，而非饱和土标准应力路径试验系统与常规三轴仪相比，有其突出的特点。首先，它可以进行非饱和土的试验研究，不但能测定实验过程中的吸力而且可以进行控制吸力的抗剪强度试验和本构关系试验；其次，在自动化程度方面，它采用霍尔效应传感器对土体采取局部测量的方式，避免了由外部测量所造成的一系列误差，因而能准确自动地控制围压、反压和轴压，同时对所有试验数据采用全自动电脑采集并进行适当的处理；.后，在运行方面，它有很强的稳定性，能长时间不间断运行几个星期。特别是在测量土体小应变时所表现出来的优越性是很明显的。
1、仪器组成及工作原理
非饱和土应力路径三轴仪试验系统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（包括传感器、数据采集板和计算机）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。
2、试验用料的基本特征和试样制备方法
试样用料取决于心墙堆石坝的填料，小石子和干土按1：1配成混合样，混合样的级配。工程要求击实功为2740KJ/m³，干密度控制值2.12g/cm³。每一个试样配制含水率为9.5%的混合样415g，用直径50mm的击实仪制样，分5层来击实，按照击实功，每层击82次，击实后土样高91mm，密度为2.32g/cm³，干密度为2.12g/cm³。
3、试验前的准备工作
3.1制备无气水
为了提高试验的精度，要求使用蒸馏水。而实验室里制备好的蒸馏水，由于存放时间较长，水中溶解有空气。若直接用这样的水去饱和陶土板，会因为空气的存在而影响孔隙水压力和孔隙水体积变化的量测精度。故有必要对存放过的蒸馏水进行适当处理，以.大限度排除水中的溶解空气。试验中采用真空泵法来排除水中的溶解空气。
3.2传感器读数清零
试验结果是以数据形式反映出来的，如果传感器读数不准，采集的数据不能用，那么试验是失败的，所以在试验之前要验证一下。传感器主要是孔压传感器（位移传感器在开始时自动变为零），打开连接传感器的阀门，使里面的水与大气相通，此时传感器的读数应为零，如果不为零则调整为零，控制器也以同样的方法调零。
3.3饱和陶土板
非饱和土三轴试验中为了测出土样的基质吸力，需要用到高进气值陶土板。高进气值陶土板具有以下特性：当陶土板完全饱和时，由于陶土板具有许多均匀的微细孔，在陶土板表面就形成收缩膜。收缩犹如一薄膜将陶土板表面众多小孔连接起来，收缩膜产生表面张力，从而阻止空气通过陶土板。而陶土板中的水将土中的孔隙水同量测系统中的水连接起来，这样陶土板在非饱和土与孔隙水压力量测系统之间起着分界面左用。陶土板的顶面承受的是孔隙气压力，底面承受孔隙水压力，二者之差值即为土样的基质吸力。陶土板能够保持的.大基质吸力超过陶土板的进气值，孔隙气就会穿过陶土板进入孔隙水压力量测系统，这样就会导致孔隙水的量测产生错误。因此，试验中务必要..土样的基质吸力值不会超过陶土板的进气值。非饱和土三轴仪系统中所用陶土板进气值为1500KPa，可以满足试验要求。由陶土板特性可见，在试验之前将陶土板饱和是一项很重要很关键的工作，它关系到试验成败与否。
参考弗雷德隆德的方法，在不装样的情况下，将压力室的外罩装好并在压力室内充满水、用围压控制器向压力室内施加约600KPa的压力，然后将连接陶土板的细塑料管出口端阀门关闭（出口端有两个、阀门也是两个，一个出口端与反压控制器相连，另一个直接暴露在空气中）。压力室里的水因受压而通过陶土板，待陶土板的水压力（通过孔压传感器测得，在计算机上可以读出）与压力室内水压力相等后，陶土板的上下表面以及板中水所承受的全等于施加的室压力。在该压力下持续约1h，在此期间，板中的滞留空气溶解于水中，然后打开阀门，细塑料管中的水压力瞬时减小至零，陶土板中的水压力差作用下流入塑料管、先前溶解于水中的空气又被释放出来形成气泡聚集于塑料管中。保持阀门开启，直至气泡被完全排出后再次关闭阀门，重复上述步骤约6次后，可使陶土板达到饱和。
做完一个试件后做下一个试件，如果还用上述的陶土板饱和方法就显得有些繁琐，这里介绍一种简便的方法。做完实验后取下试件，迅速把陶土板的细塑料管出口端两个阀门，用吸满水的洗球从一个阀门冲水从另一个阀门出水，把陶土板下面的气泡冲出来。再用反压控制器施加30KPa的压力与陶土板底部（注意压力不能超过50KPa，否则会把陶土板冲出底座）。
4、试验方法与步骤
4.1装试样
将试样套上乳胶膜并在两端贴上滤纸，抹去陶土板上多余的水，将试样置于陶土板上（注意此处不需要放透水石）与陶土板紧密贴合，通过陶土板将试样中的孔隙水与孔隙水压力量测系统及反压控制器相连，从而测出孔隙水压力。试样另一端与试样帽相连（中间放透水石，但透水石与试样之间不加滤纸），进而与气压控制器相连，以量测或施加孔隙气压力。如果有小压力室，就直接把小压力室套在底座上用来测体变。没有小压力室时，试验中就使用测径向变形的中平面霍尔效应传感器，在这里有必要介绍一下它的安装方法。中平面霍尔效应传感器外形是个圆环，环绕于试样中部测量中部的局部径向变形。在环内部链接有2块薄金属片，每片金属片上部设有2个微小针孔，通过针孔将4根固定针插入试样内部，并在金属片与乳胶膜接触的部位涂有专用强力胶。这样，霍尔效应传感器被强力胶和固定针定位试样中部而不会滑移或脱落。
4.2量测试样在无压状态下的基质吸力
试样装好，将压力室内充满无气水，初步量测试样的基质吸力。以大气压为零点，基质吸力在数值大小上等于非饱和土的孔隙水压力（非饱和土的孔隙水压力为负值），所以测出非饱和土孔隙水压力就知道了基质吸力。
当土样含水率较高时，施加5～10KPa围压，使试样与陶土板紧密接触，等24h后（此过程中连接陶土板的细塑料管出口端阀门一直关闭）通过孔压传感器就能读出孔隙水压力。当土样的含水量较低时，负孔隙水压力会超过70KPa，这时孔隙水压力量测系统中水会发生汽化，影响孔隙水压力的量测精度。为防止这种现象发生，试验中采用了轴平移技术。轴平移技术就是认为提高孔隙气压力，与此同时孔隙水压力随之平移提高，而二者之间的差值（即为基质吸力）却保持不变。由于孔隙水压力被增加到正值，也就能够在没有气蚀的情况下对它进行量测。为了模拟试样的无压状态，必须同步施加孔隙气压力和围压力，但始终保持围压约高于5KPa，以防乳胶膜胀破。孔隙气压力的施加是通过气压控制器来实现的。由于气压控制器的容积限制，所能施加的气压力有限。因此，需要事先往气压控制器中抽入空气，以提高孔隙气压力的控制范围，保持空气压力24h不变，读出稳定的孔隙水压力，用空气压力减去孔隙水压力即得土样基质吸力
4.3计算机软件控制试验
测完试样的基质吸力，剩下的试验步骤由计算机控制来完成并自动记录数据。控制轴向应力、侧向应力、孔隙水压力、孔隙气压力等参数实现不同实验步骤。..步，控制基质吸力和侧向应力（围压），让试样在这个状态下固结排水，固结过程中轴向应力等于固结应力；第二步，待试样排水稳定后，对试样进行剪切，剪切过程中控制基质吸力和侧向应力不变增大轴向应力直到试样破坏。注：实验应力加载路径这试验过程中，虽然陶土板是过水不过气，但还是有少许气体漏过去，聚焦在陶土板下面，.好间隔8h就用洗耳球冲一下水，冲出气泡有利于排水。
