GDS 非饱和土模块GDS 非饱和土三轴试验系统操作手册孔孔©GDS Instruments Ltd,2003关于本手册UNSAT用户手册描述了作为目前GDS三轴系统扩充的GDS非饱和土试验系统。

关于安装和运行UNSAT系统软件请参考GDSLAB软件手册。

该手册也可以和相应的GDSTTS，GDSTAS等系统的手册结合使用。

关于本手册 (1)1 简介 (3)2 GDSLAB 非饱和土软件模块 (3)3 如何完成非饱和土试验? (3)3.1 方法1 – GDS 1000cc 气压/体积控制器 (4)3.2 方法2 – HKUST 内压力室 / 差压测量 (6)3.3 测量大气压的要求 (8)3.4 用于非饱和土试验的GDS UNSAT底座 (8)3.5 高进气值陶土板的特性. (9)4 准备高进气值陶土板（饱和） (11)5 准备用于非饱和土试验的试样 (12)5.1 设置饱和度 (12)5.2 土水特征曲线 (12)5.3 在饱和或不饱和条件下的排水试验 (13)1 简介GDS非饱和土系统是传统三轴试验的扩展，主要用来研究地下水位以上的土地特性，可以模拟现场的应力状态和饱和状态。

应力路径的使用使得大多数标准试验可以模拟实际状态下饱和和非饱和试样的轴向和径向应力和孔隙水压、孔隙气压试验。

4D线性应力路径试验可以模拟现场的状态，轴向和径向应力，孔隙气压和水压可以同时变化。

在应力路径的每一个分支，计算每一个压力控制器的不连续的中间目标值。

对于这个试验，要进行下一个不连续的目标值，所有四个压力控制器必须汇聚到他们的当前目标值。

试验的影响是只能运行最慢的压力控制器的最大速度（通常是孔隙气压控制器，因为气体比除气水的压缩性更高）。

2 GDSLAB非饱和软件模块GDSLAB非饱和土试验模块的主要部分是4维应力路径。

4D应力路径可以同时控制孔隙气压、孔隙水压、径向和轴向控制器。

规则与饱和土试验中的应力版本（2D）一样，只是增加了控制孔隙气压和孔隙水压的功能。

同时控制孔隙气压、孔隙水压、轴向和径向参数可以完成大多数线性变化的非饱和土试验。

手册的最后介绍了这样的试验。

绘制的新参数包括基质吸力(Ua-Uw)，饱和度和孔隙比。

3 如何完成非饱和土试验?非饱和土三轴试验应用反压和气压来测试试样，这样可以进行控制除完全饱和条件下非饱和土的试验。

该系统可以使用数据采集界面来测量轴力、轴向位移、局部轴向和径向应变、孔隙压力、差压和大气压力。

非饱和土三轴试验的主要难度在于精确测量试样的体积变化。

目前GDS使用两种方法测量体积变化。

第一种通过使用GDS压力/体积控制器。

使用一个水压/体积控制器测量水的体积变化，一个气压/体积控制器测量气体体积变化。

这两个值加起来可以计算试样中的总的体积变化。

第二种，是HKUST（香港科技大学）型，通过测量位于主三轴压力室中内压力室的体积，使用差压传感器测量水头的变化。

3.1方法1–GDS1000cc气压/体积控制器一个先进的充满除气水的水压/体积控制器，用来控制孔隙水压（反压）以及测量孔隙水体积变化。

一个充满空气的气压/体积控制器，用来控制孔隙中空气体积变化。

将孔隙中空气和水的体积变化相加可以估算试样总体积的变化。

高级2MPa/1000cc空气压力/体积控制器与高级2MPa/1000cc充满除气水的压力/体积控制器在结构上类似。

该控制器的控制软件是经过特别设计的用于极低刚度的空气。

当使用空气压力控制器时，必须注意以下几点：控制器可以从零压力开始运转，控制器提供足够的体积变化。

这里1000cc是必需的。

该控制器可以通过一个压缩的空气源提供预压。

这能够在自身压缩时“节省”体积。

控制器被特别设计成控制气压。

这是因为内置于控制器程序中的目标压力搜寻规则对于空气（极软）与水（比空气硬的多）来说是不同的。

气压量程为2MPa，分辨率为1 kPa。

体积量程为1000 cc，分辨率为1 cu.mm （即0.001cc）。

当进行非饱和土试验时，传感器的连接和空气/水压连接比完全饱和的试样试验要复杂。

为了满足这个要求，对非饱和土试验的GDS压力室有一个改进，提供额外连接的12通道接口。

这个环通常叫做通道环。

GDS1000cc空气压力/体积控制器非饱和土试验的直接体积测量方法是使用带有空气压力/体积控制器和改进的带有高进气值陶土板底座的标准饱和试验系统。

气压连接到试样顶部。

气压和水压保持在一个压力差，从而在非饱和土中产生一个“吸力”值。

通过测量空气体积变化和水的体积变化之和就可以计算出试样体积总变化。

轴向力当进行非饱和土试验时，知道试样的总体变是非常必要的。

可以通过以下技术得到：通过控制器体变得到直接在试样内部控制/测量气压和水压及体变。

这需要使用一个GDS压力/体积控制器控制试样中的空气压力和体变。

第二个控制器用来控制孔隙水压和体变。

从这两个控制器得到的体积变化总和就是试样体积变化值。

为了完成该计算，必须已知以下参数：试样干重干比重试样饱和度控制器中空气的体积控制器中空气的体积可以通过向控制器充满除气水的方式计算出来。

将控制器的体变设为零，然后排空控制器。

倒转控制器，使接头处于该设备的最低点。

取下塑料管，在接头的下面放一个已知质量的大口杯，充满（空气）和排空控制器，直到再没有水出来为止。

称大口杯的重量，从水的重量计算体积。

该体积为控制器的净体积。

出入排空命令使控制器活塞向前运动到极限。

将体积设为零。

出入填充命令，使控制器活塞向后运动到极限，显示的体变值应加入到净体积中。

得到控制器的总体积。

试验应该都是从后极限开始。

必须回答以上所有问题才可以计算出整个系统中气体的体积。

这是运用Boyle气体方程(pV=krT)必须获得的常数。

通过小应变测量值得到通过我们的霍尔效应局部应变传感器在试样上直接测量局部直径和轴向变形。

从测量到的局部应变值，你可以估算到试样体积的变化。

这是一个估算值，因为试样准确的几何尺寸无法得到。

通过压力室体变得到通过测量压力室体积变化得到试样总体变。

这种方法并不理想，因为压力室的刚度不是无限的，因此试样加载的变化和围压的变化都会使压力室产生变化。

另外，还要求系统的温度非常稳定。

很小的温度变化都会使压力室中水的体积产生较大的变化。

3.2 方法2–HKUST内压力室/差压测量第二种方法测量体变的方法是通过使用三轴压力室中的内压力室，使用一个灵敏的差压传感器测量体积。

双通道气压控制器用来控制内压力室和外压力室的围压以及控制试样中的孔隙气压。

装有试样的内室通过差压传感器和参照管相连。

由于试样变形会引起内室中水的变化从而导致水位的上升和下降。

通过比较内室中的压力和参照管中的压力，有正确的标定系数就可以决定压力差变化引起的内室体积变化。

使用一个双通道气压控制器替代了一个水压和气压/体积控制器来控制围压和孔隙气压。

使用外置的压力源例如空压机，双通道气压控制器控制压力最大可以达到1000kPa。

孔隙气压和试样顶部连接。

围压也用气压来施加。

围压和三轴压力室顶部相连，压力室充满一半水。

一定要确保没有水从围压管路流到双通道气压控制器中，否则会导致损坏。

在三轴压力室中，试样位于第二个压力室中。

这样测量内室体积的变化就可以得到压力室体积的变化，最大限度地减少了温度和压力变化引起的误差。

下面是系统的示意图：双通道气压控制器加在试样顶部(Ua)关于该方法的详细介绍和描述，请参考下面的文章：Ng, C.W.W., Zhan, L.T. & Cui, Y.J. (2002). A new simple system for measuring volume changes in unsaturated soils. Canadian Geotechnical Journal. Vol. 39, No. 3, 757-764.3.3测量大气压的压力空气压力控制器中的压力传感器测量与空气有关的压力。

对于系统压力测量来说，这是正确的，因为是使用同一个参考值。

然而，空气体积变化与气体绝对大气压力值有关。

如果我们假设大气压力可以从900毫巴变化到1100毫巴（这是一个很大的范围）这代表围绕大气压力变化±10Kpa。

假设200cc体积的气体在15Kpa下（约115Kpa绝对大气压），气体规律可以表示为PV=KRT=常数，即PV=115*200=23000。

如果大气压力变化10Kpa，控制器将调节压力至相对大气压15Kpa。

但这时将是125（100+10+15）绝对大气压。

此时，PV=23000=125*V，其中V=184cc。

因此，由于大气压力变化，在控制压力中没有明显变化，但体积测量变化为16cc。

从该计算中可以看到将大气压力考虑进去的必要性。

将200Kpa绝对压力传感器连接到DTI，大气压力测量可以校正储存的结果。

3.4用于非饱和土试验的GDS UNSAT底座当进行非饱和土试验时，将孔隙中的空气和孔隙中的水分隔开是很必要的，因为只有这样才能水压和气压之间维持一个压力差。

这个分离可以通过一个高进气值陶土板（HAEPD）来实现。

当HAEPD被充分饱和后，将维持一个等于进气值的最大气/水压力差（气压大于水压）。

HAEPD的性能描述如下：在GDS系统中，HAEPD是固定在底座上的。

孔隙水从压力室的外部连接到HAEPD的底部。

注意：保持HAEPD底部的压力与顶部的压力之差不要超过50Kpa是很重要的。

“高进气值”陶土板有一个特别的功能（如果保持饱和）：在陶土板的一边水压为xkPa，而另外一边气压为（x+y）kPa，空气不能穿过该物质。

Y值就是“进气值”。

通常（在非饱和土试验中）HAEPD顶部的压力（孔隙中空气的压力）要高于底部的压力。

陶土板可以很好的维持这种状态并保持一个进气值的压力差。

3.5HAEPD 的特性3.5.1孔隙尺寸陶土板的孔隙尺寸是关键性的，因为它直接关系到陶土板的进气值和渗透系数（将在下节详细解释）。

陶土板孔隙率的变化与孔隙的尺寸和分布有关。

附图显示了不同陶土板的孔隙尺寸。

3.5.2进气值进气值，也叫气泡压力，对陶土板来说，就是阻止空气穿过陶土板的压力。

陶土板的进气值定义为：P=30x⌠/D.相反，陶土板的孔隙尺寸可以由以下方程决定：D=30x?/P,式中D=孔隙直径，以微米为单位P=进气值或者气泡压力以汞柱高（mm）表示⌠=水的表面张力，单位为达因/cm.水的表面张力在20?C时为72dynes/cm。

例如，有1巴（也可表示为14.5psi或 100kPa或 750mm汞柱高）气泡压力的陶土板孔隙尺寸可以这样计算：D=30x72/750D= 2.9微米从上面的方程可以看到，陶土板孔隙尺寸越小，陶土板的进气值就越高。

相反，陶土板的大孔隙将导致低进气值。

陶土板的孔隙不是完美的球形。