张 希 巍

(欧美大地，广东 广州 510030)

摘  要：非饱和土力学研究受仪器制造水平的影响,目前国内外研究的成果远不如饱和土研究成果丰富。本文介绍了目前国内外非饱和土试验系统的研制和应用现状，着重介绍GDS的非饱和土试验系统，包括非饱和土应力路径三轴系统和非饱和土直剪系统。该系统是目前商业化程度的非饱和土试验系统，在吸力控制、体变测量、自动化程度等方面都是在其它仪器厂商的之上。在有400多个客户，在我国有40多个不同系统的客户，其中非饱和土系统有接近25个。

关键词：GDS系统；非饱和土系统；吸力；体变

Advanced unsaturated soil test system introduction

ZHANG Xi-wei,

(EPC, Guangzhou 510030, China)

Abstract: The developed test apparatus for unsaturated soil was influenced by fabrication technology, the test result is not rich as the theory aspect at home and abroad. The research and application were introducted at current in this paper, especially the GDS the advanced unsaturated soil system, include unsaturated soil triaxial stress path system and direct shear system. It is the highest level of commercialized in the world, whilst the suction control, measuring for volume change, automatization are also representational and one-up other manufactures. There are more than forty clients use all kinds of GDS system, nearly twenty five unsaturated soil test system in China.

Key words: GDS system; unsaturated soil; suction; volume change

0  引    言

究竟什么是非饱和土试验？有人认为只要试样是非饱和的，在三轴仪上进行的试验就是非饱和土试验；也有人认为非饱和的试样在剪切的时候控制水气不排出试样，就是非饱和土试验。实际上在早期的时候，的确有一些非饱和土试验是这样做的，但现在这样回答似乎不正确。在60年代以前，非饱和土剪切试验的方法与饱和土类似。采用的是粗孔陶瓷透水板和相对较高的应变速率^[1]。非饱和土试验是要在固结和剪切的过程中保持土样的饱和度为常值，这样试验测得的参数为既定饱和度下的结果。早期的试验实际上是含水量不变，但饱和度时刻在变。非饱和土试验过程中饱和度应该保持不变而含水量是变化的，那么是否可以直接控制含水量而让饱和度保持不变呢？这样的方法从控制的角度是很难精确的控制的，另外受非饱和土渗透性的影响，排水体积的变化是不敏感的。幸好，研究发现非饱和土吸力和饱和度有对应关系，即土水特征曲线。非饱和土的试验方法和仪器在60年代初期得到了改进。为了将试样内的孔隙气压和孔隙水压量测和控制分别进行，在试样底部放置高进气值陶土板。可以通过控制土中吸力来控制饱和度来完成非饱和土试验。近年来国外有众多厂家相继开发出先进的非饱和土试验系统，本文详细介绍了国际上的非饱和土系统，并结合GDS系统予以详细论述。

1  国内外非饱和土试验系统介绍

1.1  国内非饱和土试验系统概况

国内在很早就已经关注非饱和土理论了，试验技术受制造等因素的影响一直滞后于理论研究。正如饱和土三轴仪的制造一样仍然是采用借鉴国外技术的基础上设计和制造。不过可喜的是近年来一些学者在非饱和土理论和试验研究方法取得了大量的成果，国内已经能够独立生产非饱和土三轴仪器了。早期俞培基、陈愈炯首先使用了高进气值陶土板改进的三轴仪^[2]，90年代后南京水科院改进了双压力室试验^[3]，随后西安理工大学谢定义和王永胜在尝试改进常规三轴仪上获得成功^[4]。进一步推动国内非饱和土三轴试验系统的是后勤工程学院陈正汉、香港理工大学殷建华和浙江大学詹良通。陈正汉与溧阳市永昌工程实验仪器厂合作开发出商业化国产三轴系统，殷建华和詹良通的研究成果和思想已经被国际土工试验系统制造厂商如GDS、VJtech和WF采用。可以说为推动非饱和土商业化测试系统做出了贡献。

国外非饱和土试验系统概况

英国、美国和日本较早开展这方面的研究。第一台非饱和土三轴仪是Bishop和Donald与1961年研制成功的^[5]，当时用于科研使用，而非商业系统。这台系统采用了高进气值的陶土板底座，实现了轴平移技术；气压采用水银汞柱施加；采用了内压力室；体变采用光学放大的人工读数方法。现在的各种非饱和土系统仍能看到陶土板底座和运用轴评议技术。近年来国外开发出至少5个品牌的商业化非饱和土测试系统，他们的设计思想基本都延续了第一代系统的经验，只不过在体变测量、内压力室结构、孔隙气压和孔隙水压控制方面各异。其中具有代表性的是英国GDS公司的非饱和土测试系统，他们可以提供非饱和土三轴系统和非饱和土直剪系统。系统详细划分可以分为2代6个系列产品，在中国目前有接近25个高校和科研单位客户。

2  GDS非饱和土测试系统的特点

2.1  GDS的非饱和土三轴测试系统

GDS UNSATUREATED SOIL试验系统是对传统三轴试验系统的延伸。该系统提到的特征和方法都可以应用在GDS三轴试验系统或其它厂家生产的三轴试验系统上。如果要从常规的GDS三轴试验系统升级到非饱和土试验系统，则需要增加一些硬件和软件。有些硬件是选项。这些选项可以根据用户的需要加入（例如中平面吸力探头，大气压力传感器和局部应变测量传感器）。GDS开发出的第二代系统GDS-HKUST系统是在借鉴詹良通博士在香港科技大学的研究成果基础上完成的，该系统采用精密的体变传感器测量体变，上部开口的内压力室结构是体变测量更好。GDS非饱和土试验系统（也叫UNSAT）提供一系列非饱和土试验方法供最终用户自由选择。GDS 可以提供的四种方法：方法 A: 通过GDS孔隙气压/体积控制器直接测量；方法 B: HKUST 内压力室；方法 C: 双层压力室；方法 D: 直接在试样上安装应变传感器助计算机可以很方便地求解，而且编程比较方便。其中在中国采用第一代方法A的测试系统比较多，采用方法B的第二代非饱和土测试系统的客户这两年内增加到了6个。下表详细说明了各个方法的有缺点。

表1测量试样体变的各种方法：优点和缺点或特定条件比较

Table 1 Mechanical parameters of backfill with different tailing-cement ratios

需要注意的是以上的非饱和土试验实验室温度控制非常必要(A, B, 和 C)，同时为了为了减少体变测量的误差，当施加压力时，检查阀门和接头是否渗漏 (A, B, 和C)。当设置试验前和试验完成一个阶段后需要进行标定（例如围压体变特性）。方法 A, C 和 D 可以在同一个试验中同时采用。方法B 是一个直接测量的方式，不能和其它任何一种方法同时采用。第二代GDS的非饱和土三轴试验系统有关体变测量部分详细内容可以参见文献^[6]。

2.2 GDS的非饱和土直剪测试系统

由于非饱和土三轴系统的试验周期较长，为了在尽可能短的时间内获得非饱和土力学试验参数，GDS公司特意开发了商用的GDS非饱和土直剪试验系统GDS-UBPS。GDS非饱和土直剪系统的关键部件是反压剪切盒，它用来用于通过控制土样内的孔隙水压力及孔隙气压力而得到的不同饱和度土样的剪切试验。GDS-UBPS基于标准的直剪试验装置，对标准直剪装置进行了修改以便于测量基质吸力（基质吸力＝孔隙气压力－孔隙水压力）。整套系统可采用GDSLAB控制与数据采集软件运行。该装置可以在计算机控制下进行标准的直剪试验和非饱和土直剪试验。主要控制的参数有：剪切力和位移、应力控制、总应力控制、孔隙气和水压力、轴向力和位移。因此，UPBS为当今世界中的许多岩土工程问题，如半饱和情况下的边坡稳定性问题，提供了理想的试验系统。

图3 GDS非饱和反压剪切盒结构图

Fig. 3 Schematic of the GDS Unsaturated Back Pressured Shearbox


3  GDS系统的控制技术

3.1  吸力控制与测试技术

   GDS高级非饱和土系统采用轴平移技术，吸力的控制是分别独立控制孔隙气压和孔隙水压力。第一代GDS非饱和土系统采用高级型GDS气压控制器，容积1000cc/压力2MPa，该方法的缺点是气压控制器容积有限，受温度影响比较明显。GDS第二代非饱和土系统采用了无限体积的气压控制器技术。这样需要外连接压力源（空压机或者高压气瓶）。压力控制的精度比较高可以做到1kPa，而且做到闭环反馈控制，这也是全自动系统必需的。目前采用第二代非饱和土试验系统的中国客户有6个。GDS中平面孔压探头可以直接在试样中间高度测量试样孔隙水压力。


    GDS中平面吸力探头是在传感器的顶部安装了一个高进气值的陶土板，从而可以在非饱和土试验中测量吸力。引起非饱和土应力状态改变的原因之一是基质吸力。GDS吸力探头直接测量孔隙水压力从而测量基质吸力。这种直接测量方法在非饱和土试验中是很有用的，因为可以更快地测量到孔隙水压力值。当传感器顶部完全饱和后，吸力探头反馈的时间通常小于3秒，即使孔压变化很大也没有关系。采用吸力探头测量吸力的原理是土中孔隙水压等于多孔一端后面的传感器水舱中的孔隙水压。在这两种水压到达平衡之前，水从水舱流到土中，反之亦然。在非饱和土中，负孔隙水压导致水从水舱流到土中。相反的，在饱和土中，正孔隙水压导致水从土中流到水舱中。GDS非饱和土测试系统可以做到吸力控制，在试验中根据需要选配中平面吸力传感器。

3.2  体变测量技术和体变传感器的标定

    GDS采用差压传感器测量体变技术应用在它的第二代非饱和土系统上，第一代非饱和土测试系统采用表1的方法A。新的体变测量技术实际上是采用香港科技大学吴宏伟和詹良通等人的研究成果，香港科大购买了GDS 三轴系统，他们在此基础上采用体变传感器进行体变测量，优点是可以做到采集自动化，高精度等。GDS公司在此基础上进一步完善，开发出商用的体变测量技术。该传感器的差压测量范围是从-1kPa 到+1kPa (即-100mm 至+100mm 的水头变化)。其精度等于测量范围的0.1%(即可测读到0.1mm 的水位变化)。这样，该体变系统的精度可达31.4mm3(即等于过水截面积与差压传感器测量精度的乘积，314mm²×0.1mm)，对于一个直径38mm 高度76mm 的土样，此精度相当于0.04%体积应变，这个精度是相当高的。当然，该体变系统精度还受其他测量误差的影响，但是这些误差可通过标定消除，标定方法可参考文献^[6]。采用该方法客户必须仔细标定，而且必须在客户的实验室安装完所有管路以后，要求压力室中采用高质量的除气水，确保清除所有接头和管路中的气泡。为了准确测量体变，必须做到在实验条件下进行标定（比如围压大小、试样体积压缩和膨胀）。我们客户反馈的不同条件下的标定系数如下图，最大系数和最小系数有3.7％的误差。正如我们土工的一些传感器在室温常压下的标定数据，在试验的任何环节中应用一样，没有考虑是否系数保持不变。这个标定系数的变异是我们的一个新发现，这个对提高体变测试精度是有好处的。

3.3  内置水下荷重传感器

    外置传感器进出压力室的杆与压力室采用零间隙的高精密配合，此处的摩擦力如果采用任何类型的外置测力传感器都将被测到，而且被计到试样的轴向力当中。无疑给试验带来误差，即使采用标定滤去此值，也不可取，因为该摩擦力在不一定是一个常值。另外外置传感器传力杆作用在试样帽上的接触面，该面以下试样不受围压作用，必须用轴向力补偿才可以。考虑以上因素影响，GDS公司采用内置水下荷重传感器成果解决了以上的问题。其他系统多是应用测力环或者外置弓型传感器。这样所有的试验都有一定轴力测量误差。那么，GDS内置水下荷重传感器是如何工作的呢？GDS设计了抗信号干扰补偿结构，传感器内部充满油使其降低温度的影响。接触面轴力补偿，没有采用主动加载方式，而是将传感器的环形头两侧面开两个贯通的孔道，在中间位置布置一个与接触面同等面积的环形腔。这样轴力补偿得以实现。如下图所示。

图5 GDS Loadcell 内部结构及其与外置传感器对比

Fig. 5 The comparison between outlay transducer and GDS Loadcell and its inner structure

4   结论

   本文介绍了目前世界上有代表性的GDS非饱和土试验系统，包括非饱和土三轴试验系统和非饱和土直剪系统，该系统自动化程度高、测试精度高。主要特点和优势有：

(1) 第二代非饱和土测量系统解决了第一代非饱和土系统孔隙气压控制器容积受限的不足；

(2) 体变测量由于采用差压传感器和独立的内置结构，是的精度可达试样总体积的0.04%（试样直径38mm，高度76mm）；

(3) 内置的水下传感器和中平面吸力探头的应用，对非饱和土试验做出了贡献。

参考文献：

[1] D.G. Fredlund. Soil Mechanics for Unsaturated Soils [M]1993

[2] 俞培基,陈愈炯.非饱和土的水－气形态及其力学性质的关系[J]. 水利学报,1965,(1): 1-15

[3] 杨代泉. 非饱和土广义固结理论及其数值模拟与试验研究[D]. 南京水利水电科学研究院 博士学位论文,1990,9

[4] 陈正汉,谢定义,王永胜. 非饱和土的水气运动规律及其工程性质研究[J]. 岩土工程学报,1993,15(3),9-20

[5] A W Bishop and I B Donald. The experimental study and of partly saturated soil in triaxial apparatus[C]. Proc. 5^th Int. Conf on SMFE,Vol.3,1157

[6] Ng, C.W.W., Zhan, L T. & Cui, Y. J. A new simple system for measuring volume changes in unsaturated soils. Can. Geotech. J.,

39, No. 2, 757-764, 2002.