在非饱和土内任一平面上有3个法向应力变量，即总应力σ，气压ua和水压uw。3个变量中任意两个的组合可用来表示非饱和土的应力状态。Fredlund等（1978）推荐使用净应力σn（σn＝σ-ua）和吸力s（s＝ua-uw）的组合表达非饱和土的强度与变形。考虑到大多数实际问题中孔隙气压等于大气压力，故总应力变化和孔隙水压变化的影响可以分开考虑。
根据上述应力状态变量，可将常见的非饱和土三轴试验大体分为三类，分别为排气排水三轴试验、排气不排水三轴试验及不排气不排水三轴试验。对于第二类排气不排水试验即常含水率试验，试验中控制总应力和气压，量测试样的孔隙水压。第三类为不排气不排水试验，试验中控制总应力，量测孔隙气压和孔隙水压。
图4.43 几种典型的应力/吸力路径
对于第一类非饱和土的排气排水三轴试验，其应力路径主要有控制吸力、变净应力和控制净应力、变吸力两种，对应图4.43的应力/吸力路径分别进行说明。图中pnet是平均净应力，s为吸力，纵坐标q为偏应力。控制吸力、变净应力路径即恒定吸力下的加卸载试验，如图4.43所示的路径BD、EF、GH和HIN。控制净应力（各向等压和各向非等压）、变吸力路径，即恒定荷载下的吸力减小的湿化试验，如图中的路径FC和IK，以及吸力增大的干化试验，如图4.43中的路径BEG。
下面简要介绍几种典型三轴试验的方法及结果。
4.2.4.1 等吸力的三轴剪切试验
张俊然等（2015），Zhang等（2016）对初始状态大致相同的南阳膨胀土进行了一系列等净围压和等吸力状态下的非饱和土三轴剪切试验，剪切过程中采用轴向等应变速率控制模式。当试样的控制吸力不大于陶土板进气值时，采用轴平移技术进行吸力控制。当试样的控制吸力大于陶土板进气值时，将在压力板仪上达到吸力平衡的试样移至陶土板上，试样底面与陶土板用一层橡皮膜隔开，以防止试样吸水，在吸力平衡和三轴剪切过程中保持试样含水率不变。许多试验结果表明高吸力阶段，含水率不变条件下土样的密度变化对吸力影响很小，因此常含水率试验可认为等吸力试验。
1.试验应力路径
三轴试验的应力路径如图4.44所示，试样初始状态为图中的点A。共进行了4个不同吸力的非饱和土三轴试验，各试样的初始状态大致相同，其三轴剪切过程中的净围压均相同（100kPa），因此试验结果可比较不同吸力对非饱和膨胀土力学性质的影响。图4.44中，q＝σ1n-σ3n为偏应力，s＝ua-uw为基质吸力，σ3n为净围压，各次试验对应的具体应力路径详见表4.2。
图4.44 应力/吸力路径
表4.2 Test 1～4的应力/吸力路径
2.试验过程
如图4.44所示，Test 1、Test 2和Test 3的试样，从初始状态的A点开始，首先施加20kPa的总围压（A→B）。预固结后，施加σ3n＝100kPa和s＝200kPa进行固结稳定和吸力平衡（B→C）。点C吸力平衡和变形稳定后，Test 2直接进行三轴剪切试验，剪切时保持s＝200kPa和σ3n＝100kPa恒定（C→G）。Test 1和Test 3保持σ3n＝100kPa恒定，分别将吸力降到s＝0kPa和增加到s＝400kPa进行吸力平衡（C→D和C→E）；当吸力平衡和固结稳定后，在保持σ3n＝100kPa恒定条件下Test 1和Test 3开始进行剪切，剪切时分别保持s＝0kPa和s＝400kPa（D→H和E→F）。
关于Test 4试样从初始状态点A开始，在净应力为零的状态，用压力板仪将吸力增加到s＝800kPa进行吸力平衡（轴平移技术）（A→P）。吸力平衡后用游标卡尺、天平分别测量试样的尺寸和质量。随后将试样装到非饱和土三轴仪上，在不排水条件下依次施加20kPa和100kPa净围压（P→Q和Q→M）进行固结；当固结稳定后Test 4开始剪切（M→N），剪切过程中保持ua＝0、s＝800kPa和σ3n＝100kPa恒定。
关于吸力平衡，Sivakumar（1993）指出当试样含水率每天的变化量小于0.04%，其所对应的每天的进出水量为0.5cm3，就认为吸力平衡稳定。该试验中吸力平衡的标准是：试样的每天进出水量小于0.1cm3。变形稳定的标准是：试样每天的体积变化量小于0.2cm3。当同时满足吸力平衡的标准和变形稳定的标准，认为这一级荷载下吸力平衡，试样总体积保持不变，可对试样进行剪切加载。为保证剪切过程中孔隙水压完全消散，在参考Ho和Fredlund（1982）基础上，选取轴向剪切速度为0.00192mm/min。
3.试验结果
如图4.45（a）、（b）所示分别为Test 1～4试样在σ3n＝100kPa和常吸力条件下，三轴剪切过程中的应力-应变关系及体变变化曲线。可以得出，随着吸力的增加，Test 1～4试样的应力-应变关系曲线依次升高，而剪缩体变减小。超固结黏土特征随着吸力增加而变得明显，尤其是吸力为800kPa的Test 4试样，其应力-应变关系及体变曲线具有明显的超固结黏土的特征，应力-应变关系曲线出现峰值后降低，试样先稍剪缩后剪胀。其主要原因是试样受到较大的吸力，有效应力增加，同时弱膨胀土试样失水收缩、孔隙比明显减小，使试样在剪切过程中表现出类似超固结黏土的特性。
图4.45 剪切试验结果
如图4.46所示为试样在常吸力和等净围压条件下三轴剪切过程中含水率和饱和度的变化情况。Test 1～3试样在剪切过程中含水率均有所减小，而吸力高的Test 4试样因用一层橡皮膜将试样底面与陶土板隔开而含水率基本不变，其饱和度的变化规律与体积变化特性有关。
图4.46 常吸力剪切过程中含水率和饱和度的变化(www.xing528.com)
4.2.4.2 控制净应力和吸力下的湿化试验
Sun等（2004）在日本名古屋工业大学用图4.34所示的非饱和土三轴试验仪对珍珠土（Pearl Clay）的击实样进行了一系列非饱和土三轴试验。珍珠土液限含水率为49%，塑性指数为27。土的黏粒和粉粒含量均为50%，为粉质黏土。采用X射线衍射试验得到该粉质黏土的主要矿物成分为石英、叶蜡石和高岭石，几乎不含膨胀性黏土矿物。试样的直径为3.5cm，高度为3.8cm。初始孔隙比约为1.35，初始饱和度约为50%，初始含水率约为26%。
如图4.47所示表示了等向应力条件下吸力为147kPa的等向压缩试验结果和等向应力条件下吸力减小的湿化试验结果。图4.47中，e是孔隙比，pnet是平均净应力，即pnet＝（σ1n＋σ2n＋σ3n）/3，σ1n、σ2n、σ3n为净正应力。由等吸力条件下的压缩曲线可以看出，净应力小于某一值（约为98kPa）时，压缩曲线较平缓，而净应力大于此值后，压缩曲线较陡。该净应力的数值可认为是该吸力作用下非饱和土的初始屈服应力，它与施加的吸力和试样密度有关，对于同一种土，吸力越高，初始屈服应力就越大。从图4.47中还可看出，在不同净应力条件下进行减小吸力的湿化试验，得到的体积收缩量（孔隙比减小量）是不一样的，在净应力大致为初始屈服应力（约为98kPa）条件下湿化时，其湿化变形量最大。对不同净应力条件下完全湿化（吸力降至零）后的饱和土试样进行压缩试验，得到的压缩曲线几乎相同。
如图4.48所示表示了常吸力（吸力分别为147kPa和0kPa）条件下的三轴剪切试验结果，图中，σan和σrn是三轴试验的轴向和径向净应力，εa和εr是轴向和径向应变，εv是体积应变。剪切加载是在平均净应力pnet[＝（σan＋2σrn）/3]等于196kPa条件下完成的。从图4.48还可看出，吸力为147kPa的非饱和土的应力-应变曲线比吸力为0的饱和土的要高。因此，对于同一种土样，非饱和土的变形模量和强度比饱和土的要大，这解释了地表土比较硬的原因。
图4.47 等向应力条件下等吸力非饱和土的压缩变形及等净应力下的湿化变形（Sun等，2004）
图4.48 常吸力条件下三轴剪切试验（pnet＝196kPa）（Sun等，2004）
如图4.49所示表示了净轴应力（σan）和净侧应力（σrn）分别为252kPa和168kPa条件下的湿化试验过程[图4.49（a）]及结果，包含湿化过程中应变的变化规律[图4.49（b）]及吸/排水量的变化规律[图4.49（c）]。分6级将吸力从147kPa降至0kPa，为了让吸力分布均匀，且变形和吸/排水达到稳定，每级时间约为600min。从图中可以看出，随着吸力的下降，试样吸水，轴向压缩，侧向变形不大，试样体积收缩。湿化变形和吸水量在吸力较小时（例如从39kPa降到20kPa）较大，而吸力较高时变化不大。一般把湿化（吸力减小）引起的试样体积收缩的变形叫湿陷变形，这是非饱和土特有的变形特性。土石坝第一次蓄水时常常会有湿陷变形问题。
图4.49 典型的湿化试验（Sun等，2004）
如图4.50所示表示了3个初始状态大致相同的非饱和土试样的等吸力下的剪切试验，等净应力下的湿化试验及饱和状态下的剪切试验结果。试验时的平均净应力为196kPa。应力路径为先在常吸力（147kPa）下剪切至不同净应力比1.5、2.0和2.5，然后在等净应力条件下进行湿化试验（吸力从147kPa分级降至0kPa），最后在零吸力条件下剪切至破坏。图4.50综合地反映了非饱和土剪切时的变形特性和湿化变形特性，可以看出，湿化时净应力比越大，湿化引起的剪应变就越大。不同应力比下湿化达到完全饱和（s＝0kPa）后的应力-应变关系曲线相近。
图4.50 非饱和土等吸力下剪切的变形特性及等净应力下的湿化变形特征（Sun等，2004）
4.2.4.3 常含水率下等向压缩试验和三轴剪切试验
国外许多学者对常含水率下非饱和土强度特性进行了三轴试验研究。Rahardjo等（2004）通过三轴剪切试验研究了压实残积土在常含水率下的强度特性等。Thu等（2006）通过三轴剪切试验研究了压实高岭土在常含水率下的剪切强度和孔压变化特性。陈存礼等（2014）研究了非饱和原状黄土在常含水率三轴条件下的吸力和力学特性。孙文静等（2011）研究了膨润土掺砂混合物在不排水三轴状态下的水力-力学性状。Blatz等（2011）将膨润土与砂混合土压实样放入不同的盐溶液上部进行蒸汽平衡，平衡后迅速装样，进行三轴快剪试验，即常含水率试验，测定吸力对变形与强度特性的影响。
Sun等（2008）对非饱和击实珍珠土进行了排气不排水状态下的等向压缩试验和三轴剪切试验，即测量吸力的常含水率三轴试验，得到了等向压缩试验过程中试样孔隙比、饱和度及吸力的变化规律，以及在含水率不变状态下的强度、变形及吸力的变化规律。下面对该试验结果进一步展开介绍。
如图4.51所示为排气不排水条件下非饱和击实珍珠土的等向压缩试验结果，由图可知，在不排水等向压缩试验中，随着平均净应力的增大，非饱和土试样孔隙比减小，如图4.51（a）所示A→B→C→D，这与饱和试样在不排水试验中体积保持不变不同。试样的含水率保持不变，随着孔隙比的减小，饱和度提高，如图4.51（c）和图4.51（d）中所示A→B→C→D。随着平均净应力pnet的增大，量测到的孔隙水压uw不断增大，因孔隙气压为大气压，吸力（s＝ua-uw＝-uw）随着压缩过程不断地减小，如图4.51（b）和（d）所示A→B→C→D。
不排水等向压缩试验完成后，对试样进行等净围压下的不排水三轴剪切试验。如图4.52所示为排气不排水条件下非饱和击实珍珠土的三轴剪切试验结果，分别为应力-应变关系[图4.52（a）]，吸力[图4.52（b）]及饱和度[图4.52（c）]随剪切的变化曲线。与饱和试样的不排水三轴剪切试验结果不同，非饱和土试样在不排水剪切过程中发生了体积改变。随着剪切试验的进行（应力比增大），试样体积减小，吸力变小，饱和度提高。
图4.51（一） 不排水条件下非饱和击实土的等向压缩试验结果（Sun等，2008）
图4.51（二） 不排水条件下非饱和击实土的等向压缩试验结果（Sun等，2008）
图4.52 不排水条件下非饱和击实土的三轴剪切试验结果（Sun等，2008）
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