综述：复杂地质条件下岩土介质三轴试验系统（Triaxial testing apparatus）: 综述

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Triaxial testing apparatus for geotechnical media under complex geological conditions: A review

　　

三轴试验仪（triaxial apparatus）是研究岩土材料（geomaterials）在单元尺度（element scale）复杂边界条件下力学行为的基础性实验室设备。自20世纪30年代问世以来，三轴试验技术经历了三个主要发展阶段：功能建立阶段（1936年至1980年代）、性能提升阶段（1980年代至2010年代）以及面向应用的定制化阶段（2010年代至今），为岩土力学（geomechanics）和岩土工程（geotechnical engineering）作出了重要贡献。尽管物理模拟和数值分析技术发展迅速，单元尺度三轴试验仍然不可或缺。大量证据表明，岩土材料的物理力学性质受原位环境条件和应力路径的强烈控制，这推动了针对新兴应用场景的各种专用三轴设备的发展。本文系统综述了三轴试验中状态变量控制（state-variable control）、加载边界控制（loading-boundary control）和监测技术（monitoring techniques）的演变与现状，并重点指出了现有三轴系统在应对复杂科学和工程问题时的显著局限，例如重现滑坡相变（phase transition）、破坏及流动状运移（flow-like runout）的全过程，以及强耦合多场条件和极端原位环境下的CO₂深部地质封存。最后，本文总结了主要进展并概述了未来的关键研究方向。

1. 引言
三轴试验自20世纪30年代初现代常规土工三轴仪出现以来，对岩土工程的发展作出了重大贡献。在三轴仪出现之前，von Kármán、Karl Terzaghi、Buisman和Hveem等先驱学者已为其最终发展奠定了关键基础。三轴设备的出现使岩土材料力学性质的表征更加精确和标准化，并有助于完善土的分类标准。目前，三轴试验被国际广泛认可为土力学中的标准实验室方法之一。基于三轴单元试验，日益精细的岩土材料本构模型得以蓬勃发展，例如修正剑桥模型（Modified Cam-Clay model）、Drucker-Prager模型、Duncan-Chang模型、亚塑性模型（hypoplastic models）和硬化土模型（Hardening Soil model）等。这些模型有助于更精确地描述土体变形行为。三轴试验也推动了许多大型项目的成功实施，包括大坝、超高层建筑基础、跨海长跨度桥梁基础、深埋隧道支护系统以及寒区铁路路基等。三轴数据为这些重大工程中的关键施工参数选择提供了必要输入。同样，三轴试验也广泛应用于地质灾害研究，包括滑坡机理研究、土体液化和地震相关问题。三轴仪的发展大致可分为三个阶段。第一阶段为1936年至1980年代，以岩土三轴设备核心功能的逐步完善为特征，奠定了现代系统的原型。Casagrande在1930年代提出的第一代三轴设备已具备围压控制、轴向加载、固结、排水和不排水试验以及应力应变测量等基本功能。随着应用场景的扩展，设备进一步完善。到1960年代，研究表明三轴试验可用于研究应变率对岩土材料力学行为的影响。1970年代引入了伺服控制加载系统。Bishop和Wesley随后开发了一种能够沿规定应力路径进行受控加载的三轴系统。1980年代，在三轴压力室内实现了可靠的反压控制，非饱和土研究也相应推进。第二阶段为1980年代至2010年代，以精密加工、计算机工程、自动化和材料科学的快速发展为标志。这些进步大幅提升了三轴仪的性能，并实现了选定的THMC变量耦合控制，其中T、H、M和C分别表示温度场、渗流场、力学场和化学场。在高围压试验方面，开发了基于阶梯活塞和环形加压面积的替代补偿力方案。到2000年代初，大试样三轴系统可实现高达10,000 kN的轴向载荷。高温能力也通过两种主要设计路线趋于成熟：外部加热整个压力容器和使用内部加热炉。在多孔垫板和通道结构的基础上，孔隙流体压力的独立控制和内部压力均化成为可能，促进了高精度THM测试的发展。同期，天然气水合物的试样制备和测试方法也迅速进步。该时期监测和控制精度也有重大改进。例如，采用线性可变差动变压器（LVDT）可实现约1 μm分辨率的位移测量。第三阶段为2010年代至今，以日益专业化的应用场景和更有针对性的功能为特征。针对特定边界条件或环境设计专用设备。加载能力从广泛工作范围转向针对特定任务优化的较窄范围，部分系统已从单元试验扩展到边值问题。例如，有研究开发了通过试样注入高达650°C的热蒸汽和高温氮气并测量相应渗流压力的系统，以研究高温气流对岩石渗透性和细观孔隙结构演化的影响。其他研究人员将电阻率测量集成到深部地下条件（孔隙压力达20 MPa）的三轴试验中，从而根据电阻率变化推断应力状态和孔隙压力。针对真实岩石应力路径下三维动态测试的局限，有学者提出了热-水-力（THM）耦合动态真三轴电磁分离式霍普金森压杆（SHPB）系统。此外，还开发了许多针对深海环境、微重力、冰雪和大粒径试样的专用三轴系统。尽管三轴仪的发展已有近百年历史，但三轴系统的研究实际上在2010年前后重新获得动力。对2010年后发表的三轴试验综述文章的调查表明，研究趋势从性能提升、精度提高和结构优化转向针对特定环境和材料的应用型系统。同时，新的传感和测量技术越来越多地被用于从试验响应中提取更多信息，以进一步阐明岩土材料的变形行为和破坏准则。本文重点强调以下几个方面：（1）比较不同的三轴试验方法，从前沿研究的角度阐明新一代三轴系统的功能需求；（2）分析当前宏微观观测技术的优缺点，并提出先进监测技术可能的跨学科转移途径；（3）识别关键的科学和工程挑战，并概述下一代三轴仪的发展方向和实施路径。因此，即使在当今科技高度发达的时代，工程研究可用方法和工具众多，三轴试验仍然发挥着不可或缺的作用。同时，随着人类工程活动扩展到日益多样化和极端的环境，现有三轴系统在试验原理和监测技术方面都表现出明显的局限性。在处理多场耦合、复杂动态过程以及模拟恶劣地外环境等前沿课题时，这些局限性尤为突出。在此背景下，本文对各种三轴仪的试验原理进行了全面的回顾和分析，并探讨了未来突破的可能方向。同样重要的是三轴监测技术的发展，新型实验数据往往带来新的见解。因此，本文分析了相关学科的高级传感和监测技术，并讨论了将其应用于三轴试验的可行途径。最后，在更广泛的AI for Science背景下展望三轴系统的未来发展，寻求能够克服传统框架和概念固有局限的新范式。

2. 三轴试验中的关键参数控制
在岩土工程中，三轴仪被广泛用于研究土和岩石试样在可控应力路径下单元尺度的强度和变形特性。在连续介质假设下，任意点的应力状态可在主坐标系中表示，其中剪应力为零。在真三轴仪中，三个主应力σ₁、σ₂和σ₃可独立施加，从而能够在更复杂的应力状态下进行测试。在常规三轴试验中，试样通常假定为轴对称，因此应力状态简化为一个轴向主应力σ₁和两个相等的径向主应力σ₂=σ₃。在此假设下，试样内任意平面上的正应力和剪应力可通过经典应力变换关系获得，并在τ-σ平面中表示为莫尔圆。因此，三轴单元试验为建立岩土材料的破坏准则和本构模型提供了最基础、最不可或缺的实验依据。除单元试验外，三轴仪还被开发用于边值试验。在这类试验中，状态变量在空间上不均匀且可能随时间变化，本质上更接近物理模型试验。通过利用对应力状态的高度控制，可以操纵关键变量，并引入渗流、温度和化学条件等附加场来模拟特定的工程现象。此类设备的发展扩展了三轴试验的应用范围。综上所述，三轴试验中的过程控制实质上取决于两个关键方面：状态变量的控制和加载边界效应。

2.1 三轴试验中的状态变量控制
三轴试验中的状态变量构成了直接表征试样所处环境的一组综合参数。忠实再现原位环境是获得高精度试验数据的基本前提。由于常规三轴仪中试样环境密封性较好且易于控制，因此大多数关于多状态变量耦合控制的研究都是在此类系统上进行的。真三轴系统在实施多变量耦合控制时通常采用类似的设计和控制概念。总体而言，状态变量主要涉及温度-渗流-力学-化学（THMC）场，当前研究主要集中于这些场部分或全部耦合作用下岩土材料的力学行为。复杂状态变量的耦合控制通常需要大量的技术创新。在准静态加载下，T-M耦合相对简单，因为温度场和力学场之间的相互作用简单，耦合难度相对较低。实际上，对于单元试验，THMC耦合中最关键的状态变量是H。虽然“H”最初缩写代表“hydraulic”（渗流），但随着试验试样原位环境的日益复杂，H更适合理解为流体场，涵盖气体、液体和超临界流体。本质上，H耦合通过T-M耦合控制温度和压力，从而独立调节和测量试样内的气体、液体和超临界相。然而，超临界状态的内在不稳定性，以及温度和压力条件与三相之间的非唯一映射，使耦合控制极具挑战性。化学状态C的引入进一步复杂化了所有状态变量之间的关系，使得使用预定义的控制方案几乎无法实现耦合控制。早期状态变量耦合控制的进展往往是由孤立的技术突破推动的，而实现更复杂的耦合控制则越来越需要系统级的创新。尽管如此，目前仍没有能实现真正完全耦合THMC条件的单元尺度测试系统。本节因此重点讨论关键状态变量H和C与其他状态变量的耦合控制。

2.1.1 渗流场控制
三轴试验中渗流场的控制已逐步推进，逐渐能够对含各种形式孔隙流体的试样进行独立控制和测量。饱和土试验是最基本的三轴试验类型。已经开发了许多成熟技术来提高试样饱和度，如反压法、真空饱和法和加压浸水法。然而，达到100%饱和度仍然困难。在实践中，当Skempton B值达到0.95时，试样通常被认为已饱和。随后根据土的原位环境选择在不固结不排水、固结不排水或固结排水条件下进行剪切。对于饱和岩石试验，步骤和难度随岩石类型和试验场景显著不同。对于孔隙连通性好的岩石，通常采用真空饱和和分级反压饱和，并配合足够的浸泡时间或循环渗流时间，以获得尽可能空间均匀的孔隙压力和饱和状态。然后可在有效应力控制下进行渗透率、强度和变形试验。相比之下，致密结晶岩或低孔隙度岩石往往无法在合理时间内达到高饱和度。在这种情况下，孔隙压力主要在试样边界施加，可能无法在内部迅速均化，因此试验结果更容易受饱和不均匀性和端部渗流边界条件的影响。因此应明确结果的适用性，并使用渗透率、含水量或超声波测量等指标检查饱和状态。对于含弱面或裂隙的岩石，饱和过程也可能诱发裂隙开闭和结构重排，改变初始状态参数和后续力学响应。因此，在试样制备、饱和和应力路径设计过程中应尽量减少不受控制的结构扰动，并明确报告饱和方法和稳定标准。

对于具有固、液、气三相耦合的土体，即非饱和土，可靠测量其力学行为需要独立控制和测量孔隙流体，这要求三轴仪具备渗流-力学耦合能力。Bishop开发了第一个实现H-M耦合的非饱和土三轴系统，使用双室技术独立测量水和空气的体积。目前，轴平移技术是分别控制空气和水的压力最常用的方法。对于非饱和土试样，基质吸力定义为孔隙气压力与孔隙水压力之差。通过调整孔隙水压力以补偿孔隙气压力的变化，可以保持基质吸力恒定。轴平移技术允许在不改变试样有效应力的情况下调整和控制孔隙压力。然而，在非饱和土试验初期快速稳定地控制孔隙水压力和孔隙气压力长期以来一直是一个挑战。常规陶瓷盘通常厚4-7 mm，渗透性极低，约为10^-9-10^-10 m s^-1。因此，非饱和试样可能需要数周才能达到吸力平衡。为缩短平衡时间，有研究提出用微膜过滤器代替陶瓷盘，其他研究则开发了更高进气值的陶瓷盘。后续研究表明这种多孔膜能够实现更快的吸力控制和平衡。类似地，岩石试样的非饱和试验在关键技术挑战方面与非饱和土试验仍有显著不同。一方面，岩石试验也面临独立控制和监测气相和液相的需求，原则上可在常规三轴系统中使用控制渗流压力等方法控制非饱和状态。另一方面，不同岩石类型的孔隙结构和连通性差异很大，有些岩石以裂隙网络为主。这使得孔隙气压力和孔隙水压力难以在试样内迅速均化，更易出现空间不均匀性。此外，岩石中非常小的孔隙半径可产生较大的毛细吸力，可能使传统陶瓷盘失效。为解决这些问题，有研究采用蒸汽平衡法控制饱和度，并使用蠕动泵循环蒸汽以加速试样内的湿度均衡。然而，确保均匀饱和仍然困难，经常观察到试样表面达到目标状态而内部仍干燥，或裂隙网络达到受控饱和度而岩石基质仍干燥的情况。

当CO₂超过其临界温度和压力时，以超临界流体形式存在，可表现出类似液体的密度和类似气体的粘度和扩散性。正是由于这些特性，超临界相的独立控制和测量极其困难。目前，岩土工程中超临界状态的研究主要涉及深部CO₂封存和超临界CO₂置换甲烷。根据现有文献，在三轴试验中仍无法实现对液态、气态和超临界相的完全独立和精确控制及测量。相反，只能在规定的压力-温度条件下进行三轴加载，例如研究超临界CO₂对无烟煤的软化效应或在超临界CO₂中对岩石和煤进行断裂试验。在此类试验过程中，通常会发生显著的相变和化学反应。然而，对于含有固、液、气、超临界组分的试样，各相的比例无法直接测量。因此，即使控制了温度、压力和CO₂注入速率，各相的实际比例仍然不确定，所得结论只能表征特定试验条件下的观察现象。超临界CO₂在试验中涉及的复杂机理使得明确涉及超临界相的THMC耦合极难实现。

2.1.2 化学场控制
由于温度直接控制大多数化学反应动力学和输运过程，三轴试验中的化学控制必须与温度控制耦合，即温度-力学-化学耦合。对于单元尺度试验，要求试样在试验期间保持化学环境空间均匀和时间稳定。否则，结果不再代表固有材料行为，试验本质上变成了边值试验。因此，当化学环境在三轴单元试验中被视为状态变量时，必须对试样进行预处理以确保化学条件稳定可控。在养护期间，需要长期稳定控制温度、养护溶液浓度和湿度。在试样安装后，必须保持试验环境与养护条件一致，以实现至少基本水平的T-M-C耦合。例如，有研究将同一批次的试样浸入四种浓度水平的硫酸盐溶液中长达180天，同时施加循环温度和湿度以模拟现场条件，每30天更新盐溶液。另有研究先在盐溶液中处理试样，每5天监测pH值以确保稳定性，然后进行冻融循环，最后进行三轴试验，并在试验中再次仔细稳定温度和化学条件。这些研究通过在试验前后控制温度和化学变量确保了T-M-C耦合。然而，当试样来自极端环境（如高温、低温或高压）时，相应的养护条件变得极具挑战性，对测试精度和设备性能提出了严格要求。如果原位环境中的超临界物质与试样相互作用，为确保测试精度和结果的可靠性，必须在养护和测试阶段都再现相同的THMC耦合条件。

2.2 三轴试验中加载边界的控制
2.2.1 常规三轴仪中的大变形加载
常规三轴试验的主要优点是它为试样提供了相对封闭和稳定的环境。然而，加载边界效应长期以来一直是一个挑战。在小应变下，整体变形通常更接近均匀状态，应变局部化对测量响应的影响通常有限。但随着变形发展到大应变阶段，端部效应可能导致明显的非均匀鼓胀，显著影响试验结果。Rowe和Barden首先系统证明润滑压板-试样界面可减少端部效应并改善应变场的均匀性。Mogi进一步表明使用特氟龙作为润滑剂可有效减少端部摩擦。Hawkes和Mellor在单轴岩石试验标准化程序中推荐使用润滑剂，并建议长径比为2.5可大幅减少试样中部端部效应的影响。除了润滑，有研究提出了被动可扩展端部压板以减轻端部效应。然而，该设计的复杂性导致压板尺寸较大，膨胀后可能产生不连续的界面，引入其他显著的边界问题。可能需要更严格的解决方案，例如AI赋能的适应性端部压板，与试样共同变形以最小化界面相对滑移，从而抑制界面剪切约束，接近无摩擦边界条件并有效消除端部效应。目前，仅靠小应变加载不足以揭示导致海底滑坡、微重力滑坡等极端场景中超长运移距离的静态液化机制。因此，开发能够进行大变形加载的常规三轴系统对于研究低有效应力下从失稳到流动状破坏的完整转变具有重要意义。常规三轴仪还受到边界条件引起的其他误差来源的影响。例如，橡胶膜张力对试样的约束效应在低围压条件下变得尤为显著，膜张力水平可显著影响测量精度。此外，常规液体围压系统可能出现非理想边界效应，如围压介质响应延迟或围压局部不均匀，导致实际σ₃偏离设定值，从而放大固结不排水和固结排水试验中的应力路径误差。

2.2.2 真三轴仪中的边界效应控制
真三轴仪允许独立控制三个主应力，因此能够再现比常规系统更复杂的应力状态。然而，自由度的增加也使系统更难操作，因此真三轴设备的发展晚于常规三轴仪。由于其灵活的应力路径控制，真三轴设备主要用于模拟地应力状态高度复杂的深部岩石环境。部分系统也已适用于低应力条件下土样的测试，如非饱和土和超固结粘土。与砂土或粘性土不同，大多数岩石试样不允许在整个试样中施加均匀的反压。这仅对砂岩和石灰岩等多孔沉积岩可行，或在经过足够长的预处理后的高裂隙岩体中可行，并且对深部地质CO₂封存和核废料深部地质处置等特定工程应用至关重要。为了在真三轴试验中精确再现目标应力状态并进行施加，加载边界的控制尤其具有挑战性。现有真三轴加载系统根据边界设计大致可分为三类：刚性、柔性和混合加载边界。

2.2.2.1 刚性加载边界
在具有刚性加载边界的真三轴仪中，六个刚性压板用作加载界面。Kjellman开发了第一台真三轴仪，后来其他研究人员对其进行了改进。这种加载配置的一个明显缺点是，当试样发生大变形时，相邻压板可能相互接触。为避免这种情况，压板通常制成略小于试样面，但角落留下的间隙引入了额外的边界效应。最近，有研究使用高分辨率有限元模拟检查压板-试样接触模式，发现压板与试样之间的刚度比显著影响端部效应。他们还表明，用液体介质密封试样并施加围压可有效减轻与角部间隙相关的弱约束。刚性加载边界主要用于岩石三轴试验，其中高施加应力使压板处的端部摩擦尤为显著。硬脂酸、聚四氟乙烯（PTFE）片、PTFE和铜箔的组合以及低模量填充材料已被用于在一定程度上减少端部效应，但问题无法完全消除。此外，刚性边界真三轴系统仍面临压板变形和加载偏心等挑战，需要进一步改进。

2.2.2.2 柔性加载边界
柔性加载边界的概念和实现首先由Bell在其博士论文中提出。在该设计中，刚性加载压板被充液柔性垫替换，其尺寸可在试验过程中变化。这种设计有效消除了大应变下压板-压板接触的问题。因此，具有柔性边界的真三轴仪非常适合涉及大变形的试验，如粘土和砂土的三轴试验。由于可达到的压力受膜强度限制，柔性边界真三轴仪通常不适用于高压岩石试验。柔性加载边界具有几个明显优势。通过将不同状态的流体引入膜中，可以实现不同范围的围压。液体可用于施加相对较高的围压，而气体作为加压介质可实现超低围压。此外，试样面上的接触压力更均匀，不再受刚性压板限制，试样与加载边界之间的摩擦也显著减少。然而，柔性加载边界也带来了自身的问题。当流体注入橡胶膜以施加压力时，膜会膨胀，相邻加载面上的膜在角落处接触。接触模式随围压应力条件变化，导致试验间边界条件不一致，影响结果的准确性。当整体应力水平较低且三个主应力相等时，膜均匀加载，接触界面基本上是平的。在较高应力水平下，接触界面变得明显弯曲。当三个主应力不等时，高应力侧的膜鼓起并侵入低应力侧的膜。复杂的控制要求和各种膜接触模式带来的未知效应限制了柔性边界真三轴仪的进一步发展。

2.2.2.3 混合加载边界
混合加载边界以不同配置组合刚性和柔性加载面，以实现更通用的加载功能，因此是目前真三轴系统中最常见的配置。
刚性-刚性-柔性混合系统早期开发旨在减轻完全刚性边界设备固有的非均匀应力施加。在实践中，通过柔性面施加的最大应力必须低于刚性面上的应力。因此，柔性面通常分配给最小主应力方向（σ₃）。然而，这种布置并不能消除大应变下两个刚性面之间的压板接触问题。Mogi开发了第一台刚性-刚性-柔性混合真三轴仪。通过在相对刚性压板之间预留间隙，该设计减轻了真三轴试验中常见的压板接触问题。然而，它引入了明显的试样角部挤压和应力集中。Nakai等人用橡胶模具包裹试样，用刚性压板施加最大和最小主应力，用柔性面施加中间主应力。这在一定程度上减少了角部挤压，但仍不允许大应变测试。类似地，有研究用复合材料制造了单向可压缩压板——在加载方向高度刚性，但在垂直于相对刚性压板的方向可压缩。这种方法无需预留间隙，在很大程度上减轻了边界效应。然而，两个相对压板的不均匀变形扰动了目标单元应力状态，显著降低了测试精度。Yin等人提出了一种更有效的解决方案——滑动压板布置，巧妙地解决了刚性压板接触问题。随后，Feng等人通过用L形压板替换压板，进一步提高了三轴应力状态的控制精度。在Nakai等人概念的基础上，有研究引入了额外创新，基本消除了刚性压板接触。然而，当使用柔性面施加中间主应力时，膜-压板界面的边界效应略有增加。
刚性-柔性-柔性混合加载边界本质上类似于常规三轴设备，但允许施加三个不等的主应力，同时继承了常规系统的许多优点，例如能够进行非饱和土试验和CO₂封存实验。然而，控制自由度的增加使控制系统更加复杂。Lade和Duncan首先提出并建造了这种边界构型的真三轴仪。这种边界配置有效克服了全刚性边界相关的压板接触和非均匀加载问题，实现了更高精度的岩土材料真三轴测试。在当前设计中，柔性面通常采用高压流体加压的橡胶膜，而外部刚性框架维持三轴应力状态。然而，在大应变下，由于膜挤压和相关效应，试样可能不再维持均匀的单元应力状态，试样制备也变得更具挑战性。

2.3 特殊应力状态与前沿工程应用三轴仪
随着研究的深入，岩土材料所处的环境和经历的应力路径变得越来越复杂。为了进一步阐明岩土材料的物理力学行为，许多学者以工程实践和前沿科学问题为动机进行了创新设计。本节回顾近年来开发的新型三轴设备并总结关键技术进展。
常规岩土三轴系统难以施加动态载荷，因此无法充分揭示岩土材料在代表真实服役条件的三维动态载荷下的变形和破坏行为。在工程实践中，岩土材料经常承受机械振动和爆破冲击等动态作用。在自然界中，动态载荷也十分普遍，包括地震和波浪。为弥补缺乏能够再现代表原位岩石条件的真正三维动态加载的试验手段，已开发出新型三轴设备。有研究将三轴仪与分离式霍普金森压杆（SHPB）相结合，构建了能够复制静动态载荷耦合的复杂应力状态的动态三轴系统。有学者系统分析了工程扰动下岩石动力学中的实验和理论问题，开发了动态真三轴电磁SHPB系统。这些动态三轴系统的基本原理相似：动态载荷叠加在静态三轴应力状态上。研究表明，岩石动力强度对初始应力状态、动态加载模式和加载持续时间高度敏感。动态三轴仪仍处于发展早期阶段，更丰富的动态加载方案和更复杂的状态变量耦合是未来的关键方向。
岩石与金属的一个重要区别在于，在静载作用下，其强度受三维应力状态的强烈控制。岩石破坏不仅当最大主应力超过单轴抗压强度时触发，也可由中间或最小主应力卸载引起。以地下开挖为例，隧道开挖前围岩处于三轴压缩状态。开挖后，新形成的自由面使围岩卸载并降低其强度。在单元试验中，常规三轴系统对称且缓慢地卸载，无法在单元尺度上再现这一过程。为解决此问题，有学者提出在真三轴加载下快速释放一个加载杆以暴露试样面，从而模拟开挖诱导的力学过程。利用该方法，首次在实验室重现了岩爆现象。基于此原理，已开发出众多卸载真三轴设备。
随着深空探测的推进，研究表明颗粒材料在微重力下的物理力学行为与正常重力下显著不同。早期受技术限制，研究人员利用有效应力原理简化微重力下的颗粒接触条件，设计了各种低围压三轴设备。为再现微重力，日本岐阜大学在竖井中进行了自由落体三轴试验，但未成功。其他尝试包括落塔试验和抛物线飞行试验。然而，这些方法无法维持足够长时间的微重力来进行三轴试验等耗时实验。2016年，田纳西大学和美国国家航空航天局（NASA）进行了首次真正的微重力三轴试验。那么如何在地球上进行微重力三轴试验？重力是体积力，接触力无法在试样内产生等效体积力场。除重力外，常见的场施加力还包括电力和磁力。有研究提出了岩土磁相似重力模型试验方法。简而言之，将磁性颗粒引入试样，施加外部磁场以产生与重力相反的体积力。通过调节场强控制抵消力的大小，从而实现有效微重力条件。即便如此，该装置仍无法在微重力场下进行三轴试验。
在深部地下工程中，过高的地应力和岩石强度使常规机械切割和爆破困难。微波照射可通过诱发开裂和降低强度来预处理岩石。大多数现有试验中，试样通常在封闭微波腔中加热，而现场照射在开放空间进行，导致加热历史和裂纹演化不同。此外，实验室中试样通常无应力，而原位岩石处于三维应力状态且有一个自由面，这显著改变了裂纹扩展行为。为解决这些问题，有研究开发了微波照射耦合真三轴测试系统。该设备再现了开挖过程中遇到的复杂原位应力条件，结合多种监测技术，可有效揭示微波诱导岩石破裂和劣化的模式和机制。它仍存在局限性：试样受到不对称应力状态的影响，且在试样尺寸选择过程中，设备施加的边界条件对试验结果的影响未得到充分评估。

3. 三轴试验监测系统：现状与未来发展
其他领域的进展扩展了三轴试验可用的监测能力，大致可分为宏尺度（macroscale）和微尺度（microscale）方法。捕捉试样整体力学响应的方法被称为宏尺度监测，而解析试样内空间不均匀性的方法被视为微尺度监测。新的监测工具往往从互补角度揭示先前未被认识的行为。
宏尺度观测捕捉试样的整体响应，例如应力、应变、体积应变、磁化率各向异性和弹性波测量。典型的压电测力传感器现在可实现约0.05% FS的精度，激光位移传感器可达0.01% FS。在真三轴试验中，尽管必须考虑三个方向的应变且每个主应力独立控制，体积应变测量的基本原理是直接的。在常规三轴试验中，不规则试样变形和成分不均匀性会降低测量精度。对于饱和土，体积应变通过测量从压力室排出或吸入的孔隙流体体积直接获得。对于非饱和土，通常使用双室装置记录从系统中排出或吸入的水和空气的体积，精度可达约1%。通过校正温度和压力变化、容器柔量和蠕变，精度可提高至约0.04%。当试样含有固、液、气、超临界相时，超临界相的固有失稳使上述体积应变测量方法不再适用。为此，已提出几种替代方案。有研究利用相界面的超声反射开发了超声径向应变装置，实现了0.2%的测量精度。另有研究设计了基于霍尔效应的半导体系统，可在相对均匀变形阶段有效估算体积应变。摄影测量技术于1997年首次应用于岩土三轴试验。目前，摄影测量用于确定相机姿态和亚克力压力室的形状/位置。多通道光线追踪校正空气-亚克力和亚克力-水界面的折射，采用最小二乘优化估计试样表面任意点的三维坐标进行三维重建，体积应变测量精度约为0.25%。当围压较高且无法使用透明外套时，可将相机放置在压力室内。磁化率各向异性（AMS）是目前在地质学和岩石磁学中应用最广泛的技术，用于研究地质样品中磁性矿物的排列和沉积过程。有研究表明，岩土试样中颗粒的位移和旋转可导致试样呈现宏观磁化率各向异性。然而，目前尚无三轴仪能在试验过程中实现AMS测量，只能在试验前后对试样进行测量。利用弹性波（P波和S波）在流体和固体中传播特性的差异，有研究提出使用弹性波估算饱和度。含水量的变化、密度、内部结构和组构的变化都会影响土体电阻率，因此电阻率监测提供了跟踪结构演化的间接手段。有研究开发了具有实时电阻率监测功能的三轴仪，建立了重塑高岭土不排水抗剪强度与电阻率之间的经验关系。深层原位岩石条件的三轴设备研究表明，冻融循环对电阻率的改变甚至可能超过其降低强度的作用。有研究表明，细粒海相土的剪切破坏可通过电阻率从增加到减少的拐点来识别，且可通过电阻率推断的分布系数定量表征剪切带的体积分数。
随着监测研究的深入，多源、跨尺度监测已成为关键发展趋势。局部应变监测指试样在加载过程中由于材料性质、加载边界条件等因素而发展的应变局部化或破坏区。现有方法大致分为表面监测（应变片、摄影测量/数字图像相关、光纤布拉格光栅（FBG）传感器等）和内部监测（X射线计算机断层扫描（CT）、声发射等）。基于图像的方法提供了变形和破坏的直观可视化，但需要良好的光学通道。在调查中，我们发现了一些可能可转移到三轴试验中的其他领域先进测量技术。有研究将CT扫描与散斑方法相结合，将天然内含物视为体积散斑，实现内部三维应变测量。通过将CT、核磁共振（NMR）或太赫兹断层扫描与数字体积相关（DVC）耦合，可获得全场三维应变图。结构光可实现亚微米精度，约0.1 μm。此外，磁声发射（MAE）和云纹干涉测量法等应变监测技术也显示出在三轴试验中的应用潜力。由于应力不可直接观测，其监测本质上是困难的。光纤布拉格光栅（FBG）传感器已被广泛应用于工程中。研究人员结合微机电系统（MEMS）和FBG开发了一种探针，可测量岩土材料试样内一点的应力状态。该设备适用于1 MPa以下的应力水平，线性度在2.5% FS以内。超声波波速和传播路径取决于材料的弹性模量和密度，而这两者又取决于应力。在岩土材料中，即使在单一土或岩石类型内，强烈的非均质性和非连续性也阻碍了超声波应力传感的进展。在岩土测试中，超声波主要用于关联波特性与损伤和刚度。只有少数研究尝试从超声波推断岩土材料的内应力。利用光弹性测量力链依赖于应力诱导的双折射。光弹性是少数可用于应力测量的非接触方法之一，但要求测试介质具有光弹性。对于非光弹性材料，需使用光弹性类似物制作替代试样。利用干涉光学投影断层扫描（IOPT），光弹性实验现在可以捕捉轴压加载下三维试样中力链的空间结构和时间演化。全息干涉测量（HI）是一种光学技术，记录物体散射光的干涉图样。通过比较加载前后的全息图，可从条纹变化中提取表面位移。这些研究表明全息干涉测量可用于表征表面应力场。然而，由于依赖光学干涉，无法探测不透明试样的内部应力。岩土材料的微观结构观测通常需要在高度受控条件下进行异位取样。高精度技术通常在测试后应用，经过取样和试样制备。氦离子显微镜（HIM）在概念上类似于扫描电子显微镜，但使用氦离子束，受益于离子更大的质量和更低的能量损失，可获得极高分辨率。聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）通过FIB逐层铣削试样内部，SEM对连续切片成像，可实现岩土材料孔隙、裂隙等微观特征的三维重建。与其他领域相比，岩土工程中的监测技术发展较慢，部分原因在于关注宏观物理力学行为的研究人员和关注微观结构的研究人员通常在不同领域工作。令人鼓舞的是，这一差距已被广泛认识，许多研究正在开发将岩土材料微观结构与宏观性质联系起来的新方法和理论框架。

4. 三轴仪的前沿挑战
前三部分系统回顾了岩土三轴试验中的状态变量控制、加载技术和监测技术。本节不讨论单个设备的性能，而是关注工程实践和基础研究前沿的具体问题。我们围绕再现原位环境、控制加载过程和获取监测数据三个方面进行讨论。流动状大变形灾害有多种形式，包括海底滑坡、火山碎屑流、泥石流和雪崩。在此，相变指力学行为的宏观变化，而非物理状态或粒径的变化。宏观相变后，此类事件通常涉及非常大的体积和长运移距离。尽管已有大量数值和实验研究，但控制机制在单元尺度上仍不清楚，相变的关键条件尚未确定。关键限制在于，当前三轴仪由于加载边界的限制，无法在单元尺度上实现全过程的加裁。在已发表文献中，大多数试验报道的最大轴向应变通常低于35%。图33示意性地说明了相变和流动状大变形的可能演化，使用偏应力描述试样的固态或流态。由于设备限制，现有研究通常使用三轴试验表征有限变形阶段，使用流变试验表征大变形阶段。由于这些阶段无法在同一系统中测试，且试验参数不一致，缺乏全过程数据，相变机制难以解决。此外，在颗粒尺度上，颗粒不仅发生平移，还发生旋转。颗粒旋转改变颗粒间接触构型，从而改变岩土材料的宏观物理力学性质。当前三轴系统不具备能直接观察颗粒旋转的监测技术。
解决THMC耦合挑战将极大地推进岩土研究，但实践中特定THMC变量之间的耦合难度差异显著。