与上述三种吸力控制技术相对应，非饱和土压缩仪也可以大致分为三类，以下分别对三类仪器的结构构造和技术原理作简要介绍。
3.1.2.1 轴平移技术控制吸力的非饱和土压缩仪
通过轴平移技术控制吸力（Hilf，1956）的非饱和土压缩仪，即通过陶土板分别控制试样中孔隙水压和孔隙气压，实现控制基质吸力的目的。试样通过排水管与外界相连，孔隙水压为大气压，孔隙气压为施加于压力室的气压。试验之前，陶土板要充分饱和，以便在试验过程中水能够自由地通过陶土板。
由于负孔隙水压是相对大气压而言，故通过人为地提高试样的孔隙气压，就可使负孔隙水压的绝对值减小，而保持基质吸力不变。当气压超过基质吸力时，孔隙水压便上升为正值，从而可避免气蚀现象的发生。通常在试验中施加的气压保持常数，而保持孔隙水压始终为大气压，则施加的气压力等于试样的基质吸力。
图3.2 非饱和土压缩仪结构示意图（陈正汉等，2004）
如图3.2所示为国内第一台非饱和土压缩仪示意图。该仪器由中国人民解放军陆军勤务学院（原中国人民解放军后勤工程学院）、原电力部电力自动化院大坝所、江苏省溧阳市永昌工程实验仪器有限公司联合研制生产。该仪器主要由台架、试样盒、气压室、加载系统、排水系统、位移量测系统及孔压与荷载量测系统等部件组成，其中：加载系统与常规压缩仪相同，采用杠杆式加载装置；荷载传感器置于气压室内可提高荷载量测精度；加载活塞与气压罩顶盖之间采用滚动隔膜密封，并吸收了Bishop型应力路径三轴试验仪的优点。利用该非饱和土压缩仪可以进行4种类型的试验，分别为控制基质吸力的压缩试验、控制竖向净正应力为常数的收缩试验、控制气压力的不排水压缩试验和排气不排水压缩试验（陈正汉等，2004）。
第1章图1.35的GCTS SWC-150装置也可用于非饱和土的压缩试验，是一台应用轴平移技术控制吸力的非饱和土压缩仪。进行非饱和土压缩试验时，该装置可通过气动加载装置向试样施加竖向压力，通过与试样底部连通的体变管中水位的变化量测得试样中水的变化，通过安装在试样顶部的竖向位移计测定试样的竖向位移，得到压缩试验过程中试样的变形，进而确定试样孔隙比和饱和度的变化情况。如图3.3所示的GCTS非饱和土压缩仪正在进行加载试验。加载系统主要由气缸、调压器和压力表组成，调压器用来控制施加竖向压力的大小，由气压表读取。加载过程中，气缸下方伸出的竖杆与压力室外伸的加压杆接触，由于试样面积和气缸面积不一样，实际施加于试样的竖向应力应为气压表读数再乘以面积换算系数。压力室加压杆上放置一平板，将百分表安装定位好，使百分表测量头接触平板表面，如图3.3所示，用于量测压缩试验中压力室内试样的竖向变形。
如图3.4所示是西班牙加泰罗尼亚工业大学（UPC）生产的非饱和土气动压缩仪。该仪器包含底座、侧环及顶盖3个部分主体，还含有一个中间固定有铜制接触杆的黑色氯丁橡胶隔膜（Neoprene Membrane）和一个精度为0.001mm的位移计。仪器安装好后，位移计放置在铜制接触杆顶端面，量测试验过程中试样的竖向变形量。底座和顶盖中均放置一块防腐的金属透气板。所用试样直径为50mm，高度在10～20mm范围内。
UPC非饱和土压缩仪也是采用轴平移技术控制基质吸力。压力室底座安装有高进气值陶土板，试验前陶土板需预先饱和。陶土板下方水室通过吸/排水管与外部大气相通，孔隙水压为大气压。如图3.5所示为仪器剖面构造图：该非饱和土压缩仪共有两个进气口，中间的气源口设置在侧环上，用来施加试样的孔隙气压（即基质吸力），上气源口设置在顶盖上，用来施加竖向压力，通过调整隔膜上下两侧的气压力产生隔膜压从而实现竖向压力的施加。图3.5的剖面图中显示有两个加荷帽，一个是高压加荷帽（High-pressure Loading Cap），直径为71mm，另一个为低压加荷帽（Low-pressureLoading Cap），直径为50mm。使用不同的加荷帽可以改变与隔膜的接触面积，从而改变隔膜上部的气压力。使用高压加荷帽时隔膜上部的气压力会增大一倍，相应的施加于试样的竖向压力也会增加。当测试非饱和土的土-水特性时，中间气源口的进气压力起主导作用；当进行非饱和土的压缩试验时，两个气源口的进气压力需用两个不同的调压器分别控制。
图3.3 GCTS非饱和土压缩仪
图3.4 UPC非饱和土气动压缩仪
另外，还有一些具有特殊功能的非饱和土压缩仪。图3.6为西班牙UPC实验室研制的温控式非饱和土压缩仪（Romero，1999），其构造图如图3.6（c）所示。该装置与UPC非饱和土压缩仪的构造类似，采用轴平移技术控制试样的基质吸力，压力室底座安装高进气值陶土板，还设有与外部连通的进水孔和出水孔，同时也包含两个进气口，一个仍安置于顶盖，另一个进气口的布置与UPC非饱和土压缩仪不相同，布置在活塞压杆的外伸处，如图3.6（c）所示的构造图。另外，侧环的空腔内装有硅油、热电偶和加热电阻线圈，由电阻线圈加热硅油，热电偶测试硅油温度。热电偶和电阻线圈分别通过导线与外置的温度控制器相连，试验温度控制在22～80℃。同时，在放置试样的腔室内也安装有热电偶，可以量测试样的温度。
图3.7为吸力控制的侧向应力测试装置（Lateral Stress Suction Controlled Oedometer Cell）图（Romero，1999）。竖向荷载通过气动加载装置施加于加压室的加载活塞上表面，位移计测量头与活塞的外伸端面接触，用于量测压缩过程中试样的竖向变形。该装置的气压、水压系统、气泡冲刷量测系统及水体积量测系统与前述的温控与吸力控制的非饱和土压缩仪类似。所不同的是该仪器可以量测侧向应力，侧压力环设计为零型侧限环（Null-type Confining Ring），其内径为70mm，高度为30mm，环的中间部分厚度为0.5mm，高度为14mm，两个电阻应变片贴在0.5mm厚的不锈钢外壁的外侧，为180°正对且均呈水平方向。侧压力环所在的密封腔室内注有低导热性的低黏度硅油，对1/2单臂电桥（Wheatstone Bridge）无电干扰。通过向密封腔室内施加油压用于平衡由应变片量测到的侧向变形，即可间接得到侧向压力值。
图3.5 UPC非饱和土压缩仪内部构造示意图
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图3.6（一） 温度及吸力控制的非饱和土压缩仪（Romero，1999）
图3.6（二） 温度及吸力控制的非饱和土压缩仪（Romero，1999）
图3.7 吸力控制的侧向应力测试装置图（Romero，1999）
3.1.2.2 半渗透技术控制吸力的非饱和土压缩仪
Delage等（1992）利用半渗透技术研制成渗透压缩仪，Delage和Cui（2008a）又将其改进设计为闭合管路循环的渗透压缩仪，如图3.8所示。采用溶质为PEG 20000溶液。为保证高压条件下PEG溶液流动畅通，在底座顶面及活塞下表面设置凹槽，同时，在半透膜与底座顶面之间、半透膜与加压活塞下表面之间各放置一层细网，并用环氧树脂将半透膜粘贴固定。为了防止水分从环刀与活塞之间的缝隙蒸发，可在环刀与活塞之间涂抹薄薄的一层硅脂。
在闭合管路中串联一台蠕动泵（Peristaltic Pump），用于驱动PEG溶液流动。PEG溶液从容器中流出，先通过试样底部的半透膜，再流经试样顶部的半透膜，最后流回容器，形成封闭回路。
为保证溶液与试样之间的水分交换作用对溶液浓度没有影响，盛有PEG溶液的容器容积要足够大，Delage和Cui（2008a）中为1L容量。容器口用橡皮塞密封，橡皮塞上插有3根管子，分别为PEG溶液闭合管路的流出管与流入管以及标有刻度的毛细管。毛细管中PEG溶液的弯液面高度变化反映了PEG溶液与试样之间的水分交换，弯液面上升，PEG溶液吸水，试样脱水；反之，PEG溶液脱水，试样吸水。当水分交换达到平衡时，弯液面高度不再变化，认为施加于试样上某一恒定吸力值，吸力大小与PEG溶液的浓度相对应。对应于0～1500kPa的吸力，PEG溶液的浓度约为0～26%。恒温水浴中另一容器中的毛细管用于校正PEG溶液蒸发量。试验时要严格控制温度（Tang和Cui，2005），实验室温度的浮动范围为±0.1℃；PEG溶液容器放在恒温水槽内，温度的浮动范围为±0.01℃。使用该渗透压缩仪可以进行两种试验：控制吸力的压缩试验和控制竖向正应力的变吸力试验。进行变吸力试验时，每级吸力稳定后需要更换PEG溶液。另外，水中微生物会使半透膜随浸泡时间的增加而减少寿命，需在溶液中加少许抗生素。
图3.8 渗析法控制吸力的非饱和土压缩仪（Delage和Cui，2008a）
3.1.2.3 相对湿度技术控制吸力的非饱和土压缩仪
图3.9 高吸力非饱和土压缩仪（CIEMAT实验室，Esteban，1990）
如图3.9所示是西班牙CIEMAT实验室研制的高吸力-高压非饱和土压缩仪（Esteban，1990），当吸力在3～14MPa时，以氮气代替空气，用轴平移技术施加吸力，在试样底座上嵌入多孔透水石，在其上覆盖纤维素膜，水和离子可通过，气体无法通过。当吸力高于14MPa，使用相对湿度法控制施加的吸力，整个压力室为封闭的，试样上方的玻璃杯内装有一定浓度的硫酸溶液，空气的相对湿度即由硫酸溶液控制，不同浓度的硫酸溶液对应不同的吸力。该仪器中使用的吸力控制技术对温度控制要求非常严格。当吸力低于3MPa时数据不可信，因为此时温度很难维持在所必需的稳定范围。因此，该仪器可施加的总吸力范围为3～500MPa。
如图3.10所示是西班牙UPC实验室研制的高吸力-高压非饱和土压缩仪的示意图（Lloret等，2003）。吸力由相对湿度法控制，环境湿度由盐溶液控制。压力室、盐溶液容器和气动泵组成一闭合回路，盐溶液上方空气由气动泵驱动循环。更换不同浓度或种类的盐溶液可对试样施加不同的吸力。将压力室放置在压缩仪上，该压缩仪的杠杆比达20：1，与常见压缩仪的10：1或12：1相比，该仪器可以施加更高的竖向压力。
图3.10 高吸力-高压非饱和土压缩仪（UPC实验室，Lloret等，2003）
如图3.11所示是法国国立路桥学校（ENPC）岩土力学实验室（CERMES）设计的高吸力-高压压缩仪（Cui等，2002；Ye等，2014）。整套仪器包含吸力控制装置及加载装置。吸力控制装置由压力室、饱和盐溶液容器及气动泵三者组成，三者用管路连接组成封闭环路，如图3.11（a）所示。饱和盐溶液的容器口用橡皮塞密封，其上插入2根管子，管子端口均悬于溶液上方。溶液上方的空气由气动泵驱动循环。不同的饱和盐溶液对应不同的吸力值。对于某一饱和盐溶液，试样内部的相对湿度逐渐与饱和盐溶液上方气体的相对湿度达到平衡，即认为试样的吸力与对应饱和盐溶液的蒸汽压力达到平衡。加载装置是一种特殊的高压加载框架，如图3.11（b）所示，采用双臂杠杆加载系统，杠杆比分别为12：1和6：1，总杠杆比为72：1。该仪器的最大竖向应力可达50MPa。
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