由于位于地下水位以上，在许多情况下土壤在其自然状态下是不饱和的。这意味着孔隙中不仅有水(液体)，而且还有部分空气(气体)。由于试件内部存在空气以及空气特性(如压缩性)，此类试件的体积变化测量比饱和试件更复杂。
非饱和试件内部空气和水的存在会产生土壤吸力(当孔隙水压力小于环境空气压力时)。土壤吸力影响非饱和土壤的力学特性，包括剪切和压缩特性。因此应在控制吸力条件下评估三轴应力状态下非饱和土的力学特性。
有不同的非饱和测试技术，实验室流行的是：
• 轴平移技术 (ATT)
• 蒸气平衡法
• 渗透法
轴平移技术是三轴测试中非常常用的方法,它涉及在土壤试件中施加和控制正气压和水压(高于大气压力)，并允许控制土壤中的基质吸力。该技术对于测试吸力值大于100kPa 的试件特别有用，可避免与气蚀相关的问题。
在这种三轴试验方法中，一个高气压通过值的陶土板(HAEV)放置在试件底部，在给定压力范围内只允许水而不是空气通过，而普通透水石放置在顶部。在试件中分别单独施加和控制空气压和水压，孔隙空气压通过普通多孔石施加到试件顶部，而孔隙水压力通过HAEV施加到试件底部。
运行不饱和测试所需的主要组件是：
• 高气压通过值的陶土板
• 空气压力控制器用于孔隙空气压力(APC)
• GEOsys非饱和土试验模块
• 总体变测量装置
高气压通过值的陶土板
在非饱和测试期间需要分离孔隙水和孔隙空气并进行测量，为此我们使用适当饱和的高气压通过值的透水石。高气压通过值的陶土板(HAEV)允许水通过，而不是低于限定气压的空气。该限定气压总是高于水压，因此由于空气压力较高，水无法通过空气管道。它具有从100kPa到1500kPa的多种吸入压力，适用于从38mm到100mm的不同试件尺寸。
空气压力控制器（APC）
该微处理器闭环压力控制器可针对不同的测试应用（例如围压、孔隙压力和不饱和测试）准确调节不同压力范围的气压，高可达2000kPa。无需单独的数据记录器将测量值从设备传输到 PC。空气压力控制器在集成数据采集和控制单元的闭环控制下工作, 包括一个高精度压力传感器来测量压力。空气压力控制器可以通过触摸感应键盘直接操作，也可以通过带有控制软件的 PC 进行操作，并且在前面板上有一个显示器。
总体变的测量方法
在饱和土的三轴排水试验中，通常通过孔隙水体积变化来监测试件的体积变化。然而对于非饱和土，试件的总体积变化不再等于孔隙水体积变化，因此传统的方法不再适用。总体积变化通常包括空气体积和空隙空间中水体积的变化，恒温条件对于任何以水为介质的体积变化测量方法都很重要。
方法1：试件表面应变测量
在这种方法中，直接安装在试件上的局部应变测量装置测量试件的轴向和径向变形，并计算总体积变化。应变测量装置可以在高压下工作，根据类型可以覆盖用户的所有测试的压力范围。
浸入式局部环向应变测量装置用于直径从38到100mm的试件，包括一个高精度LVDT传感器，在测试过程中测量试件的平均径向应变。链条由许多小链段组成，它们在试件上相互单独地滚动，并且可以针对不同的试件尺寸进行配置。
这种方法适合小变形试验，并提供良好的低应变(体积变化)值，但需要有一定刚度的试件。此外当试件倾向于变形为桶形时，试件中间径向变化的单次测量值对于要求高精度的测试来说不够具有代表性。这种方法可以与双壁三轴室法或VPC相结合，以获得非常好的结果。
此方法所需的组件：HAEV板、空气压力控制器控制气体孔压、径向应变测量装置、非饱和试验模块
方法2：双壁三轴室
双壁三轴室包括一个内室和一个外室，它们在测试过程中具有相同的围压。这样内外室的压力相同，内室的膨胀将被小化，因此内室的体积基本保持恒定。
加载时三轴室中围压液体的体积变化主要就是土样体积变化，流体的体积变化，三轴室体积以及管道等变化的总和。由于消除了内室的膨胀问题，因此可以利用一些必要装置（体积压力控制器或 APC 和自动滴定管），监控流入和流出内室的水量，来准确测量试件的总体积变化。
双壁的另一个优点是试件定位，当试件准备好并被膜覆盖时，将三轴室放下并固定在设计的位置，使试件干扰非常小。这种方法与试件局部应变测量方法的结合，为非饱和试验提供了高精度。
此方法所需的组件：双壁三轴室、HAEV盘、内室的压力体积控制器、外室的压力控制器、孔隙空气压的压力控制器、非饱和试验模块
方法3：使用体积压力控制器 (VPC) 直接测量孔隙水和孔隙空气体积变化
在这种方法中，我们使用两个体积压力控制器(VPC)，其中一个控制孔隙水压力。首先将无气水注入体积压力控制器VPC中，并将其连接到试件底部以控制孔隙水(反压)并自动测量孔隙水体积变化。另一个体积压力控制器VPC用于控制孔隙空气压力，连接到测试件品的顶部，使我们能够控制孔隙空气并以高分辨率测量孔隙空气体积变化，该VPC的腔体由空气填充。
如前所述，孔隙空气压力须始终高于孔隙水压力，因此可以通过使用孔隙水体积变化和孔隙空气体积变化之间的简单方程来获得试件的总体积变化。德国Wille制造的自动机电压力体积控制器是注射式无脉冲泵，可为不同试验准确产生和调节压力，在各种范围内提供准确的流量控制。该设备用于与室内试验中各种流体和气体的压力或流量控制，如水、油或空气，也可用于腐蚀性介质。
此方法所需的组件：孔隙空气压力的体积压力控制器、水的压力体积控制器、HAEV盘、非饱和软件模块
方法4：差压传感器 (DPT)测量附加内室中的水头
测量试件总体积变化的另一种方法是使用差压传感器(DPT)与开口内室相结合并测量内室中的水头。差压传感器 (DPT)连接到两室的水体，即内室中包围土壤的水体和外室中的水体。
双室中的内室是一个简单的开口室，DPT监测外室和内室之间的水压差。试件体积变化引起的内室水位变化，为我们计算试件体积变化提供了所需的数据。Geosys软件控制内室和外室的水压力，以及试件内部的孔隙空气压力。所有传感器都进行准确校准，同时在内室中使用无气水，可以获得很高的试验精度。
该试验方法需要的组件：内室、低量程高精度压差传感器、HAEV板、施加孔隙空气压力的气压控制器、非饱和试验软件模块