在土力学中,对土体本构模型的研究过程中需要了解土体在整个试验过程中的应力应变变化过程。这就需要拓宽现有土工测试设备的应力测量范围,提高应变测量的精度,使得土体本构模型建立在更准确的试验数据之上。本文分别从加载方式、压力室结构和测试与控制系统三个方面作出改进,提高应力应变的测试精度。本文针对土工三轴试验在开始阶段存在应力测量不准确的的问题,设计了一种传感器串联的机械结构。该机械结构由小量程和大量程两个传感器串联构成,并将小量程传感器置于三轴压力室内部,排除了加载杆与压力室之间摩擦力的干扰,使得在整个试验过程中轴向力的测量都能获得很高的精度。并且该机械结构可以对小量程水下拉压传感器实现过载保护。由此改进了三轴试验仪的载荷测量。本文针对平面应变试验中存在σ2方向摩擦力的问题,对传统平面应变压力室进行了改进,采用带水膜的新面板来减小摩擦。将改进后的新面板与老面板进行对比试验,得到的应力应变关系曲线峰值可降低60%左右,大大减小了σ2方向的摩擦力。为了提高小应力部分的测试精度,本文对水下拉压传感器进行了无砝码标定,并且探究了围压对其的影响。为满足应变测试精度的要求,本文研制的土工应力应变测试设备的应变测量采用非接触式的数字图像测量技术,并且增加数字图像相机控制平台,使得应变的测量变得更为准确。数字图像测量技术可以实时检测到试样的体变,可以观测到土体剪切带的位置、形成和发展过程,对土体本构的研究具有重要的意义。用土工应力应变测试设备进行了试验,并对试验结果进行了分析。