本发明公开一种土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量装置及方法，包括非等轴椭圆形夹具、变形量测装置、气压加载与反馈控制装置和数据记录与处理装置，测量方法主要基于非等轴试样中心标记部位在气压作用下的变形轨迹的量测，本发明可以准确计算出外力对标记部位所做的功，并通过标记部位的受力平衡与能量守恒两个方程联立，从而解出两个未知的正交双向不等应力，试验结果可用于检测土工膜在非等轴双向拉伸条件下的强度和延伸率，同时也可用于土工膜在非等轴双向拉伸条件下应力应变本构关系的研究。