一、试验目的
土体在冻结过程中的冻胀变形量（即冻胀量）是寒区工程破坏的关键因素之一。为评价工程场地土体的冻胀性，指导寒区构筑物（如道路、桥梁、房屋基础等）的抗冻设计，需通过试验测定土体冻结过程中的冻胀量，并计算冻胀率（冻胀量与冻结土层厚度之比），为工程措施（如换填、保温、排水等）提供依据。
二、试验原理
冻胀量是土体冻结时产生的轴向变形量，但受冻结深度、土体性质等因素影响，不同土体的冻胀量差异显著。为统一比较标准，采用冻胀率（冻胀量与冻结土层厚度的百分比）作为表征土体冻胀性的核心指标。
三、仪器设备
试验采用土工冻胀试验箱，由以下核心系统组成：
1、试验附件
筒壁：导热不良的非金属材料（如有机玻璃），内径100mm，高度200mm；筒壁每隔20mm设温度传感器插入孔。
顶板与底板：导热良好的金属材料（如合金铝），圆形平板，外径100mm；内部设循环液流通槽，确保板面温度均匀；顶板提供排气通道，底板连接水源补给/排水系统。
2、制冷控温系统
循环液储蓄槽、小型压缩机（冷却循环液）、加热丝（加热循环液）、温控器；循环液在储蓄槽与顶、底板流通槽中流动，通过热交换调节顶、底板温度；温控器根据传感器反馈控制压缩机/加热丝启停。
3、试验箱系统
保温箱体：容积≥0.8m³，内置散热器、风扇、加热器及温度传感器；散热器通过循环液与箱体空气热交换，二级控温器（连接加热器）微调箱内温度，确保温度场均匀稳定。
4补水/排水系统
马略特瓶：通过导水管与底板连接，定时记录水位变化以确定补水量（模拟自然冻胀过程中的水分迁移）。
5位移测试系统
位移传感器（量程50mm，精度0.01mm）、数据采集仪、计算机及配套软件；传感器置于顶板上方，实时监测土样轴向变形量。
四、试验步骤
1原状土试验
1.1.土样制备：
按自然沉积方向取出原状土样筒，剥去蜡封和胶带，用切削器削成直径100mm、高度100mm的试样（若标准要求5cm高，则调整），称量确定密度，并取余土测定初始含水率。
1.2.试样装填：
在有机玻璃试样盒内壁涂薄层凡士林（减少侧壁摩擦），放入底板，盒内铺薄型滤纸；将试样自由滑落至底板，顶面铺滤纸后加盖顶板，稍加压使试样与顶、底板紧密接触。
1.3.系统连接：
将试样盒放入试验箱，试样周侧包裹50mm厚泡沫塑料（保温），连接顶、底板冷液循环管路及底板补水管路；供水排除底板气泡，调节水位至设定值（若模拟无水源补充，切断供水）；安装位移传感器。
1.4.荷载施加（可选）：
若需模拟天然受力状态（如路面荷载），在顶板施加相应压力（需明确荷载值）。
1.5.温度设定与预冷：
开启恒温箱、顶/底板冷浴系统，设定：
◦恒温箱温度：1℃（模拟初始地温）；
◦顶、底板温度：1℃（初始平衡温度）；
◦箱内温度：1℃（通过二级控温器调节）。
试样恒温6h，监测温度与变形，待试样初始温度均匀达1℃后开始试验。
1.6.冻结过程控制：
底板温度调节至-15℃并维持0.5h（促使试样底面快速冻结）；随后将底板温度调至-2℃（模拟持续冻结条件）。
冻结速率控制：
◦黏质土：0.3℃/h（缓慢降温，模拟黏土冻结特性）；
◦砂质土：0.2℃/h（较快降温，模拟砂土冻结特性）。
保持箱温1℃、顶板温度1℃（模拟地表温度），记录初始水位，后续每隔1h记录水位、温度及变形量，试验持续72h。
1.7.试验结束处理：
迅速取出试样，测量冻结后高度并测定冻结深度（如通过温度传感器数据或切片观察）。
2扰动土试验
2.1.土样制备：
称取风干土样500g，加纯水拌成稀泥浆，装入内径100mm的有机玻璃筒内，加压固结至目标初始含水率；推出土样并切削至高度50mm（若标准要求5cm）。
2.2.后续步骤：按原状土试验的步骤3~10进行。
五、数据记录与计算
1数据记录
温度：顶板、底板、试样周侧及内部温度（每小时记录）。
变形量：位移传感器每小时读取的轴向变形值（精确至0.01mm）。
补水量：马略特瓶水位变化对应的补水体积（每小时记录）。
2冻胀率计算
冻胀率应按下式计算：
冻胀率应按下式计算：
η=（Δh/Hf）×100
式中η—冻胀率，%;
Δh——试验期间总冻胀量，mm;
Hf——冻结深度(不包括冻胀量),mm。
六、注意事项
1.试样制备：
原状土需保持天然沉积方向，避免扰动；扰动土需严格控制含水率和压实度。
2.温度控制：
顶、底板温度需严格按设定值调节，避免波动过大影响冻胀速率。
3.补水系统：
定时检查马略特瓶水位，确保补水连续（模拟自然冻胀中的水分迁移）。
4.保温措施：
试样周侧泡沫塑料需包裹紧密，防止热量散失干扰冻结过程。
5.试验安全：
试验箱运行时避免触碰冷板（低温可能导致冻伤），位移传感器需固定牢固以防脱落。
七、试验报告内容
表：冻胀量试验记录表
试样含水率： _% 试样密度： g/m³
序号 | 时间/h | 温度传感器读数/℃ | 变形量/mm | ||||
1.试验土样基本信息（类型、初始密度、含水率、取样位置）。
2.试验条件（温度设定、冻结速率、补水方式）。
3.原始数据记录表（温度、变形量、补水量随时间变化）。
4.计算结果（冻胀量、冻结土层厚度、冻胀率）。
5.试样冻结后照片及冻结深度分析。
编制单位：河北天棋-冻土试验研究所
发布日期：2025年7月1日
