一、一般规定
1适用土样类型
本试验适用于黏土或砂质土两类土样。不同土性因颗粒组成、孔隙结构及水分迁移特性差异，对降温速率敏感度不同，需通过控制降温速度保证试验结果的准确性与可比性。
2降温速度要求
黏土：降温速率严格控制在0.3℃/h（因其颗粒细、孔隙小，水分迁移慢，需较慢降温以避免非均匀冻结）。
砂质土：降温速率严格控制在0.2℃/h（颗粒较粗，孔隙大，但为保证水分迁移与冻结过程的协调性，降温速度需更缓于黏土）。
二、仪器设备
试验需配备以下专用设备及辅助装置，各组件功能与参数要求如下：
1试样盒
结构：采用外径12cm、壁厚1cm、高度10cm的有机玻璃圆筒（透明材质便于观察内部状态）。
功能设计：
侧壁沿高度方向每隔1cm设热敏电阻温度计插入孔（用于监测土样不同高度的温度梯度）；
底板与顶盖集成恒温液循环通道（通过冷/热循环液调节温度）及外界水源补充通道（模拟地下水补给）。
2恒温箱
容积：不小于0.8m³（确保试样盒周围有足够空间维持均匀环境温度）。
控温系统：内置冷液循环管路与500W加热器，通过热敏电阻温度计与温度控制仪联动，精确维持箱内温度为1℃±0.5℃（模拟自然冻土初始稳定状态）。
3温度控制系统
由低温循环浴（提供负温环境）与温度控制仪组成，用于独立调节试样顶板、底板温度（关键参数：顶板/底板温度根据试验阶段动态调整，详见操作步骤）。
4温度监测系统
包含热敏电阻温度计（高精度温度传感器）与数字电压表（信号转换与显示），实时监测试验过程中土样温度、顶板温度、底板温度及恒温箱环境温度的变化，数据记录间隔≤1h。
5补水系统
通过恒定水位装置（如带刻度的补水容器）与底板连接，供水管路上设置调节阀，确保底板与土样接触面以上0.5cm处维持稳定水位（模拟地下水持续补给条件；若需模拟无水源补充状态，可切断供水管路）。
6变形监测系统
采用量程30mm、分度值0.01mm的百分表或位移传感器（高精度测量土样冻胀变形量），安装于试样顶部，直接监测冻胀引起的垂直位移。
7加压系统
由加压框架（刚性支撑结构）与砝码（可调节荷载）组成，用于模拟原状土的天然受力状态（如需施加特定荷载时使用）。
三、操作步骤
1原状土冻胀率试验流程
步骤1：土样取出与预处理
轻轻剥去土样筒表面的蜡封与胶带，开启筒盖后沿自然沉积方向（即土样原始堆积方向）小心取出原状土样，避免扰动其天然结构。
步骤2：试样制备与初始参数测定
使用标准切土器将原状土样修整为直径10cm、高度5cm的圆柱形试样（尺寸与试样盒内径匹配）。
用精度0.01g的天平称量试样质量，结合试样体积计算初始密度；另取部分余土测定初始含水率（烘干法，105±5℃烘干至恒重）。
步骤3：试样盒装配
在有机玻璃试样盒内壁均匀涂抹一薄层凡士林（减少试样与盒壁的摩擦阻力，避免侧向约束影响冻胀变形）。
将试样盒置于恒温箱底板指定位置，盒内先平铺一张滤纸（防止细颗粒土堵塞滤水板），随后将试样从顶部垂直装入盒内，使其自由滑落至底板（避免人为压实）。
步骤4：顶板安装与密封
在试样顶面覆盖一张滤纸（隔离顶板与土样直接接触），再放置顶板并施加轻微压力（通过加压框架或手动轻压），确保土柱与顶板、底板紧密接触（消除初始空隙，保证温度传递均匀性）。
步骤5：管路连接与系统调试
将装有试样的试样盒放入恒温箱内，依次完成以下操作：
在试样周侧（侧壁）、顶板、底板内插入热敏电阻温度计（监测各部位温度）；
试样周侧包裹5cm厚泡沫塑料（保温材料，减少侧面热量散失，聚焦顶底板的定向冻结）；
连接顶板、底板的冷液循环管路（用于精确控制顶/底板温度）及底板的补水管路（水源补给通道）；
开启供水装置，向底板补水至水位高于底板与土样接触面0.5cm，排除底板管路内的气泡（避免气阻影响补水均匀性）；
调节供水装置水位至恒定值；若需模拟无水源补充状态（如封闭系统试验），可切断供水管路；
安装百分表或位移传感器（测头垂直抵住试样顶部，固定支架防止位移）。
步骤6：天然受力状态模拟（可选）
若试验需模拟原状土的天然应力条件（如地表覆盖荷载），通过加压框架与砝码施加设计荷载（荷载值根据实际工程需求确定）。
步骤7：恒温箱与冷浴初始设置
开启恒温箱电源，设定箱内温度为1℃±0.5℃（通过冷浴与加热器联动维持稳定）；
启动试样顶板、底板的低温循环浴，初始设定顶板、底板温度均为1℃（与箱温一致，避免初始温差导致非均匀冻结）。
步骤8：试样恒温平衡
让试样在1℃环境下恒温6小时，期间持续监测土样温度（通过侧壁热敏电阻）及变形量（百分表读数）；
当监测数据表明试样整体温度均匀达到1℃（无显著内部温差）时，判定为恒温平衡完成，可进入正式冻结试验阶段。
步骤9：定向冻结与参数记录
顶板快速降温阶段：将顶板温度调节至-15℃并维持0.5小时（促使试样从顶部开始迅速冻结，形成初始冻结锋面）；
匀速降温阶段：随后将顶板温度调整至-2℃（或试验要求的特定负温），底板温度保持1℃，恒温箱温度维持1℃（通过顶板低温与底板恒温的温差驱动水分向上迁移并冻结）；
参数记录：记录初始水位高度（补水后稳定值），之后每隔1小时同步记录以下数据：
水位变化量（反映水分迁移与补给情况）；
顶板/底板/土样温度（通过热敏电阻实时监测）；
试样冻胀变形量（百分表或位移传感器读数）。
试验持续时间：持续72小时（或直至冻胀变形稳定，以先到者为准）。
步骤10：试验结束与取样
试验结束后，迅速取出试样盒，测量试样的最终高度（用于计算冻胀量）；
通过滤纸染色法或温度传感器记录数据确定冻结深度（土样中温度≤0℃的深度范围）。
2扰动土冻胀率试验流程
扰动土试样需先通过人工制备达到目标初始状态后，再按原状土试验的步骤3.1第3款至第10款操作，具体预处理步骤如下：
步骤1：土样拌和与固结
称取一定量的风干土样（过筛去除大颗粒，确保均匀性），按设计含水率要求加入纯水拌和至均匀稀泥浆状态；
将泥浆装入内径10cm的有机玻璃筒内，通过加压固结设备（如千斤顶或静压力装置）施加压力，直至土样达到试验所需的初始含水率与干容重（通过密度控制确保与原状土可比性）；
固结完成后，将土样从有机玻璃筒中垂直推出，并切削至高度5cm（与原状土试样尺寸一致）。
步骤2：后续试验步骤
按3.1条第3款至第10款的流程操作（试样盒装配、温度控制、变形监测等步骤完全相同）。
四、计算与记录
1冻胀率计算公式
冻胀率（ηf）反映土样冻结过程中体积膨胀的相对程度，计算公式为：
ηf=Hf−ΔhfΔhf×100%
参数说明：
ηf：冻胀率（%），表征单位冻结深度内的变形比例；
Δhf：试样总冻胀量（mm），通过试验前后试样高度差计算（Δhf=试样最终高度-试样初始高度）；
Hf：冻结深度（mm），即土样中温度≤0℃的区域的垂直高度（通过温度监测数据确定冻结锋面位置）。
2试验记录要求
所有试验数据（温度、变形量、水位、时间等）需按本标准附录D表D.67规定的格式详细记录，包括：
试验基本信息（土样类型、密度、含水率、初始高度等）；
每小时的温度监测值（土样、顶板、底板、箱温）；
每小时的变形量读数（百分表/位移传感器）；
每小时的水位变化记录；
试验结束后的冻结深度与最终试样高度。
备注：试验过程中需严格控制环境参数（温度、补水、荷载），避免人为干扰导致数据偏差；仪器设备需定期校准（如温度计精度、百分表零点），确保试验结果的可靠性。
