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本发明提供了一种试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法，涉及岩土工程技术领域，该装置包括恒温箱体，以及恒温箱体内腔中的试验模块；该试验模块包括样品试验筒、检测模块和支架；检测模块至少包括位移检测器、温度检测器和水分检测器；当样品容纳空间放置有试验样品时，配置在样品试验筒上的移动部与试验样品接触；位移检测器对移动部的位移进行测量；设置在样品试验筒的内侧壁上的温度检测器和水分检测器通过接触试验样品来检测试验样品的温度参数和水分参数。通过调控恒温箱体的内腔环境温度，模拟实际环境的温度变化，检测模块观测试验样品在不同温度下的冻胀情况，试验装置简单，操作容易且直观，具有很好的实用性。