冻胀作用引起的土体变形
在霜冻作用下，静止的自由水在 0°C 结冰，并因此膨胀 9% 其体积。然而，窄毛细管中的水不会在 0°C 结冰，而是在更低的温度下结冰，其范围为 -1°C 到 -78°C。这个最后的冻结温度是美国通过实验室试验确定的。毛细管越窄，冻结温度就越低。
土体中存在彼此在各个方向相连的孔隙，并形成毛细管。在砂土中，孔隙较大，形成较宽的毛细管，水在其中于0°C或略低温度下冻结。水均匀结冰，孔隙中形成冰晶，其体积增加9%不会引起任何显著的土体变形。在细粒土中，孔隙更细小，形成较窄的毛细管，水在低于0°C的温度下冻结。然而，在表层土中，土体总是较为松散，孔隙较大，水在0°C结冰并形成冰晶。这些冰晶以很大的力量，即所谓的_结晶力_，从细小孔隙中吸引冷却水。当这样被吸引来的水与冰晶接触并自身冻结时，会增加冰晶的体积，形成冰透镜，其厚度可约为0,1至10 mm。形成的冰透镜会在霜冻作用期间引起显著的土体变形，在特别不利的条件下可达30和50 cm。
冻胀作用引起的土壤变形的发生及其大小主要取决于以下 3 个因素：
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地下水位
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霜冻持续时间。
第 1) 在粒度组成方面，冻害作用在细粒土中最为显著，因为其孔隙足够细，可形成狭窄的毛细管，同时又具有足够大的渗透性，能在冻害作用期间使水迅速循环。这类土对冻害最为敏感，无论在出现速度还是变形幅值方面都是如此。它们是粉土，主要由粒径 0,02-0,002 mm 的颗粒组成。粒径 >0,02 mm 的颗粒毛细上升高度较小，而粒径 < 0,002 mm 的颗粒毛细上升较慢，因此在冻害持续期间，在这两种情况下只有较少的水能够到达冻害作用区。如果黏性土含有超过 25% 的粒径 < 0,002 mm 的颗粒，则土体渗透性极小，孔隙中的水循环极慢，以至于在孔隙中的水形成冰晶体之前便已先冻结。
Ad 2) 除了土壤颗粒级配条件之外，还必须满足另一条件，才能发生冻胀变形。即必须能够有水补给到冻作用区。如果这一条件不满足，也就是说，如果土壤毛细管与水没有连通，以致在冻作用期间水不会持续通过其中流动，那么无论土壤的颗粒级配如何，都不会发生冻胀变形。
地下水位越高，土体因冻胀产生变形的可能性就越大。如果地下水位比该土体毛细上升高度更深，则冻胀变形很小。
Ad 3) 冻结持续的时间越长，因形成更大且更多的冰透镜，冻胀变形就越大。强烈而短暂的冻害引起的变形较小，因为在这种情况下，孔隙水会迅速冻结，水的毛细流动被中断。相反，中等和持续时间长的冻害则会由于冰透镜能够不受阻碍地形成而引起更大的变形。
脱橡作用
在解冻时，首先融化的是地表土上部的冰透镜，而紧接其下仍保持冻结，因此也不透水。由于融化的冰透镜会产生大量水，而这些水无法穿过下部冻结层下渗，所以表层中增加的水量会使土体过饱和，并将其变成一种没有任何强度、只会在压力下向侧面挤出的流态物质。解冻作用引起的土体变形可能相当显著，在某些情况下甚至危险。这类变形常见于铁路和道路的路堑中，春季由于融化的冰透镜使土体水分过饱和，边坡会发生部分滑移；同样也常见于道路上，此时路面在交通荷载作用下会在因过饱和而失去承载力的地基上发生变形。
评估霜冻对土体作用的标准
通过研究霜冻对不同土类的影响，得出结论：就抗冻性能而言，应区分两类土：安全_和_冻胀危险。
抗冻土 是指无论冻结持续时间多长，都不会形成冰透镜的土体。对于这类土，只有其孔隙中的水结冰并形成冰晶，在冻作用下变形很小。砾石、砂及类似土体属于这一类。
_冻胀危险土_是指会形成冰透镜的土体，因此可能产生较大的变形。冻结作用期间，表层中积聚的水以冰透镜的形式也会产生霜胀作用。此类土包括某些粉质黏土，尤其是粉土。
用于评价土壤抗冻稳定性的标准有多种，其中最著名的是 Arthur Casagrande 和 Rukli 的标准，下面将对其加以说明。
A. Casagrande 准则
这一判据基于土的颗粒级配组成，表述如下：
a) 对于组成均匀、非均匀系数 U < 5 的土，若含有粒径小于 0,02 mm 的颗粒超过 10%，则该土为冻胀危险土。
b) 对于组成不均匀的土壤，其不均匀系数 U > 15 时，如果含有超过 3% 的粒径小于 0,02 mm 的颗粒，则该土壤具有冻胀危险。
虽然这一准则长期以来一直被采用并始终给出可靠结果，但其缺点在于它只依据土的颗粒级配，而不考虑其他影响土中冻胀作用的因素。因此，如今认为这一准则过于严格且不经济。
Rukliev 准则
根据这种方法，按固体颗粒的刚度将土体分为两部分，即粗粒部分，粒径 d > 2 mm，以及细粒部分，粒径 d < 2 mm。为了评估土体的抗冻性，建立细粒部分含量与粗粒部分含量之间的关系，并由上下界限给出这种关系（图 1）。
下限是指固体颗粒直径 d < 0,02 mm、占填料干重的最大允许百分比，即粒径 0-2 mm 的组分；在不利条件下，例如地下水位高、不利气候条件（长期严寒）以及土体天然含水量大时，在该百分比以下基本不会发生冻害。
上限表示在有利条件下，细颗粒组分中粒径 d < 0,02 mm 的颗粒所允许的最大百分比；在这种条件下，如地下水位低、气候条件有利（短期霜冻）以及土壤天然含水量小，则实际上不会发生任何冻害。
图 1 按 Ruklie 准则评定土壤霜冻危险性的下限和上限
土中防止冻害
土中冻害影响深度取决于该地区的气候条件。在我国，这一深度大多位于地表以下 0,8 至 1,0 m。因此，基础埋深等于或大于 1,0 m 的构筑物将不受冻害影响。
浅基础构筑物，如道路路面，会受到冻害作用，在冻结和解冻过程中都可能使路面产生较大的变形和损坏。因此，在修筑道路路面和机场跑道时，需要就冻害影响对土体进行检测；如果地基土对冻害有危险性，就应采取防护措施。对于道路和机场路面，最有效的措施是设置垫层，其厚度应确定为：使路面和垫层的总厚度在重交通时为 0,80 m，在轻交通时为 0,60 m。通常，路面下方 0,30 m 厚的垫层即可对冻害提供足够保护。
垫层材料通常为砂或砂砾，其应满足以下条件：
塑性指数 IP < 5
颗粒 d 组分含量小于 3%，且 < 0,02 mm
不均匀系数 U > 7。
厚度为 20 cm 的垫层上部不得采用均质细砂，因为其压实不足且承载力有限。在这一部分，垫层应采用含 30-70% 粒径、大小为 2-30 mm 的砂砾。粒径大于 30 mm 的颗粒不推荐使用。
浅基础的围墙也会受到土中冻胀作用的影响，从而发生倾斜，经过反复冻胀后，最终会倾覆和倒塌。因此，如果土壤有冻害危险，这些墙体应基础埋置于 1,0 m 的深度。