受霜凍作用引起的土壤變形
在霜凍作用下，靜止的自由水會在 0°C 凍結，並因此膨脹 9% 其體積。然而，狹窄毛細管中的水不會在 0°C 凍結，而是在較低溫度下，範圍為 -1°C 到 -78°C。這一較低的凍結溫度是根據美國的實驗室試驗確定的。毛細管越窄，凍結溫度就越低。
土壤中存在彼此在各個方向相連的孔隙，形成毛細管。在砂土中，孔隙較大，形成寬大的毛細管，水會在 0°C 或稍低的溫度下結冰。水會均勻凍結，在孔隙中形成冰晶，其體積增加 9% 不會造成任何明顯的土壤變形。在細粒土中，孔隙較細，形成狹窄的毛細管，水會在低於 0°C 的溫度下結冰。然而，在表層土中，土體總是較為鬆散、孔隙較大，水會在 0°C 結冰並形成冰晶。這些冰晶以極大的力量，即所謂的_結晶力_，吸引狹窄孔隙中的冷卻水。當這樣被吸引來的水與冰晶接觸後，也會結冰，使冰晶體積增加，形成冰透鏡，其厚度可約為 0,1 至 10 mm。形成的冰透鏡會在霜凍作用期間造成顯著的土壤變形，在特別不利的條件下可達 30 和 50 cm。
由霜凍作用引起的土壤變形現象與大小，主要取決於以下 3 個因素：
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地下水位
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霜凍持續時間。
Ad 1) 就顆粒組成而言，凍脹作用在細粒土中最為明顯，因其孔隙足夠細小，可形成狹窄的毛細管，同時又具有足夠大的滲透性，能在凍脹作用期間使水分快速循環。這類土對霜凍最為敏感，無論在發生速度或變形量方面皆然。這些為粉土，主要由粒徑 0,02-0,002 mm 的顆粒組成。粒徑 >0,02 mm 的顆粒毛細上升高度較小，而粒徑 < 0,002 mm 的顆粒毛細上升較慢，因此在凍期內兩種情況下只有較少的水分能進入凍脹作用區。若黏性土含有超過 25% 的粒徑 < 0,002 mm 顆粒，則土壤滲透性極低，孔隙中的水循環非常緩慢，以致在孔隙中的水先行凍結，而冰透鏡尚未能形成。
Ad 2) 除了土壤粒徑組成條件外，還必須滿足另一個條件，才會在霜凍作用下產生土壤變形。這就是必須能有水補給到霜凍作用區。若此條件不成立，即土壤毛細孔與在霜凍作用期間會持續流經其中的水沒有連通，則不會發生霜凍變形，不論土壤的粒徑組成如何。
地下水位越高，土壤因霜凍作用而產生變形的可能性就越大。如果地下水位位於比該土壤毛細上升高度更深的位置，則霜凍造成的變形就很小。
Ad 3) 霜凍持續時間越長，由於形成更大且更多的冰透鏡，霜凍造成的變形就越大。強而短暫的霜凍引起的變形較小，因為此時孔隙中的水會迅速凍結，毛細水流被切斷。相反，中等且持續時間較長的霜凍，則因冰透鏡可不受阻礙地形成而造成較大的變形。
脫牛效應
在解凍時，首先融化的是表層土上部的冰透鏡，而其正下方仍保持凍結，因此也保持不透水。由於融化後的冰透鏡會釋放大量水分，這些水無法穿過下方凍結層滲入，所以表層中增加的水量會使土壤過飽和，並將其變成沒有任何強度的流體狀物質，在壓力作用下會向側面擠出。由解凍作用引起的土壤變形可能相當顯著，在某些情況下甚至危險。這些變形在鐵路與道路的路堑中很常見，春季時由於融化的冰透鏡使土壤過度含水，邊坡會發生部分滑移；同樣也常見於道路上，此時路面在交通荷載下會在因過度含水而失去承載力的土壤上產生變形。
評估霜凍對土壤作用的準則
通過研究霜凍對各類土壤的作用，可得出結論：就抗凍表現而言，應區分兩類土壤：安全抗凍 與霜凍危險。
_抗凍土壤_是指不會形成冰透鏡的土壤，無論凍結持續多久。對此類土壤而言，只是在其孔隙中的水結冰並形成冰晶，在凍作用下僅產生很小的變形。這一類包括礫石、砂以及類似土壤。
_凍害危險土壤_是指會形成冰透鏡，因而可能產生較大變形的土壤。表層中以冰透鏡形式累積的水分，在受凍作用期間也會產生凍脫作用。此類土壤包括某些粉質黏土，特別是粉土。
評估土壤抗凍性的標準有多種，其中最著名的是 Arthur Casagrande 與 Ruklia 的標準，本文將加以說明。
A. Casagrande 準則
此準則基於土壤的粒徑組成，內容如下：
a) 對於組成均勻的土壤，其不均勻係數 U < 5 時，若含有超過 10% 的粒徑小於 0,02 mm 的顆粒，則該土壤有凍害危險。
b) 對於成分不均勻的土壤，當其不均勻度 U > 15 時，若其含有超過 3% 的顆粒，且粒徑小於 0,02 mm，則該土壤具有凍害危險。
儘管這一準則長期以來一直被採用，且始終給出可靠結果，但其缺點在於只依據土壤的粒徑組成，並未考慮其他會影響土壤凍害作用的因素。因此，如今認為此準則過於嚴苛且不經濟。
Rukliev 準則
依據此法，土壤按固體顆粒的粗細分為兩個級配，即粗粒級配，粒徑 d > 2 mm，以及細粒級配，粒徑 d < 2 mm。為評估土壤抗霜性，建立細粒級配量與粗粒級配量之間的關係，該關係由下限與上限表示（圖 1）。
下限表示直徑 d < 0,02 mm 的固體顆粒在回填料乾重中所允許的最大百分比，即粒徑 0-2 mm 的部分；在不利條件下，如地下水位高、氣候條件不佳（長期霜凍）及土壤天然含水量高時，幾乎不會發生任何凍害。
上限表示細粒分中粒徑 d < 0,02 mm 的顆粒，其乾重所允許的最大百分比；在有利條件下，例如地下水位低、氣候條件良好（短暫霜凍）以及土壤天然含水量低時，實際上不會出現任何凍害。
圖 1 依 Ruklie 標準評定土壤霜害危險性的下限與上限
土中抗霜凍作用保護
土中凍害作用深度取決於地區的氣候條件。在我國，通常位於地表以下 0,8 到 1,0 m。因此，基礎埋置深度等於或大於 1,0 m 的構造，不會受到凍害作用。
淺基礎構造，例如道路路面，會受到霜凍作用的影響，這可能在凍結與融解過程中都造成較大的變形與路面損壞。因此，在修築道路路面與機場跑道時，必須就霜凍作用對地基土進行檢驗，若地基土具有霜害危險，則應採取防護措施。對於道路與機場路面，最有效的措施是設置墊層，其厚度應如此確定，使路面與墊層的總厚度在重載交通時達 0,80 m，在輕載交通時達 0,60 m。通常，路面下方 0,30 m 的墊層厚度已足以防止霜凍作用。
墊層材料通常為砂或含砂礫石，其應滿足下列條件：
塑性指數 IP < 5
粒徑 d < 0,02 mm 的含量小於 3%
不均勻程度 U > 7。
緩衝層上部、厚度為 20 cm 的區段，不得採用均質且細粒的砂，因為其壓實不足且承載力受限。在此區段，緩衝層應為含砂礫石，30-70% 的顆粒尺寸為 2-30 mm。不建議使用大於 30 mm 的顆粒。
淺基礎的圍牆也會受到土中霜凍作用的影響，因此會傾斜；在反覆霜凍作用經過一段時間後，會導致其傾倒和倒塌。因此，若地基土具有霜害風險，這些牆應基礎埋設於 1,0 m 深處。