（一）冻土的基本概念
凡含有水的松散土体在温度降低到土的冻结温度以下时，土中水分发生相变成冰即成冻土。冻土是由固态土颗粒、液态水、冰和气体（含有水汽）组成的复杂多相体系。必要条件是负温及冰的存在。所谓土的冻结温度是指在降温过程中，冻土内水分最初发生相变、从液态变成冰时的稳定温度。土的冻结温度一般都低于纯水在1个大气压（105 Pa）下的冰点。土的性质不同，其冻结温度比0℃的降低值也不同。一般讲，土的黏性和分散性越大、水分含量越低、土壤水分中的矿化度越高以及土壤内压力越大，冻结温度比零点的降低值就越大，表9-1是兰州冰川冻土研究所的一些测验成果。
表9-1 土的冻结和融化温度及其差值
冻土有多年冻土和季节性冻土之分。多年冻土指土的冻结状态可持续3年以上、在夏季只在表层融化的冻土。每年冬季冻结，夏季（或春、夏季）全部融化的为季节性冻土。我国是一个冻土大国。冻土深度在0.5m以上的季节性冻土和多年冻土地区的面积占我国陆地总面积的68.6%，其中多年冻土约为215万km2，占陆地面积的22.3%，季节性冻土约为445万km2，占46.3%。多年冻土主要分布于东北大小兴安岭、青藏高原和西部的高山区（天山、阿尔泰山和祁连山等）。季节性冻土则分布于我国长江以北除了四川成都和重庆部分地区以外的几乎所有的地区。
试验证明，冻土中存在着冰晶，但同时也存在着液态形式的水分，因此它不仅和一般土壤一样，是一个包含了固、液、气三相物质的复合体系，而且由于冻土的固相中除了土壤矿物颗粒外，还包含了冰晶。冰晶和矿物颗粒及液态水分之间的相互作用使冻土比一船土壤的三相体系复杂很多。冻土中液态形式的水分，称之为未冻水。未冻水的存在与土壤中水的形态有关，而水的不同形态实质上反映了土壤中水分的能量水平。土壤水中，重力水的能量水平最高，因此最易于脱离矿物颗粒而形成冰晶。其他形态的水分受矿物颗粒束缚大，需要在较低温度下才能脱离矿物而形成冰晶。按水分形态，在土中结冰的次序依次为毛管水（悬着水）、薄膜水（最大分子持水量到凋萎系数）和吸湿水。而结晶水和化合水即使在温度很低时，也不结冰。未冻水的含量大小与土壤的性质和负温度的大小有关。颗粒越细、分散性越强，未冻水含量越大，一般而言，黏土的水含量大于粉土，粉土的水含量大于砂土；土壤溶液浓度越大，则未冻水含量也越大；温度是影响未冻水含量的最主要因素，温度越低，未冻水含量越低。
（二）土壤冻结深度及影响因素
1.土的冻结深度和冻层厚度
土的冻结深度（Hf）是冻结前地面高程与冻结层下限高程之间的距离，冻层厚度（
）则是冻结后最高地面高程与冻结下限之间的距离，两者之差就是在冻结过程中的冻胀量（见图9-1）。
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图9-1 冻胀示意图
当冻胀量与整个冻结深度的比值很小时（如小于5%），可不区分这两个概念。
2.影响土壤冻结深度的因素
由于冬季的负气温造成了土壤上层温度梯度，并在其驱动下，土壤内热量通过热传导机制向地表散失，使土壤温度降低到冻结温度以下，土壤中水分发生相变，这一过程即土的冻结过程。土壤的冻结深度（以下简称冻深）是冻结过程的重要指标，它受热传导过程中一系列因素的影响，主要有以下几方面。
（1）地表温度。地表温度越低，则冻深越大。地表温度取决于近地大气温度及太阳辐射。在相同的大气温度下，由于地表接受到的太阳辐射能不同，可以使冻深有显著的差异，这种差异对具有明显阴阳坡区别的渠道防冻胀设计有十分重要的意义。
（2）土壤的含水量。土壤含水量对冻深存在两个相反的影响机制。一方面，含水量大时，由于水的导热系数大于土中矿物颗粒的导热系数，使整个冻土体的导热系数增大，因而加大了冻深；另一方面，含水量大的土壤在冻结时发生相变，放出大量潜热，又延缓了冻结过程。
（3）土壤性质。一般而言，粗粒土的导热系数大于细粒土，冻深也较大。例如工程中常采用的砂砾石换基可使冻深加大。土壤的干密度越大，导热系数也越高，冻深就越大。
（4）地下水。地下水位较浅时，地下水会对冻土层下部有重要的补热作用。主要有两方面的原因：一是地下水温度恒高于0℃，通过传导机制向冻层补热；另一个机制是地下水加大了未冻层对冻土层的水分迁移，迁移的水分在相变时发生大量潜热，延缓了冻结进程。
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