冻胀

冻胀（或冻胀）是在冻结条件下土壤向上膨胀，这是由于冰向地表生长时冰的存在增加，从冻结温度已经渗透到土壤的土壤深度向上（冻结锋） 或冻结边界）。 冰的生长需要供水，通过某些土壤中的毛细管作用将水输送到冰冻前沿。 上覆土壤的重量限制了冰的垂直生长，并可以促进土壤中冰的透镜状区域的形成。 然而，一个或多个正在生长的冰晶状体的力量足以掀起一层土壤，高达 1 英尺（0.30 米）或更多。 水流经的土壤必须有足够的孔隙以形成冰晶状体，以允许毛细管作用，但又不能多孔到破坏毛细管连续性的程度。 这种土壤被称为易受霜冻影响的土壤。 冰晶状体的生长不断消耗冰锋上升的水。 不同程度的冻胀会使路面开裂——导致春季坑洞形成——并损坏建筑物地基。 冻胀可能发生在机械冷藏的冷藏建筑和溜冰场中。

针状冰本质上是在冻结季节开始时发生的冻胀，在冻结锋深入土壤并且没有土壤覆盖层作为冻胀抬升之前。

由于水的摩尔体积在其整体凝固点从水变为冰时会膨胀约 9%，因此由于摩尔体积膨胀，9% 将是可能的xxx膨胀，即使这样，也只有在冰被严格横向约束的情况下 在土壤中，因此整个体积膨胀必须垂直发生。 冰在化合物中是不寻常的，因为它的摩尔体积从液态水增加。 当从液体相变为固体时，大多数化合物的体积会减少。

冻胀土壤位移的主要原因是冰晶状体的形成。 在冻胀期间，一个或多个无土冰晶状体生长，它们的生长取代了它们上方的土壤。 这些晶状体通过不断从土壤中较低且低于土壤冰冻线的地下水源补充水分而生长。 具有允许毛细管流动的孔隙结构的易霜冻土壤的存在对于在冰透镜形成时向其供水至关重要。

由于孔隙中限制液体的 Gibbs-Thomson 效应，土壤中的水可以在低于水的整体冰点的温度下保持液态。 非常细的孔具有非常高的曲率，这导致液相在这种介质中在有时比液体的整体凝固点低几十度的温度下热力学稳定。 这种效应使水可以通过土壤渗透到冰晶状体中，从而使晶状体生长。

另一种输水效应是在冰晶状体表面以及冰和土壤颗粒之间保留了几个液态水分子层。

导致表面预熔的相同分子间作用力导致正在形成的冰晶状体底部的颗粒尺度上出现冻胀。 当冰在细小的土壤颗粒周围预融化时，由于围绕颗粒的水薄膜的融化和重新冻结，土壤颗粒将在热梯度内向下移向温暖的方向。 这种薄膜的厚度取决于温度，并且在颗粒较冷的一侧更薄。

水在大块冰中的热力学自由能比在过冷液态时的热力学自由能低。