Промерзание грунтов сопровождается их затвердеванием вследствие превращения воды, заключающейся в порах, в лед, связывающий минеральные частицы грунта в твердое тело. Чем больше влажность грунта и чем мельче размер отдельных пор в нем, тем значительнее его затвердевание при замерзании.
У скальных невлагоемких грунтов твердость при замерзании не увеличивается; у песчаных и крупнообломочных грунтов, залегающих выше уровня грунтовых вод, она повышается незначительно; глинистые же влагоемкие грунты при замерзании приобретают твердость, приближающуюся к твердости скалы. С понижением температуры предел прочности мерзлых грунтов увеличивается.
В замерзшем состоянии грунты сопротивляются динамическим воздействиям значительно лучше, чем статическим.
Характер и глубина промерзания грунтов. На поверхности грунта температура близка к температуре наружного воздуха, на глубине всего лишь 10—20 см она резко повышается, на ‘/з глубины промерзания повышается уже в несколько раз, а на глубине 1 м обычно не бывает ниже —2 — — 3° (при температуре 0° на глубине 1,6—1,8 м). По мере заглубления температура грунта, резко изменяясь в верхних его слоях, плавно приближается к 0°.
Вода, находящаяся во взаимодействии с частицами грунта, по своему физическому состоянию существенно отличается от воды вне грунта. Температура замерзания грунтовой воды зависит от степени связанности ее с минеральными частицами грунта (взаимного притяжения и давления в капиллярах грунта), а также от наличия в ней растворенных солей (последнее в большинстве случаев практического значения не имеет).
Первые кристаллы льда в грунтовой воде (начало замерзания) появляются при температуре —0,1°, а замерзание грунта, по материалам различных исследований, происходит при температуре — 0,6° и даже ниже. Влага в грубодисперсных грунтах (пески,супеси и пр.) замерзает при температурах, более близких к 0°, чем и мелкодисперсных (глина, лёсс). Объясняется это тем, что поры во втором случае более мелки, силы капиллярного и молекулярного притяжения в частицах воды, заполняющих эти поры, соответственно значительно больше, а значит, при прочих равных условиях для промерзания нужны более низкая температура и длительный срок. Замерзание грунтовой влаги зависит и от степени влажности грунта: чем она меньше, тем ниже температура его полного замерзания.
В грунте при отрицательной температуре одновременно могут держаться кристаллы льда и влага в переохлажденном состоянии.
Рис. 1. Характер промерзания и оттаивания грунта и колебания уровня грунтовых вод.
а — начало замерзании грунта; б — залегание устойчивого снегового покрова; в — начало оттаипяпия с дневной поверхности; г — начало оттаивания нп границе промерзания; д — полное оттаивание мерзлого грунта
Промерзание грунтов (рис. 1 ) обычно происходит сначала на глубину 20—50 см и приостанавливается после выпадения снега. При этом глубина промерзания может из-за оттепелей колебаться около какого-то сродного уровня.
В январе с наступлением больших морозов, промерзание продолжается, достигая своего максимума в южных районах к концу февраля, в средних районах в марте, в северных районах к апрелю. Промерзание грунта вглубь продолжается даже и тогда, когда на его поверхности наступает оттаивание.