Морозное пучение — вспучивание грунта в условиях его отрицательных температур, вызванное возрастающим присутствием льда и отчасти его термическим расширением. Лёд растёт вглубь грунта, от полуплоскости отрицательных температур или фронта промерзания. Для роста льда требуется трансфер воды, которая поступает к фронту промерзания за счёт капиллярного действия.
Вес вышележащего грунта сдерживает вертикальный рост льда и может способствовать образованию линзообразных участков льда в грунте. Тем не менее силы одной или нескольких растущих ледяных линз достаточно, чтобы поднять слой почвы на 1 фут (0,30 м) и более. Почва, через которую проходит вода для формирования ледяных линз, должна быть достаточно пористой, чтобы обеспечить капиллярное действие, но не настолько пористой, чтобы нарушать непрерывность капилляров. Такой грунт называют «морозоустойчивым». Рост ледяных линз постоянно поглощает поднимающуюся воду на фронте замерзания. [1] [2] Дифференциальное морозное пучение может привести к растрескиванию дорожного покрытия, способствуя образованию весенних выбоин, и повреждению фундаментов зданий. [3] [4] Морозные пучения могут возникать в холодильных камерах с механическим охлаждением и на катках .
От температуры и амплитуда колебаний температуры зависит глубина сезонного промерзания и сезонного оттаивания. При увеличении амплитуды колебаний мощность сезоно-таллого слоя мёрзлого грунта увеличивается. Казалось бы при этом должно возрастать и пучение за счёт роста связанной воды в нижней части сезонно-мерзлого слоя, однако на самом деле увеличение промерзания нижнего слоя приводит к снижению степени его напряжённого состояния на уровне активного выделения льда (то есть, у фронта промерзания) и это приводит к уменьшению пучения грунта.
Зато такие факторы, как снежный покров или вообще любой фактор, который уменьшает скорость промерзания (падение температуры снизу вверх, градиент температуры), усиливают пучение. Это происходит потому, что при быстром промерзании значительная часть влаги замерзает на месте, а медленное промерзание даёт возможность большему количеству связанной воды постепенно достигать фронта промерзания. Может показаться, что чем больше глинистых частиц, тем больше связанной воды и тем активнее происходит пучение. На самом же деле наиболее активное пучение протекает в пылеватых суглинках и пылеватых супесях, они на первом месте. В тяжелых суглинках и глинах пучение идет хуже, так как там меньше путей миграции (они более плотные). Каолиниты (группа глинистых минералов) создают большое число агрегатов и пор и, как следствие, возрастает количество связанной воды, которая замерзает при более низких температурах.
Игольчатый лед представляет собой продукт морозного пучения, происходящего в начале сезона заморозков, до того, как фронт промерзания по мере движения вниз не вскрыл той почвы, которую можно было бы поднять в результате морозного пучения. [5]