凍上
1694年にBeskowが土中の凍結の影響を書き残している。
Taberは、「凍上は氷点下になる前に既に土中にあった水のモル体積が、凍結に伴って膨張する結果として起こる。つまり土中における水の移動は大きな影響を持たない」とする仮説を否定した。
水は、そのバルク凝固点において水から氷に相転移するとき、モル体積が約9%膨張するので、モル体積の膨張によって起こりうる最大の膨張量は9%となるであろう。しかし、その9%の膨張が起こったとしても、氷が土中で水平方向には全く広がる事が出来ず、体積の膨張が全て上下方向に向かうと仮定した場合にのみ、9%の膨張がすべて凍上に寄与できる。Taberは、凍上における鉛直方向の土の変位量は、モル体積膨張によって可能な量よりも、かなり大きくなる場合もあるという事を示した。
氷というものは、液体の状態(水)よりも体積が増える性質があり、この性質は様々な化合物の中でも異質なものである。多くの化合物は液体から固体へ相転移するときに体積が減少する。Taberは、液体の水が土中の凍結面に向かって流れる事を示した。また彼は、凝固すると収縮するベンゼンのような他の液体を使っても、同様の現象が起こる事を示し、ベンゼンでも凍上が起こる事を示した。
これによりモル体積の変化は凍土を鉛直方向に変位させる主な機構ではないと結論づけられた。彼の実験では更に、上方からのみ冷やして温度勾配を作った土の柱の中でアイスレンズが成長する様子を示した。
凍上の対策としては、土中の凍結性を低めることが一つあげられる。 土を砂利に交換する、断熱材をはさむ、防水加工を施すなどと言った風に、土壌の管理をしていくのである。
鉄道においては、枕木の高さを一つ一つ凍上の隆起の程度にあわせて変えるといった、地道な作業がとられていた。
凍上において土が持ち上げられる主な原因は、アイスレンズが成長する事である。凍上の期間中、土を含まない純粋な氷であるアイスレンズが一つあるいは複数個成長し、それが成長する事により、その上に載っている土が持ち上げられる。アイスレンズは、土の中で凍結面よりも深い(つまり地温が氷点よりも高い)所にある地下水源から水が補給され続ける事により成長する。アイスレンズが形成されるには、多孔質の構造を持つ凍上性の土があって毛細管現象が起こり、水がアイスレンズに向かって流れる事が不可欠である。
多孔質の土壌の中に閉じ込められた液体に働くギブス・トムソン効果によってバルク凝固点よりも低い温度の所に形成されつつあるアイスレンズに水が到達する。土中の非常に微細な穴の曲率はとても大きいので、そのような媒体の中ではバルク凝固点より数十度低い温度でも液相が熱力学的に安定でありうる。 水を輸送する別の効果として、アイスレンズの表面、および氷と土壌粒子の間に、原子数個分の液体の水の層が保たれる事がある。1860年にFaradayは、前駆融解(Premelting)した水による凍っていない層について報告した。氷は、それ自身の水蒸気に対して前駆融解し、また二酸化ケイ素と接触しても前駆融解する。