На мёрзлые земли приходится около 50% площади суши Земли. Поверхностные почвы подвержены процессам промерзания и оттаивания в холодных регионах.
Изменение объемного содержания размороженной воды или объемного льда в почвах во время процессов замораживания и таяния может напрямую определять морозостойкость и таяние осадков инженерных сооружений холодных регионов.
Морозостойкость и таяние осадков, вызванные сменой водно-ледниковой фазы во время процессов замораживания и оттаивания, оказывают серьёзное влияние на стабильность инфраструктуры в холодных регионах.
В процессе промерзания прочностные свойства промерзающего грунта, также изменяются с содержанием размороженной воды.
И учёные предложили много масштабную модель гомогенизации на основе трёх отдельных фаз материала, таких как: фазы твёрдых частиц, фазы кристаллического льда и фазы жидкой воды она полезна для прогнозирования прочности промерзающих грунтов.
Хорошо известно, что содержание размороженной воды тесно связано с температурой почвы в процессе замораживания и оттаивания. До настоящего времени было проведено множество исследований учёными для изучения связи между содержанием незамерзшей воды и температурой почвы в процессе промерзания. Точка замерзания системы почвенно водных ресурсов является важным показателем того, замерзла она или нет, что было предметом озабоченности многих исследователей.
Однако вода может сохраняться размороженная даже ниже точки замерзания, а размороженную воду ниже точки замерзания называют переохлажденной водой, которая является метастабильным состоянием.
Метастабильное состояние закончится, когда ядра льда образуются и тонкие пластинчато подобные кристаллы дендритного льда вырастут в переохлажденную область воды, а затем температура воды вернется в точку замерзания. Фактически, вода в почве или других материалах также имеет явление переохлаждения.
Процесс охлаждения системы грунта и воды обычно можно разделить на три этапа: размораживание, замораживание свободной водой и связанное замораживание водой.
При температуре спонтанного зарождения ниже точки замерзания, эмбриональные ядра формируются и растут до критического размера, и кристаллизация начинается, а затем в точке замерзания вода начинает замерзать, а точка замерзания обычно ниже нуля градусов в системе почве и воды.
В связи с эффектом переохлаждения, температура не может рассматриваться как единственный фактор, определяющий, находится ли почвенная вода в замерзающем состоянии.
Кроме того, в процессе замораживания вода всё ещё может оставаться незамерзшей, поскольку температура замерзания грунтовой воды уменьшается под действием адсорбционных сил и растворенных ионов.
Поэтому при промерзании грунтов необходимо учитывать влияние переохлаждения и понижения температуры замерзания на характеристики грунта и воды.