1. 冻土的概念
冻土(frozen ground)是指在气温寒冷的地区，含有冰的土层或岩层。如果土层的温度很低，但不含冰，这种土层称为寒土(cold earth)。在高山和高纬度地区，气候寒冷，但降水少，在地表不能形成冰川，由于土层或岩层的年散热量大于年吸热量，使土层或岩层的温度降低，其内部的水就结冰，将土层中的碎屑颗粒冻结在一起，或岩层中的水冻结，形成冻土。因此，冻土并不只是冻结的粘土层，还包括冻结的砂层、砾石层以及基岩表层中裂隙水冻结层等。
按照冻土在不同季节中的变化，可分为多年冻土(permafrost)、季节冻土(seasonal frozenground)和瞬(短)时冻土(instantaneous frozen ground)。多年冻土也称永久冻土，就是冻土层多年都不被融化掉，它们主要分布在高纬度和高山地区，如青藏高原的多年冻土(图6-20)。季节冻土是指在冬季时土层中的水冻结，形成冻土，而在夏季冻土中的冰又融化掉，它主要分布在中纬度地区，如我国长江以北到东北地区(图6-20)。瞬时冻土只是在短暂时间存在，如冬季的夜间土层表层形成冻土层，而到了白天土层中的冰就融化掉，冻土消失，在我国分布在长江以南地区。在多年冻土中，按照冻土的连续性，又可分为连续多年冻土(continuous permafrost)和不连续多年冻土(discontinuous permafrost)。连续多年冻土的冻结层厚且连续分布，而不连续多年冻土的冻结层较薄且不连续，冻结层之间为融区，所以这类冻土又称岛状冻土(permafrost island)或片状冻土。
图 6-20 中国冻土类型及其分布(据童伯良、周幼吾等，1975; 转引自曹伯勋等，1995)
冻土的形成受气候、岩性、地层、含水性、地形、植被、地下水运动等因素影响。对于多年冻土而言，年均气温要低于0℃，而季节冻土则是冻结季节气温低于 0℃。土层的隔热性能越好，越利于冻土的形成，因此土层越细、有机质含量越高、含水越多，越容易形成冻土。阴坡比阳坡，缓坡比陡坡，平地比山坡，都容易形成冻土。植被覆盖能起到保温作用，因此有植被覆盖的地区比没有植被覆盖的地区冻土发育，所以在高原或高寒地区，草原和草甸的破坏都会影响到冻土厚度的变化。地表流动的水体对冻土的形成也有影响，常会在河床的下面形成融区(talik)。
图 6-21 冻土的两层结构及其变化(据杨景春，1985)
2. 冻土的结构与分布
多年冻土在剖面上可划分为两层结构，上面为活动层(active layer)，下面为永冻层(permafrost layer)(图6-21a)，也称多年冻层(ever-frozen layer)。活动层随季节而变化，冬季冻结，而夏季融化。活动层的厚度取决于冻土区的夏季气温、土层岩性、植被覆盖、透水性等。活动层厚度的变化对工程影响非常大，在冬季由于冻结而膨胀，地面鼓起，而在夏季因融化地面下陷，这将导致地面构筑物的变形或破坏。永冻层终年不融化，其厚度从数米到数百米。如果今年是一个暖冬，活动层再冻结时深度达不到永冻层的顶部，那么在永冻层与冬季冻结层之间存在一层未冻结的融区(图6-21b); 如果翌年的夏季凉爽，融化深度又小于头年冬季的冻结深度，那么在活动层中的下部留下一层冻结的隔年层(pereletok)(图6-21b)。
冻土的分布具明显的纬向性和垂向性，纬度和海拔越高，冻土越发育。从冻土厚度来看，从低纬度到高纬度，从低海拔到高海拔，它是增厚的(图 6-22 及图 6-23)。如祁连山北坡海拔4000m 处冻土厚100m，到海拔3500m 处厚度减到22m。中国西部各山地随着纬度的增加，冻土发育的下限降低(图 6-23)，在昆仑山为 4400 ～4300m，祁连山为 3800 ～3500m，到天山降到 2500m，而阿尔泰山只有 1100 ～1000m。在冻土类型上，由南向北，从低到高，依次出现瞬时冻土、季节冻土、不连续多年冻土、连续多年冻土。
图 6-22 北半球多年冻土类型及厚度分布图(据 B. J. Skinner and S. C. Porter，1994，修改补充)
图 6-23 中国多年冻土发育下限海拔高度和厚度分布图图中数字为冻土厚度
冻土中的冰可分为三种类型: 一是胶结冰，主要在冻土的表层，是碎屑颗粒间的吸着水、薄膜水冻结而成; 二是分凝冰，一般位于胶结冰的下面，是由于冻土层中的一些小冰粒或冰块，使其周围的水汽压减小，水分子就向冰粒或冰块聚集，造成冰粒或冰块长大而形成的冰; 三是构造冰，它是由于冻土层的冻裂，水充填到裂隙中形成的冰，这种冰也会不断地生长并挤压冻土层，造成冻土层的变形，形成一些冻土地貌。
3. 冻融作用
冻融作用(freeze-thaw action)是冻土区一种比较特殊的作用，也是冻土地貌形成最主要的动力。冻融作用是指在气温周期性(有年内和年际)变化的影响下，土层中的水反复冻结和融化，造成土层的膨胀、开裂、变形、扰动、流动等复杂变化，形成一系列的冻土地貌和次生构造的过程。冻融作用有两个过程，开始是土层中的水冻结而产生膨胀的挤压作用，可使地表和地下土层发生变形; 其次是冻土层的融化过程，由于在冻结过程中造成冻土层中水分增加，所以在融化时，土层含水量高而变得湿软，容易塑性流动。冻融作用的强弱与活动层的厚度、气温变化的幅度、土层中的含水量有关，在土层中含水量高、温度变化幅度大的地区，冻融作用强。