我国是世界上多年冻土分布面积的第三大国,多年冻土与季节冻土区分布面积分别占国土面积的21.5%和53.5%,而高海拔多年冻土面积则居世界之最。我国大量多年冻土地区工程经受着土层冻结的影响,土体的冻结作用不仅缩短了建筑物的使用寿命,恶化了运营条件,而且增加了许多非生产性劳动、材料及投资去运行和维护,影响了这些地区的人民生活和经济建设,严重制约了国民经济的发展。土体冻结的本质是微观水冰相变的物理过程,冻土中液态水迁移是冻土冰透镜体不断增长的源泉。因此,对未冻水含量的研究是研究冻土问题的基础。其中,粘土矿物的晶层结构使其与水密切相关,粘土矿物对冻土性质的影响不容忽略。首先利用核磁共振试验系统,对蒙脱石、伊利石、高岭石在冻结过程中的未冻水含量进行测试,分析了冻结过程中未冻水含量的变化。发现蒙脱石冻结温度最低,伊利石次之,高岭石冻结温度最高。在冻结过程中,蒙脱石未冻水含量缓慢均匀减少,且其未冻水含量在每个负温条件下均高于伊利石和高岭石,伊利石、高岭石中的水的冻结主要集中在0^--2.5℃温度区间,伊利石冻结初期未冻水含量低于高岭石,随着温度的降低,约至-12℃^-20℃高岭石未冻水含量最低,-20℃时的蒙脱石、伊利石、高岭石未冻水含量比值约为1:0.077:0.063。此外,对冻融循环下的滞后效应进行了分析,发现对于同类土,冻结过程中土体含冰量越高,滞后效应越明显。然后利用分子动力学模拟手段,比较了蒙脱石、伊利石、高岭石在常温常压下的结构性质、热力学性质和部分动力学性质的差异。从径向分布函数角度说明了由于层间补偿阳离子与粘土、层间水的水合作用,蒙脱石水化特征表现出了结晶膨胀和渗透膨胀两个阶段;从径向分布函数、氢键数量角度分别解释了伊利石、高岭石为非膨胀性粘土的内在机理:伊利石含水量增加时促进了层间阳离子K⁺与粘土的特殊作用,增强了伊利石的层间联接作用,高岭石层间氢键作用强烈,使得伊利石、高岭石排斥水分子进入晶层间,又氢键作用强于分子间相互作用,高岭石层间结构最稳定,水分子最难进入其中。此外,蒙脱石在高含水量下层间Na⁺离子与水分子的外球络合,以及蒙脱石层间水分子活动性远远高于伊利石和高岭石,都表明蒙脱石在高含水量条件下进一步水化的潜力。通过层间水分子的径向分布函数曲线,发现蒙脱石层间水聚合程度高于伊利石、伊利石层间水聚合层度高于高岭石,含水量为488mg_water/g_clay时蒙脱石、伊利石、高岭石层间水分子的聚合程度比值约为1:0.806:0.790;通过层间水分子的自扩散系数,发现蒙脱石层间水的活动性远远高于伊利石和高岭石,含水量488mg_water/g_clay时蒙脱石、伊利石、高岭石层间水分子的自扩散系数比值约为1:0.060:0.046。这提供了在-20℃时蒙脱石未冻水含量最高、伊利石次之、高岭石未冻水含量最少（未冻水含量比值约为1:0.077:0.063）的分子层面解释:水分子聚合程度越高,活动性越大,冰点越低,水分子越难发生冻结作用,且水分子活动性对冻结过程影响最大。另外,伊利石含水量增加时促进层间阳离子K⁺与粘土的特殊作用,增强了伊利石层间的联接作用,这可能是伊利石冻结初期未冻水含量降到很低时温度才会下降的分子层面原因。该论文有图32幅,表10个,参考文献100篇。