黏土矿物是地球浅表沉积物中最丰富、分布最广的矿物,常见的黏土矿物包括高岭石、蒙脱石、伊利石等,它们是组成黏土岩和土壤的重要成分。蒙脱石作为一种典型且常见的黏土矿物,分析蒙脱石的吸水膨胀特征和结构强度特征,研究其物理力学性质,对于解决在岩土工程应用中出现的力学问题具有重要意义。本文以蒙脱石为主要研究对象,首先在不同温度和压力耦合作用条件下,对Na-,K-,Ca-蒙脱石晶层间吸附不同水分子的过程进行分子力学和元动力学的模拟分析工作,分析层间距随含水量的变化关系以找出蒙脱石膨胀的影响因素和内在机理,得到粒子间径向分布函数以分析蒙脱石水化的结构特征,计算不同温度、压力及含水量条件下层间阳离子和水分子的扩散系数以分析蒙脱石层间物质的动力学特征。研究发现,蒙脱石层间距增大主要由吸水膨胀引起,温度升高会轻微增大层间距。层间水分子都聚集在阳离子周围形成两层较明显的水化层,其中,Ca2+聚集水分子的能力明显大于Na+和K+,所以Ca-蒙脱石表面聚集水分子的几率比Na-蒙脱石和K-蒙脱石更低。蒙脱石的水化程度增大、温度升高、压强降低,都会引起层间物质的活动性更强。采用分子动力学方法对Na-蒙脱石、K-蒙脱石和Ca-蒙脱石模型进行拉伸和压缩模拟,研究不同温度和水化程度对蒙脱石力学性能的影响,通过对蒙脱石晶体的有限变形得到弹性常数张量,进而计算蒙脱石多晶体的平均弹性模量。研究发现Na-蒙脱石力学性能对温度和水化程度具有依赖性,且x、y、z三个方向的弹性性质表现出明显的各向异性。Ca-蒙脱石受水化程度影响小于Na-蒙脱石和K-蒙脱石。采用元动力学计算模拟了吸附不同水分子数的Na-蒙脱石和Ca-蒙脱石到解除吸附水分子的自由能势能变化值,并转化为5%～30%含水率的蒙脱石的基质势能,基质吸力等于负的基质势能值。最后,得到5%～30%含水率的Na-蒙脱石基质吸力在4.2～0.19GPa之间,Ca-蒙脱石基质吸力在4.4～0.0014GPa之间。