土壤是现代工程中经常遇到的材料。在自然环境中,当温度在冻结点附近变化时,土壤可能会冻结和融化。由于多种原因,即使在低于土壤冻结点的温度下,土壤中仍含有未冻水。由于冻土中未冻水的应用涉及很多方面,例如地源热泵,人工冻结技术,寒冷地区的冻融破坏以及含湿多孔介质冻结,因此对冻土中未冻水的研究非常重要。目前,学者们对不同类型土壤中未冻水的关注较多,但是,对黏土矿物中未冻水的研究,以及从土壤成分对未冻水进行的分析基本没有。因此,有必要对黏土矿物未冻水的变化特征进行深入研究。首先,为了预测黏土矿物中未冻水的变化情况,评价未冻水预测模型对其预测效果,为黏土矿物未冻水预测模型的选择提供依据,对三种典型黏土矿物高岭土、蒙脱土和伊利土在冻结和融化过程中未冻水随负温变化的特征进行了NMR(Nuclear Magnetic Resonance,核磁共振)试验测试,利用所获得的试验数据对最新的未冻水预测模型的有效性进行了分析。结果表明:对黏土矿物冻结特性的预测,Wang模型和Fredlund模型的校正决定系数均达到了0.99,推荐优先使用,Van Genuchten模型和Pham模型均达到了0.93,可以予以使用,指数模型仅为0.72,不推荐使用;对融化特性的预测,Wang模型、Fredlund模型和Pham模型的校正决定系数均达到了0.98,推荐优先使用,Van Genuchten模型和指数模型均达到了0.94,可以予以使用,相比冻结过程而言,指数模型的预测效果有了明显提高;对冻融特性的综合预测,Wang模型和Fredlund模型的校正决定系数均达到了0.99,推荐优先使用,Van Genuchten模型和Pham模型均达到了0.95,可以予以使用,指数模型仅为0.83,不推荐使用。然后,对于未冻水的NMR测试而言,无论是物理过程本身还是试验测试,都存在一定的随机性,因此单次的未冻水测试仅仅是一次统计抽样。为了更好地评价试验测试结果,本文进行了多组蒙脱土融化特性的测试。运用Wang模型对上下包络曲线进行了预测,结果表明:校正决定系数均达到了0.99,能够准确反映未冻水的波动范围。运用整体数据对最新的未冻水预测模型的有效性进行了分析,结果表明:五个模型对整体数据的校正决定系数均达到了0.97,预测效果较好。对未冻水均值和方差进行了分析,结果表明:Wang模型对未冻水均值的校正决定系数达到了0.99,预测较为准确;多项式模型对未冻水方差的校正决定系数达到了0.90,预测较为准确。分析了试验测试过程中未冻水的分布形式,结果表明:未冻水测试服从均匀分布和正态分布,不服从指数分布,给出了各分布的参数并绘制了其概率密度函数图像。最后,为了从成分角度研究黏土矿物对土体融化特性的影响,进行了不同含量的三种典型黏土矿物与砂土混合物融化特性的试验测试。利用所获得的试验数据对最新的未冻水预测模型的有效性进行了分析,结果表明:Wang模型和Fredlund模型对黏土矿物砂土混合物融化特性的校正决定系数均达到了0.98,预测效果较好,其中Fredlund模型更优。分析了黏土矿物对砂土未冻水的影响,结果表明:未冻水含量随黏土矿物含量的增加而增加,变化速率与黏土矿物的种类和含量有关。揭示了黏土矿物对混合物未冻水特征影响的机理,指出黏土矿物的强表面作用和小粒径是造成未冻水含量随黏土矿物含量增加而增加的原因。对黏土矿物砂土混合物的未冻水预测模型进行了修正,考虑了黏土矿物含量的影响,其中模型参数随黏土矿物含量变化的最佳模式与黏土矿物种类有关。本论文有图61幅,表138个,参考文献79篇。