天然气水合物在世界范围内的海洋沉积物和多年冻土中广泛分布,作为储量丰富的清洁能源,有望解决目前的能源短缺问题。水合物的开采不当、气候变化等会引起含水合物储层的水合物分解,造成海底的大规模沉降和海底滑坡等地质灾害,危及海底管线、石油钻井平台等设施的安全。所以对含水合物储层的稳定性评价就显得至关重要。含天然气水合物沉积物的相平衡特性和力学特性是影响含水合物储层的稳定性的重要因素。沉积物的组构、毛细作用、渗透效应、物理化学作用等决定了含天然气水合物沉积物的相平衡特性和力学特性。为了确定含天然气水合物的相平衡和力学特性,揭示组构、毛细作用、渗透效应、物理化学作用等对含天然气水合物的相平衡和力学特性的影响机制,本文采用人工配置的含黏粒沉积物试样,进行了一系列宏微观试验,建立了可以考虑沉积物毛细效应、土体颗粒表面效应等的含水合物沉积物相平衡模型和抗剪强度模型。得出了以下重要结论:（1）为了探究含水合物沉积物的持水及热传导特性,测试得到了含水合物沉积物的特水特征曲线（SWCC）和导热系数结果,试验结果表明:黏土含量越高土体的持水特性越强,基于Brooks-Corey（BC）模型分析土体气相和液相的渗透性;试样的导热性随着含水率增加而不断提高,整体趋势上黏粒含量的增加将会降低土体的导热性。（2）利用低场核磁共振仪,研发了水合物生成和分解过程的监测系统,通过分析核磁试验结果,得到了水合物生成和分解过程中孔隙水分的迁移演化规律,研究结果表明:T2核磁图谱显示水合物生成时先在大孔隙中生成再到小孔隙,分解时则与之相反。水合物生成过程中水合数逐渐降低并趋于稳定,水合物分解过程中水合数基本保持稳定;初始含水率越低则水合数相对较大,初始生成压力越大则水合数越小;黏粒含量的增加,会增大水合物的水合数。引入表观有效活化能?E以及表征水分活性状态的T1 T2二维图谱进行分析讨论,定量的解释了土体颗粒表面水分状态对合成水合物的影响,特别是黏粒对水分状态的影响,表观有效活化能越大、水分活性越低水合物合成的温压条件将更加严苛。（3）通过等容分步升温法,研究了不同初始生成压力、初始含水率、黏土类型及含量试样中孔隙水合物对相平衡状态的影响,试验结果表明:初始含水率越低、初始生成压力越高对应得到的相平衡曲线偏离纯水相平衡线的程度越大;相同的温度条件下,黏土含量越高,黏土成分塑性越强的沉积物试样中水合物的稳定压力越大。基于以上试验结果,在热力学化学势平衡框架内建立了考虑沉积物毛细效应、土体颗粒表面效应、渗透效应等的孔隙水合物相平衡模型,并将之与非饱和土的持水特性关联,建立参数宏观且容易确定的P-T-w关系模型,并拓展建立?T-P-w关系模型。（4）利用自主研发的水合物直剪仪,研究了初始含水率、轴向应力、黏土类型及含量对含水合物沉积物剪切强度的影响,并开展了水合物分解情况下的直剪强度试验,试验结果表明:随着水合物饱和度的增加,抗剪强度不断地增加,摩擦角缓慢的线性增加,黏聚力则指数性增加。相同的初始含水率条件下,含水合物试样的抗剪强度大小趋势为黏土含量越高,黏土成分塑性越强的沉积物试样抗剪强度越低。在非饱和有效应力框架下,建立了同时考虑毛细作用和吸附作用的强度模型,模型物理概念清晰,是满足水合物-液体水-土体颗粒-气体的四相体系的强度模型,适用于水合物分解试样以及含黏粒的沉积物非饱和试样,较好的模拟了不同水合物饱和度下的抗剪强度数据。（5）为了更好地描述含水合物沉积物的应力应变关系,建立了GHBS的双边界面模型,以椭圆屈服面和一条射线为两个边界面,分别采用了径向、偏向映射法则。引入虚峰值应力比反应超固结的影响和土体的应变软化特性。建立的模型考虑了试样在边界面内的塑性变形,可以模拟经历了等向加-卸载后,再加载过程中所产生的塑性变形。基于三轴试验介绍了参数标定的方法,将水合物饱和度与状态参数联系起来,修正了塑性模量和剪胀关系,得到了一个简单的胶结强度演化规律,能够反应剪切过程中屈服面和映射中心的变化。通过与实验数据对比,模型可以较为准确的反应不同水合物饱和度、不同围压、不同水合物赋存条件、含黏粒沉积物的含水合物试样的力学行为。