能源是人类赖以生存和社会经济发展的重要物质基础。在全球能源转型的大背景下,天然气水合物（以下称水合物）因资源丰富,分布广泛,储能高效和清洁燃烧等,被认为是21世纪最具开发潜力的战略替代性能源之一,在国际上受到广泛关注。然而,海底水合物的开采会劣化其储层的力学性质,威胁钻井平台、破坏开采井甚至可能诱发生态环境和地质灾害,如加剧温室效应、触发海啸和地震等。因此,有效确定含水合物沉积物的工程力学特性并厘清其在开采扰动下的演化规律是实现工程-地质-环境风险可控的重要前提。本文围绕天然气水合物开采中含水合物沉积物关键的相平衡和力学特性问题,开展了室内试验与理论分析研究,得到以下研究成果:（1）基于低场核磁共振技术,测定和分析了沉积物内甲烷水合物分解过程中组分含量和分布的时变特性,并提出了水合数宏观平均化的确定方法。结果表明,小孔隙中水合物优先于大孔隙中水合物分解,与其赋存环境的热力学势能有关;本研究所考虑的试验因素（包括初始气压、密实度、初始水饱和度和含盐量）对沉积物内分解过程中甲烷水合物的水合数基本没有影响。（2）采用恒容分步加热法对宽孔径分布沉积物中甲烷水合物的相平衡条件进行测试,探究密实度、初始含水量、细粒含量及含盐量诸因素对甲烷水合物相平衡条件及未合水的影响规律。结果表明,在P-T平面上,孔隙甲烷水合物相平衡条件依赖于试验初始条件,但若体系中可溶盐的质量固定时,温度偏移量和未合水之间存在唯一性。无盐砂土和细粒土试样的水合特征曲线独立于干密度的内在原因不同。前者归因于未合水热力学势能基本不受孔隙结构效应的影响,而后者可归因于未合水受吸附效应控制。对于砂土试样,在已知无盐试样的相界时,无需额外引入其它参数,广义相平衡模型即可较好的表征未合水与温度偏移量之间的关系;而对于细粒土试样,含盐量对基质吸力的影响在模型预测中应给予考虑。（3）采用富气法和霜种子法在细砂中合成甲烷水合物,探究了驱水饱和对含水合物砂土纵波波速和力学特性的影响规律。结果表明,水合物赋存对含水合物砂土试样的波速、强度和应力应变曲线的影响程度取决于饱和条件、水合物合成方式以及水合物饱和度。驱水饱和含水合物砂土试样将退化水合物的胶结特性,其程度取决于制样方式和水合物饱和度。基于孔隙尺度的分析与讨论,证实了霜种子法+驱水饱和的组合方式制备海底富水环境下含水合物砂土试样的可行性和高效性。（4）采用富气法在非饱和重塑细粒土中合成甲烷水合物,通过一系列等向压缩和三轴压缩试验,探究了含水合物沉积物的关键力学特性。结果表明,随着水合物饱和度的增加,回弹指数减小,屈服应力线性增大,压缩指数与水合物饱和度基本无关。含水合物细粒土在低净围压和高水合物饱和度下呈现为应变软化,但其总体上表现出应变硬化行为。水合物增强试样刚度和强度的程度以及水合物对剪胀曲线的影响程度取决于所施加的净围压。基于试验结果,建立能考虑细粒土中净围压致使水合物胶结损伤的强度模型和能表征其剪胀特性的数学表达式。（5）降压诱导水合物分解使得其强度呈指数型衰减,其衰减幅度依赖于初始水合物饱和度和分解程度。部分分解的含水合物沉积物试样的强度明显低于具有相近水合物饱和度的未分解试样的强度。这些结果可归结于在颗粒接触处胶结特性的水合物形成、损伤或退化以及土的吸力降低所致。基于广义相平衡模型,通过考虑未合水含量的演化,在宏观上建立了能考虑水合物相变-力学耦合效应的强度模型。