天然气水合物因其储量巨大、燃烧清洁等优势,被认为是一种能够替代传统石化燃料的新型能源。然而,天然气水合物开采可能诱发地层沉降、井筒失稳等工程地质灾害,在实现天然气水合物资源商业化开采之前,必须充分认识天然气水合物藏的力学特性。目前,大多数研究主要关注水合物储层或水合物晶体本身的力学特性,忽略了作为承载大型海洋工程装备的上覆土层(盖层)。上覆土层是指覆盖在天然气水合物储层之上的土层,无论是开采过程中水合物分解导致的储层结构变化,还是在开采过后的水压恢复过程,都会对上覆土层产生扰动,进而引发海底滑坡、平台安全风险等危害问题。因此,本文将重点研究天然气水合物储层上覆土层的力学特性,以期为中国南海天然气水合物开采安全评估提供一定的参考依据。首先,本文对中国南海神狐海域天然气水合物储层上覆土层原状土的基础物性参数进行了详细测量,包含其物化指标、元素含量、物质构成、粒径级配与微观结构等。其次,利用自行研制的水合物高压低温三轴实验仪,开展了针对上覆土层的不排水剪切实验。由于水合物成藏区域蕴含大量的伴生浅层气,会导致沉积层中含气量较高,同时结合获取的原状土样,证实上覆土层各处水饱和度存在差异。因此,本文开展了不同水饱和度和孔隙度条件下上覆土层力学特性实验研究。结果表明:随着水饱和度的增大,上覆土层的破坏强度与弹性模量均减小,且相同水饱和度条件下,随着孔隙度增大,其破坏强度与弹性模量也相应减小。同时,由于不同埋深的上覆土层所受的有效围压不同,会呈现出不同的力学特性,本文开展了不同有效围压条件下,不同孔隙度与水饱和度试样的力学特性实验研究,结果表明:随着有效围压的增大,上覆土层的破坏强度与弹性模量均增大。同样,随着孔隙度的减小,上覆土层的内摩擦角与黏聚力均增大,而在相同孔隙度条件下,水饱和度的增大导致上覆土层的内摩擦角与黏聚力减小。最后,由于海底应力历史原因,上覆土层受到不同荷载作用,大多呈现超固结状态,为探究超固结对于上覆土层力学特性的影响,本文开展了超固结比变化条件下,不同水饱和度试样的力学特性实验研究,结果表明:随着超固结比的增大,上覆土层的破坏强度与弹性模量均增大。相同超固结比条件下,随着水饱和度的降低,上覆土层的破坏强度与弹性模量均增大。