海洋占地球面积的71%,其中蕴藏着极其丰富的海洋资源,如海洋石油资源约占全球总量的34%,因此海洋资源的勘探与开采可以有效缓解现今陆上资源逐渐枯竭的窘境。然而海洋地质灾害多种多样,如海底麻坑、海底滑坡等对钻井平台、海底管道等造成安全隐患,会极大的影响海洋资源的开发与利用。同时近年来频繁的人类活动如海上钻井平台、跨海大桥等工程容易在实施过程中扰动海底含浅层气沉积层,从而诱发沉积层中的高压气体逸出而引发麻坑破坏。一般认为,气体的缓慢移动或剧烈喷逸会不断裹挟沉积层物质,从而导致沉积层力学性质降低,发生变形破坏。鉴于海底气体的存在会产生严重的次生灾害,因此有必要对水下气体致灾进行相关的研究。论文采用室内物理模型试验,采用充气手段模拟海底高压气体(海底浅层气、海底天然气水合物分解等)逸出的过程,从而研究分析海底气体致灾形成过程及形成机理,主要内容如下:(1)充气模拟试验表明,麻坑的形成分为三个阶段,分别为气体积聚阶段、裂隙发展阶段和裂隙扩张阶段。气体积聚阶段是指气体在充入模型内部土体后,气体无法突破上覆粘土封闭层,从而在底部砂土层内积聚,甚至在砂土层和粘土层之间形成空腔;当气体在砂土层中不断积聚,其压力达到可以突破上覆粘土封闭层的封闭压力时,裂隙产生,气体沿着裂隙向上逸出,进入裂隙发展阶段;随着气体不断沿着裂隙逸出,对裂隙周边的土体产生强烈的扰动,土体发生液化,颗粒不断被裹挟离开,裂隙随之扩张,形成稳定的透气通道,麻坑形成。(2)为探究充气前后麻坑周边土体颗粒级配的变化,对模型内麻坑及麻坑周边不同区域采集的土样进行颗分试验,发现麻坑中心区域及麻坑边缘区域的土体颗粒级配发生变化,细颗粒百分比有所降低,但麻坑外部区域的土体颗粒级配几乎无变化,说明麻坑的形成的确与土体颗粒的流失有关。(3)麻坑内原有的土颗粒在气流和水流的共同作用下进入水体,一部分随底流离开,另一部分会再沉积在麻坑两侧。为了验证麻坑形成机理是否完全为土体颗粒流失,测量了麻坑体积、底流吸出土体体积和沉积在麻坑两侧的土体体积,结果表明,麻坑体积与气体压力呈抛物线性关系,初时麻坑体积与气体压力呈正相关关系,达到峰值后,麻坑体积开始与气体压力呈负相关关系。试验中发现麻坑体积与沉积在麻坑两侧土体体积和底流排出的土体体积之和存在一定的差值,且该差值较大,最高的甚至达到了麻坑体积的40%。(4)为研究麻坑形成对周围土体力学性质的影响,采用微型CPT对麻坑及麻坑周边土体进行测试,发现麻坑内部区域和麻坑边缘区域的土体强度均大幅提高,而麻坑外部区域的土体强度提高几乎可忽略不计。(5)为研究充气导致的麻坑两侧土体致密作用,进行了振动致密试验,全程录像,并利用Geo-PIV计算模块捕捉试验图像中像素点变化来分析土体的运动规律,结果表明,麻坑通气通道两侧的土体在气流和水流的共同作用下,产生了向两侧的挤压,类似于振动致密作用。(6)为了探究气体对水下坡体的影响,进行了充气破坏物理模拟试验,试验结果表明,模型内充入气体一段时间后,气体从坡内逸出,坡体产生变形破坏,具体表现形式为麻坑及小规模的滑塌破坏。同时,为了探究气体对模型内部孔隙压力的影响,模型内部预置了孔隙压力计,结果表明,模型箱内土体孔隙压力在气体充入后一共经历了三个阶段的变化:迅速上升阶段、升至峰值后下降阶段、停止充气迅速降低后进入平稳阶段,且充气点附近的孔隙压力响应速度快而显著,随着距离的增加,逐渐减弱。(7)为了探究水下坡体物理模型试验中麻坑的形成机理,通过测量试验中水流速度以及颗粒流理论分析,将土体颗粒在水体中的运动模型简化为泥沙沉降模型,发现当土体颗粒粒径大于0.4mm左右时,颗粒沉降速度大于水流速度,无法被水流裹挟,而颗粒粒径小于0.4mm时,则可以跟随水流运动,从而形成集中性的水流运移通道。