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天然气水合物是由气体（主要为甲烷）和水在高压和低温条件下形成笼形结晶化合物，主要要分布于深海和永久冻土区等。由于其储量丰富，可以作为一种潜在的战略储备能源。水合物的不当开采和气候恶化会诱导含水合物地层中水合物的分解，诱发海底滑坡、海底大规模沉降等地质灾害，威胁海洋钻井平台、海底管线等一些构筑物的安全。因此对含水合物地层的稳定性评价显得尤为重要。
在评估含水合物地层的稳定性体系中，含天然气水合物土的本构关系是一个亟待解决的问题。含水合物土的本构关系主要有三个核心本构:一是含天然气水合物土的水合物相平衡关系模型;二是含天然气水合物土的应力应变关系模型;三是含天然气水合物土的土水特征曲线模型。土水特征曲线模型在非饱和土领域已经取得了很好的研究成果，这里可以借用。但是前两个模型并没有得到很好的解决。
为了解决以上两个核心问题，本文尝试性的采用多孔介质理论作为理论框架，以试验揭示土的孔隙孔径分布对相平衡的影响机制和水合物与土颗粒相互作用机制为前提基础，进行了一些工作并且得出相应的结论:
(1)第一部分基于多相孔隙介质热力学理论，在特定的特征尺度内把含天然气水合物土中各相视为连续介质体，利用质量、线动量和能量平衡方程，采用热力学第二定律进行约束，推导出了含天然气水合物土的状态方程和能量耗散不等式。并且针对于平衡状态给出了各种本构关系的理论基础，为建立含天然气水合物土的相平衡模型和应力应变本构模型提供了理论背景。
(2)第二部分利用粉土作为水合物赋存介质，在粉土中形成和分解了CO2水合物，并且测得了粉土中CO2水合物的相平衡条件。试验结果表明:水合物的形成分为诱导期和生长期，诱导期的存在是由于水合物的形成需要经过一个能态较高的过渡状态，达到这个过渡状态需要过冷和过压条件;粉土干密度对相平衡条件存在不同程度的影响，并且随着水合物的分解过程，真正通过孔隙毛细效应影响相平衡条件的孔径是一直变大的，即粉土对相平衡条件的影响一直变小。
(3)第三部分基于第一部分中含天然气水合物土的相平衡模型的理论背景，根据第二部分揭示的孔隙孔径分布特征对水合物相平衡条件的影响机理，提出了有效孔隙半径的概念，同时假设了赋存介质的孔径分布服从正态分布，建立了水合物饱和度和有效孔隙半径之间的关系。再参考VanderWaals-P-latteeuw修正水合物相平衡模型建模思路和相关参数的计算方法，提出了一个可以考虑孔隙孔径分布的水合物相平衡模型。经过与实验数据的对比，证明了该模型能较为精确的模拟赋存介质中水合物的相平衡模型，并且能有效的考虑孔隙大小分布对水合物的相平衡条件的影响。另外，本章节还对毛细效应项模型参数的选取进行了讨论，认为界面张力取0.0267J·m-2、界面形状系数F=1.5能使模型具有较好的预测精度。
(4)第四部分采用非饱和成样法（A法）和饱和试样气体扩散制样法(B法)两种试验室方法，合成了含CO2水合物的砂土试样，并采用改造过的三轴剪切仪研究了含水合物土的力学特性。试验结果表明:含水合物砂土的强度特征是水合物含量和水合物于砂土中赋存状态联合决定的;随着水合物饱和度的增大，试样的剪胀性越来越明显;通过对A法制得试样的强度参数分析表明:含水合物砂土的粘聚力随饱和度的增大而提高，而摩擦角基本不变。同时针对于试验结果，从微观层面分析了水合物的含量和赋存模式对含天然气水合物土的强度、刚度等力学特征的影响机理，并且提出了含天然气水合物土强度的拟合关系式。
(5)第五部分把含天然气水合物土视为一种复合材料，并且认为水合物赋存于土骨架之上，与土骨架具有相应的变形。以第一部分中导出的平衡状态下含水合物土的应力应变关系模型理论框架为背景，根据第四部分从试验上对含水合物土工程力学特性的分析结论，建立了含天然气水合物土的临界状态本构模型。所提模型把水合物的胶结强度作为内变量引入模型来考虑水合物和土颗粒之间的相互作用，能很好的考虑了水合物大规模整体的解胶结作用引起的强度软化现象，同时在剪胀比函数中也增添胶结强度这一参量使模型能很好描述体胀现象。值得说明的是，虽然所提模型进行了一些简化，但是还是能很好的考虑了水合物赋存模式和水合物含量对工程力学特性的影响，如水合物形成对土的刚度、强度的提高，三轴剪切过程中的应变软化和体胀等力学特性。