裂隙岩石的化学渗透与应力耦合过程的长期行为研究是岩石力学领域国际最前沿的课题之一,也是核废物地质处置、能源地下储存、二氧化碳地质封存、地热开发、石油开采以及坝基、边坡、硐室等众多与水相关的岩石工程的基础性研究课题之一,具有十分重要的科学意义。　　 本文以我国核废料处置库候选场址之一的甘肃北山花岗岩为研究对象,通过一系列单裂隙花岗岩试件的化学溶液渗透-蠕变耦合过程试验,揭示化学溶液在渗透压和蠕变荷载耦合作用下花岗岩裂隙面的形貌、开度、变形、微观结构、矿物成分等的演化机理和规律,在此基础上建立反映其化学动力学机制的模型和方程,提出考虑此机理和模型的细胞自动机数值模拟方法,实现裂隙花岗岩化学-渗透-蠕变耦合过程的数值模拟。论文的主要成果如下:　　 1、开展了围压10MPa下干燥、蒸馏水及pn2酸性Na2SO4溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩试验。试验结果表明:与干燥试件相比,蒸馏水和化学溶液浸泡后的花岗岩三轴抗压强度分别降低了19％和7％,造成这种现象的因为可能与岩石试样本身的差异性,以及溶液环境中水的活度与H+’的活度之间的相互竞争有关；酸性溶液中SiO2浓度的增加速率大于蒸馏水；酸性溶液作用下的花岗岩矿物表面观察到明显的沿解理边缘发育的溶蚀空洞。　　 2、开展了单裂隙面花岗岩在围压10MPa,偏压150MPa(裂隙面平行轴压),渗透压1MPa作用下的化学-渗透-蠕变过程试验。试验结果表明:(1)无论是试件是受蒸馏水还是化学溶液(pH2,Na2SO4,0.01mol/L)渗透作用,随着时间的增加,试件侧向变形不断增加,轴向变形逐渐趋于稳定。这是由于水对裂隙面的物理软化效果使得试件整体变形的各向异性程度加剧；(2)在偏应力作用下,溶液渗透与裂隙表面矿物发生了明显的溶解反应,Al3+及SiO2浓度随时间显著递增。扫描电镜下观察到长石、石英表面的溶解蚀坑及云母溶解后的不完整解理；(3)酸性溶液渗流情况下裂隙的水力开度随时间减小,最终趋于稳定。蒸馏水渗流情况下的水力开度先增加后稳定。造成此种不同变化规律是水岩化学反应及水力通道贯通两种因素相互竞争的结果。(4)蒸馏水或化学溶液作用后,花岗岩裂隙面的JRC都明显降低,后者的降低幅度比前者大但作用时间要长,最终裂隙表面都趋于平缓。　　 3.对比溶液浸泡后的三轴压缩试验与化学-渗透-蠕变耦合过程试验中的二氧化硅释放浓度及矿物微观形貌,发现:(1)150MPa偏压蠕变作用下二氧化硅矿物的溶解速率明显高于无应力作用的情况,这是因为应力作用增强了矿物的溶解能力。(2)从微观形貌的改变上看,两种情况下,矿物的溶解均存在沿解理发育的现象,但应力作用时,在矿物光滑表面还存在明显向内部发育的溶解蚀坑。　　 4、阐述了岩石的应力与化学相互作用机理,及其对渗流场的影响规律。提出了如何建立应力状态与化学反应动力学速率之间联系方式的研究思路,以更好描述应力作用下的矿物溶解机理。理论分析表明:应力的分布影响岩石的优先溶解区域,应力成为矿物溶解作用的直接驱动力,由此形成的化学势差推动水岩反应不断进行。与此同时,化学作用使得岩石表面的细观形貌发生改变,局部的应力分布及大小也随形貌的变化而改变,进而影响化学反应发生的位置及进程。因此,岩石的应力状态与化学反应是一个因循反复,相互依存的关系。　　 5、以Gibbs函数变为桥梁,通过引入应力作用下矿物活度的表达式,建立了试验所用北山花岗岩中四种主要矿物在应力作用下的动力学方程,从速率方程的表达式上证明了应力作用加速了矿物的溶解反应。　　 6、为了考虑裂隙花岗岩在干燥、蒸馏水及化学溶液渗透等情况下轴向及侧向蠕变行为,提出了考虑蒸馏水及化学溶液渗透作用的各向异性黏塑性系数张量,建立了三维黏塑性细胞自动机更新规则,开发了岩石蠕变过程模拟的三维黏塑性细胞自动机模拟系统EPCA3D-EVP。用该方法实现了单裂隙花岗岩化学-渗透-蠕变过程的变形规律模拟,其结果与试验曲线吻合较好,表明该方法能够有效的对裂隙花岗岩的蠕变行为和渗透性进行模拟。