岩土工程领域广泛存在着多场耦合的物理化学过程,譬如固体颗粒场、渗流场、温度场以及化学场。结合岩土体矿物成分多、空间结构随机性高等特征,岩土工程中多场耦合过程呈现出了跨尺度、非线性、非平衡的特点。因此合适的计算方法对研究多场耦合的重要性不言而喻。最近的研究表明格子Boltzmann方法(LBM)以其耦合能力强、计算稳定性高、能打破传统流体力学方法(如基于Navier-Stokes方程的流体力学方法)连续性壁垒的特点被广泛应用于各个学科领域多场物理化学耦合反应过程的模拟。基于LBM的上述特点,本文以岩土工程学科中的岩土体冻融、泥石流、岩土体溶蚀等问题为背景,在前人研究的基础上,提出了适用于冻结相变、流固耦合、化学溶蚀反应的LBM模型,从介观角度深度研究和探索了集固体场、渗流场、温度场以及化学场于一身的饱和砂土冻结过程,颗粒流过程以及岩土体裂隙渗流溶蚀过程。本文的主要贡献如下:(1)针对岩土工程中的岩土体冻融问题,通过模拟孔隙率为0.4,0.45和0.5的饱和砂土冻结过程,发现冻结过程受孔隙率和冻结源位置的双重影响,整个冻结过程可以归纳为三个阶段:非冻结阶段、部分冻结阶段和完全冻结阶段。当冻结位置远离冷源时,孔隙率将主导饱和砂土的冻结,否则,热梯度将主导饱和砂土的冻结。在前一种情况下,阻水效应控制着整个冻结的进展;在后一种情况下,热力梯度对冻结过程的控制更为明显。(2)大量的研究表明,连续的流固耦合方法难以捕获颗粒水平上的不均匀性影响,譬如力传递、力链的分布特点。这种现象的产生原因是微结构效应,而LBM-DEM耦合方法恰恰能够模拟出这些微结构效应。针对岩土工程中的滑坡、泥石流问题,利用带有曲面动边界法YMS模型的LBM-DEM方法计算了颗粒、流场的耦合物理作用。分别模拟了单颗粒自由落体运动、Couette流中的单颗粒运动,粘性流体中的颗粒沉降运动以及粘性流体中的多颗粒坡体滑动。这些模拟捕获到了颗粒尺度的个体表现,为更好的了解致密颗粒流流变学和连续模型局限性做出了贡献。模拟发现群体颗粒的滑落过程中大量夹杂着表面颗粒跳动的个体特性,这个现象受制于斜坡的初始状态,密度,流体的粘性和斜坡微结构的空间分布特点。(3)针对岩土工程中的岩土体裂隙渗流溶蚀问题,模拟了岩土体单裂隙、裂隙网中渗流速度、反应速率、浓度扩散强度、岩土矿物成分等众多因素交叉影响下的渗流溶蚀过程。通过对不同流速和反应速率环境下的岩土体进行溶蚀模拟发现,流体流速快、反应系数大的情况下,可溶矿物的溶蚀呈现出了垂直溶蚀的特点。流体流速慢、反应系数小的情况下亦然如此。然而当流体流速慢、反应系数大的情况下,呈现出水平溶蚀的特点。本文模拟的算例显示出,流速是影响岩石溶蚀速率的主导因素。接着研究了不可溶矿物对岩土体溶蚀的影响。分析发现,决定最大流速的主要因素是最小机械隙宽。不可溶矿物垂直生长的岩石相比于水平生长的岩石,其最小水力隙宽大。且水平生长的不可溶矿物导致微孔隙中漩涡的增长加剧,从而引起微通道流速的降低。所以不可溶矿物垂直生长的岩石最先溶蚀完成。最后分别模拟了有、无不可溶矿物粗糙裂隙网岩体的溶蚀过程,分析发现两种情况下的岩土体溶蚀都会出现虫洞现象。但无不可溶矿物的岩石裂隙会形成较大的偏流效应,偏流效应与虫洞现象同在且互相促进,因此虫洞现象更明显。