水化学溶液广泛存在于岩体工程中,并使岩石的物理力学性质发生劣化,如强度降低、裂隙发育,尤其在工业化快速发展的当今,河流污染、酸雨等环境问题更加剧了岩石的劣化程度,这给岩体工程的正常使用和运行埋下了安全隐患,因此研究化学与力学耦合作用下的岩石力学性质具有重要的工程意义。岩石的宏观力学性质受其微观结构的控制,大多数岩石在微观上都具有以下特征:(1)由矿物颗粒及颗粒间的结晶或胶结连接组成;(2)内部含有大量微缺陷。这些特征使得岩石处在水化学环境时,化学溶液会通过岩石的裂隙和孔洞等缺陷进入到内部,并与岩石的活性矿物成分发生反应,削弱颗粒间的连接或腐蚀矿物颗粒,改变岩石的微观结构,随着化学反应的不断进行,颗粒间的连接作用愈发变弱,从而导致岩石的腐蚀劣化程度不断增加。本文以钙质胶结砂岩为例,从微观角度出发,主要分析砂岩在酸性环境下损伤劣化的机理和化学腐蚀前后微观结构的变化,介绍了一种可以通过改变黏结接触的参数来定量模拟岩石随时间变化的化学腐蚀过程的颗粒流数值模拟方法,以期通过数值试验代替室内试验来研究岩石在化学溶液中的损伤劣化效应。主要的研究内容和成果如下:(1)根据已有室内试验资料归纳分析了水化学作用对砂岩的损伤劣化和对其微细观结构变化特征,从物理化学的角度分析了砂岩劣化的原因,给出了砂岩劣化的化学动力学分析,将砂岩颗粒间可溶胶结物的溶蚀流失作为砂岩水化学损伤的主要原因,并基于胶结物的化学反应速率定量统计了砂岩在化学腐蚀过程中的溶蚀量。(2)结合砂岩在腐蚀过程中微细观结构的变化,选择出适合模拟岩石化学腐蚀的颗粒流离散元法和平直节理接触本构模型,并将砂岩的化学腐蚀过程等效为砂岩中矿物颗粒间可溶胶结物不断溶蚀的过程,进而转化为颗粒流中颗粒间的黏结接触尺寸不断减少的过程,通过该方式将化学腐蚀引入到离散元中,并基于可溶胶结物的溶蚀速率推导出了水化学作用下颗粒流中半径乘子的计算公式。(3)根据室内腐蚀试验,建立校准的离散元模型,并将水化学作用下参数半径乘子的变化规律添加到颗粒流的平直节理黏结接触上,用数值试验成功模拟分析了钙质胶结砂岩的化学腐蚀与宏观力学性能劣化的过程并与室内腐蚀试验进行了对比。(4)结合颗粒流中化学腐蚀的引入过程,对模拟过程可能有影响的细观参数进行了参数敏感性分析,并利用接触黏结强度和接触弹性模量同样模拟再现了砂岩在水化学溶液中的损伤劣化过程。