良好的生态环境是可持续发展的重要条件,随着经济社会的迅猛发展,出现了一系列环境问题。其中,土地环境的治理和改良受到广泛关注。微生物诱导矿化技术是一种环境友好型土体改良技术。对微生物矿化土壤的材料力学特性开展系统深入研究,具有重要意义。本文从微生物诱导碳酸钙矿化生物反应动力学过程控制与优化、生成矿化物的微细观力学特性测试、微生物诱导碳酸钙矿化技术改良土体材料力学强度的微细观成因机理、微生物诱导矿化技术胶结砂土材料的强度可靠性分析等方面开展了广泛深入的研究。主要研究内容和结果如下:1、以巴氏芽孢杆菌为培育菌种,通过生物化学反应动力学进程控制,优化试验工况。以诱导生成碳酸钙的有效生成率为指标,设计正交试验,分析了影响因素的敏感性。研究了10-60℃矿化环境温度下诱导生成矿化物材料特性。结果表明:（1）低浓度营养盐、低接种量菌液比高浓度营养盐、高接种量菌液中诱导生成碳酸钙反应速率高,可以更快完成碳酸钙沉淀过程;（2）环境温度对诱导生成碳酸钙的形貌、物相、晶体结构、晶体颗粒尺寸、表面能有较大影响。（3）极差分析和方差分析结果显示,微生物诱导生成的碳酸钙影响因素主次顺序为:菌液接种量>矿化时间>营养盐浓度。优选组合方案为:20-30℃环境温度,菌液接种量1%,营养盐浓度50%,矿化时间达到24h。2、测试了微生物诱导矿化时间为1、2、3、4、5、6天的纳米硬度和30℃的20N荷载干摩擦环境下擦磨损特性。结果表明:（1）随着时间的增加纳米压痕测试的有效数据点出现增加的趋势,但最大模量没有明显的表现出随着时间的增加而增加的趋势,会在一定范围内波动,模量在35GPa-65GPa之间。（2）30℃环境下微生物诱导生成碳酸钙,20N荷载球往复式对磨5min后摩擦系数较稳定,为0.3。3、制备微生物诱导矿化砂柱,测试其抗压强度,分析了物理参数和矿化时间对微生物诱导矿化砂柱无侧限抗压强度的影响、关联机制以及强度的成因机理。结果显示:（1）反应初期强度迅速增加,随后逐渐稳定,无侧限抗压强度可达到2.38Mpa;（2）随着矿化反应时间的增加,诱导生成的碳酸钙质量逐步增加,试样最高碳酸钙生成率可达24.07%;（3）微生物胶结砂土材料孔隙率显著降低,填充后的试样最小孔隙率可达14.11%;（4）试样中碳酸钙生成率与无侧限抗压强度、孔隙率与无侧限抗压强度间均保持线性关系。（5）试验中三种粒径基质土微生物矿化处理后,粗粒砂土颗粒与颗粒接触处沉积的碳酸钙增强了咬合力,中粗砂土表面均匀沉积的碳酸钙增加了颗粒表面粗糙度,细砂土碳酸钙主要填充孔隙使得材料更加密实,从而微生物胶结后的砂体强度得以提高。4、考虑基质土颗粒级配及颗粒形貌、诱导生成碳酸钙含量比、孔隙分布特征、颗粒间的接触等因素,并依据试验结果进行赋值,建立了微生物诱导矿化砂柱的PFC三维数值模型,模拟了真实载荷作用下微生物诱导矿化砂柱的三轴压缩破坏过程。数值模拟结果和室内试验结果吻合较好。5、针对微生物诱导矿化砂土胶结过程中的不确定性,对三轴压缩条件下的砂柱实例进行不确定性分析。通过实例,以颗粒粒径和砂柱孔隙率为有效影响因子,基于数值仿真结果,建立PCE代理模型,实现了所得砂柱可靠性分析。