微生物固化是一种新型岩土材料加固技术,相比传统物理方法和化学方法具有更加经济、环保、固化效率高和处理效果理想等优势。该技术是通过向岩土材料内部注入巴氏芽孢八叠球菌菌液以及胶结液等液体材料,经一段时间的养护即可把原本松散的岩土材料胶结成为具有一定力学性能、能够满足工程需求的岩土块体。本文以砂土为研究对象,对微生物固化处理的试样开展了一系列室内试验,包括渗透性测试、孔隙率测试、无侧限抗压强度测试、碳酸钙含量测试以及微观结构观测等,系统研究了微生物固化砂土的效果及机理,并分析了胶结液浓度、养护温度以及砂土粒径等对微生物固化效果的影响,确定相关参数的最优取值。此外,本文还创新性地将纤维加筋技术与微生物固化技术相结合对砂土进行改性处理,探讨了两种技术的共同作用机制及优势,掌握了纤维掺量对微生物固化砂土力学性能的影响规律,为今后微生物固化技术在工程中的推广应用提供了理论基础和新的思路。论文是在导师唐朝生教授的国家优秀青年科学基金(41322019)和国家自然科学基金面上项目(41572246、41772280)的资助下完成的。本文的主要研究内容及取得研究成果如下:(1)研究了胶结液浓度对砂土固化效果的影响,结果表明:随胶结液浓度增大,试样抗渗性、无侧限抗压强度以及碳酸钙含量、孔隙填充量均先增大后减小。最佳抗渗性对应浓度为1.3-1.5mol/L,最佳强度对应浓度为1.1mol/L,最高碳酸钙含量和最大孔隙填充量对应浓度为1.3-1.5mol/L。(2)研究了养护温度对砂土固化效果的影响,结果表明:随温度增大,碳酸钙晶体逐渐减小。试样抗渗性、无侧限抗压强度以及碳酸钙含量、孔隙填充量均先增大后减小。最佳抗渗性、孔隙填充量和最高碳酸钙含量对应温度均为30℃。由于温度对碳酸钙晶体尺寸的作用,最佳强度对应温度为20℃-30℃。(3)研究了砂土粒径对固化效果的影响,结果表明:过大或过小的砂土粒径对微生物的固化效果产生不利影响。碳酸钙含量与试样无侧限抗压强度曲线变化随粒径增大均呈先增后减的趋势,最优粒径为中等粒径(D10=0.1、D30=0.34、D60=0.5),而试样的抗渗性和孔隙填充量随粒径增大一直保持递减趋势。(4)通过分析,发现固化后试样孔隙填充量主要取决于碳酸钙的生成量。碳酸钙含量与试样抗渗性、无侧限抗压强度具有较强的正相关关系:碳酸钙含量越高,试样抗渗性和无侧限抗压强度越高。(5)提出的纤维加筋技术与MICP技术相结合的方法,能够显著提高砂土的无侧限抗压强度和残余强度,尤其能够改善微生物胶结砂土原本脆性的缺点,增加破坏时的韧性,这对提高工程结构的安全性和稳定性有积极意义。纤维的“桥梁”作用能有效抑制土样中裂隙的扩展,是微生物固化砂土破坏韧性的得以改善的重要因素,也是导致峰后应力-应变曲线呈现阶梯式下降的重要因素。(6)相同纤维掺量下,纤维加筋钙质砂的强度低于纤维加筋石英砂,但在钙质砂中的综合加筋效率优于石英砂。钙质砂的无侧限抗压强度随聚丙烯纤维掺量呈递增趋势,在纤维掺量为0.4%时达到了最大值0.55MPa,是素土强度的2.8倍。石英砂试样的无侧限抗压强度在聚丙烯纤维掺量为0.1%时达到最大值4.3MPa,是素土强度的1.6倍。相比而言,玄武岩纤维的加筋效果略逊于聚丙烯纤维,玄武岩纤维加筋石英砂土样的最优掺量为0.2%,强度为3.8MPa,较素土大约提高了 1.5倍。