岩土工程是典型的应用实践学科,长久以来依靠力学、物理和化学手段解决岩土体的有关工程问题,这些手段广泛使用水泥、高分子聚合物等被认为对环境影响较大的人工合成材料与当前倡导的绿色节能发展理念不符。微生物岩土工程是近年来兴起的将微生物技术应用于岩土工程的交叉学科,它利用土壤中的微生物实现岩土材料的性能改变,具有施工扰动小、环境适应性强等特点,并在抗液化处理、防渗、加固、污染治理等方面具备良好的应用前景。微生物诱导碳酸钙技术（MICP）是一项典型的微生物岩土工程技术,其基本原理是利用微生物的矿化作用胶结颗粒、堵塞孔隙达到改善强度、渗透等基本特性的目的,已成为研究者关注的热点课题。目前国内外MICP研究主要集中于单元尺度和模型尺度等宏观试验,微观研究尚不多见,对于MICP微观机制的认识较为欠缺。本文以MICP研究单元体试验为启发,将加固模具缩小到微米尺度,建立相应的加固和微观研究方法,并以此为基础对MICP加固过程中的微观机制开展了系统研究。本文开展的主要工作和所取得的研究成果如下:（1）阐述了微米级管道及孔隙结构的制备流程,提出了管道中充填砂颗粒的方法,构建了MICP加固微尺度模型,实现了双颗粒胶结试样、单层群颗粒胶结试样的制备。在传统微流控技术观测平台的基础上将MICP加固微尺度模型、数据采集和监测控制设备等进行集成形成具备高时空分辨率的微生物加固可视化试验平台。通过高精度注射泵对注浆过程进行控制,荧光技术对细菌进行染色标记,高速相机对碳酸钙生长进行捕捉,完成了微尺度下从溶液中析出矿物到砂颗粒产生胶结的微生物加固全过程监测。（2）基于数字图像处理技术对微生物加固微观过程的观测图像进行深度处理,包括运用景深扩展技术提高图像清晰度,图像识别技术分辨微生物与碳酸钙晶体,图层堆叠技术再现晶体生长过程等。在图像分辨效果提高至微米级的基础上实现碳酸钙数目、面积、尺寸等微观特性的量化以及细菌位置、碳酸钙形貌的辨识。分析了细菌、碳酸钙沉淀与砂颗粒间的相互作用;得到了碳酸钙单晶的生长演化规律,碳酸钙胶结体在颗粒间的沉积模式和分布规律;揭示各类环境因素等对微生物加固过程的影响,从而建立起完整的针对微生物可视化试验平台的微观研究系统的分析流程,创新MICP加固的微尺度研究方法。（3）开展了均质多孔介质MICP试验,研究了理想孔隙空间中的MICP加固微观过程,探讨了流速和钙离子浓度对碳酸钙生长的影响,分析了MICP过程中碳酸钙的生长规律、生长模式及演化状态等微观生长机理;研究了细菌的横向扩散作用及碳酸钙生长的动力学行为;分析了相同注入量不同流速下Damk?hler数的变化,并通过比较不同浓度和流速下碳酸钙的分布特性提出了MICP加固过程中碳酸钙反应和迁移竞争的生长机制。（4）开展了静止状态和流动状态下的单排填砂管道MICP试验,研究了静止状态下砂颗粒对细菌和碳酸钙吸附性,并探讨了钙离子浓度对细菌自由扩散的影响,得到砂颗粒不能聚集细菌,高浓度钙离子可抑制细菌扩散,碳酸钙在颗粒表面优先沉积,浓度影响碳酸钙分布的结论;流动状态下MICP试验表明碳酸钙在不同尺寸孔隙结构中的生长模式是不同的,分析了孔隙溶液流动对碳酸钙单晶生长和颗粒间胶结的影响,探讨了碳酸钙生长速率随时间的变化规律,验证了单排填砂管道制具备大尺寸MICP单晶和颗粒尺度胶结体的能力。（5）开展了群颗粒填砂管道MICP试验,研究了非均质砂颗粒中MICP加固的微观过程;比较了不同砂颗粒大小、细菌浓度、钙离子浓度对微尺度下碳酸钙生长的影响,分析了生长过程中出现的不均匀现象,研究了填砂管道中碳酸钙的沉积模式及碳酸钙的生长规律,分析了碳酸钙沉淀在非均质砂颗粒间的演化模式,研究了可能影响碳酸钙分布的微观机制及其相关的物理化学作用,得到浓度越高碳酸钙生长速率越快,颗粒尺寸对碳酸钙微尺度分布影响较小的结论;通过群颗粒填砂管道中化学法生长碳酸钙晶体试验,研究了非生物因素下砂颗粒孔隙空间中碳酸钙的生长与分布规律,与MICP试验进行了对比,分析了MICP与化学结晶的差异,证实细菌在MICP过程中的关键作用。