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膨胀土,是一种遇水后产生明显的膨胀并软化,失水后产生明显的收缩而开裂的特殊灾害性粘土。因此,在膨胀土分布区域内,经常给工程建设造成严重的破坏。传统的膨胀土改良方法,存在着改良效果不稳定、施工强度大、费用高而且污染环境等诸多缺点。因此,国内外学者一直在不断地寻找新的改良方法。近年来,随着科学技术的不断发展,对膨胀土改良的很多方法和新技术不断涌现。在这些新技术中,将微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial induced calcite precipitation,MICP）技术应用到对软土的改良和加固等领域,得到了学术界和工程界的广泛关注。MICP技术具有改良效果明显、环保和低能耗等优势,是目前国内改良软土或地基加固等方面的前沿技术。因此,开展这方面的相关研究,不但具有重要的理论意义,也具有广阔的工程应用前景。本文依托国家自然科学基金资助项目“膨胀土非线性流变特性”（项目编号:50978097）,开展了微生物改良膨胀土的胀缩及力学特性的试验研究。本文所开展的主要研究工作及所取得的主要研究结论如下。1、主要的研究工作（1）通过对比分析不同细菌种类,在MICP技术中诱导碳酸钙沉淀的能力和环境适应性等特点,结合膨胀土的物理性质和矿物组成情况,筛选出了最适合用于改良膨胀土的细菌种类。通过对细菌的生长、繁殖和矿化等过程的系列试验研究,探明了这些过程对改良膨胀土的胀缩及力学特性的影响规律。（2）通过对膨胀土的物理性质和化学成分的分析,确定了基于MICP技术对膨胀土进行改良的技术方案。根据MICP技术的生化反应过程,确定了在改良过程中通过添加钙源方法,解决了天然膨胀土中钙含量较低的技术难题。同时,确定了采用膨胀土压实的最佳含水率为标准,控制胶结液的用量,解决了在改良过程中不能用菌液和胶结液浸泡膨胀土的技术难题。（3）对改良前后膨胀土进行了胀缩特性、物理特性和强度特性等系列试验研究。探明了不同胶结液添加量,对膨胀土胀缩特性、物理特性和强度特性等的影响规律,并揭示了其影响机理。（4）基于Duncan-Chang模型和修正剑桥模型等理论,探讨了微生物改良膨胀土的应力-应变关系。建立了微生物改良膨胀土的本构模型,并确定了相关的模型参数。根据所建立的本构模型,提出了微生物改良膨胀土的应力-应变分析理论。2、取得的主要研究进展和创新结论（1）通过对多种细菌在采用MICP技术改良膨胀土中的适应性的分析,发现巴氏芽孢杆菌,是最适合作为改良膨胀土的优选菌种。将巴氏芽孢杆菌的生长曲线进行函数拟合,建立了巴氏芽孢杆菌生长期的OD600值与时间的指数函数拟合分析模型。（2）通过对膨胀土化学成分的分析,发现膨胀土中的所钙元素含量较低,在MICP过程中微生物诱导产生的碳酸钙沉淀较少。因此,在基于MICP技术改良膨胀土的过程中,通过配制胶结液并添加适量的氯化钙以补充钙源。通过对微生物在膨胀土中的生化反应过程及其诱导碳酸钙沉淀过程的研究,确定了胶结液中的尿素和氯化钙的配比为1:1,亦即二者的含量均为1mol/L。（3）通过对改良前后膨胀土的膨胀特性的试验研究发现,采用MICP技术可以明显地改良膨胀土的膨胀特性。与未改良膨胀土相比,改良后膨胀土的自由膨胀率、无荷膨胀率和100kPa有荷膨胀率等均得到了明显的降低。研究同时发现,随着胶结液添加量的增大,膨胀土的液限含水率、塑限含水率和塑性指数等指标均得到明显的降低。根据膨胀土的膨胀判别标准（膨胀潜势）,改良前的膨胀土为中等膨胀土,经过MICP技术改良后,变成了非膨胀土。（4）通过对微生物改良膨胀土的直接剪切、等向固结和三轴固结排水剪切等试验研究发现,采用MICP技术,可以明显地改良膨胀土的压缩性和抗剪强度。采用MICP技术,可以降低膨胀土的压缩性。在相同的固结压力作用下,随着胶结液添加量的增大,改良膨胀土的体积变化量也逐渐减小。与未改良膨胀土相比,非饱和及饱和改良膨胀土的抗剪强度指标均得到了明显的提高。当胶结液添加量不同时,改良膨胀土的抗剪强度指标,均随着胶结液添加量的增大而提高。（5）基于Duncan-Chang模型和修正剑桥模型等理论,对等向固结回弹试验结果和三轴固结排水剪切试验结果进行了理论分析,建立了微生物改良膨胀土的Duncan-Chang本构模型和修正剑桥本构模型,并确定了相关的模型参数。研究发现,微生物改良膨胀土的本构模型参数的变化,均与胶结液的添加量有关。在此基础上,根据所建立的本构模型,提出了微生物改良膨胀土的应力-应变分析理论。综上所述,本文主要开展了对微生物改良膨胀土膨胀特性、物理特性和强度特性的研究。通过理论分析,确定了用于改良膨胀土的细菌种类,并探明了其生长规律。通过膨胀特性、物理特性和强度特性等方面的试验研究和理论分析,探明了胶结液添加量对膨胀土改良效果的影响规律,并揭示了其影响机理。基于土的本构模型理论,建立了微生物改良膨胀土的本构模型,并提出了微生物改良膨胀土的应力-应变分析理论。研究成果为采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术改良膨胀土,提供了可靠的理论依据,也为采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术改良膨胀土的工程应用奠定了技术基础。