摘要
土遗址主要由土夯击而成，具有极高的历史、文化和科学价值，近年来备受广泛关注。在中国西北地区，大量黄土遗址因风蚀、降雨、冻融循环和地震等多种因素的影响而面临严重损害。目前，对土遗址土体的保护和修复方法存在着成本高、操作不便和环境污染等难题。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术是近年来新兴的生物岩土技术之一，具备环保、高效、广泛适用和操作简便等优点。除了在地基加固和土层修复工程方面得到广泛应用外，该技术还被用于土遗址的保护和修复。本文重点探讨MICP技术在兰州黄土土遗址中的应用，通过一系列室内试验系统，研究了MICP改性黄土的微观结构演变、物理力学性质以及抗冻融性能，并进一步阐明了MICP技术的加固机理。主要研究内容及取得的成果如下： （1）通过微观测试技术，采用高分辨率扫描电子显微镜（SEM）技术观察不同条件下黄土试样的微观图像，全面观察改性前后黄土土体颗粒形态特征、孔隙形态特征以及胶结后形成的土体结构特征差异。试验结果表明：未改性黄土的颗粒呈粒状结构，表面松散且分布不均，孔隙多且小，主要通过镶嵌式接触，呈支架型孔隙结构。MICP技术改性后，碳酸钙晶体填充孔隙并附着在颗粒表面，形成较大土团聚体。冻融循环使未改性黄土颗粒骨架破坏，排列松散，窄缝型裂缝转为宽裂缝型，而改性黄土则保持较小的孔隙和微裂缝，结构较稳定。改性黄土的颗粒平均圆形度降低，中等和较大颗粒增加，中大孔隙减少，孔隙分形维数降低。在冻融循环中，改性黄土的孔隙结构变化较小，劣化速度减缓。 （2）基于室内试验，探究MICP技术对黄土力学性质的影响。详细研究了不同围压条件和不同胶结浓度下对改性黄土的抗剪强度、初始割线弹性模量、剪切参数等力学性能指标，分析微生物诱导碳酸钙沉淀胶结固化对黄土力学性能的改性机理。试验结果表明：MICP改性黄土在不同围压条件下的应力-应变曲线呈现出典型的非线性特征，表现为应变硬化趋势。随着胶结液浓度增大，土体的抗剪强度、初始割线模量和黏聚力先上升后下降，内摩擦角基本保持不变。EDS测试和碳酸钙含量测定结果确认了MICP改性黄土主要含有钙质碳酸盐，且胶结液浓度对碳酸钙含量和土体强度结构有显著影响，胶结液浓度1.0mol/L为MICP技术改性黄土的最佳选择。MICP技术改性过程中，碳酸钙晶体与土颗粒发生了附着和胶结作用，使得土颗粒形态更加不规则，同时增强了土颗粒间的黏聚力，填充土体孔隙空间，从而提高了土体的抗剪强度。 （3）通过开展三轴冻融循环试验，详细研究了微生物诱导碳酸钙沉淀技术对黄土抗冻融劣化性能的影响。通过分析不同围压和胶结浓度条件下黄土试样的破坏强度、初始割线模量、抗剪强度参数等指标随冻融循环次数的变化情况，全面揭示MICP技术对黄土抗冻融性能的改善效果。试验结果表明：在不同冻融循环次数和围压条件下，经过MICP技术改性的黄土破坏强度下降速率明显减缓，黏聚力衰减速率相对较缓慢。MICP技术增强了土样结构性，主要通过增大土颗粒直径、增强土体颗粒间的结合力以及减小孔隙大小及数量等方式实现，有效抑制了土样内部胶接结构在冻融循环中的剥离和破碎，从而减缓了水分冻融对土体微观结构的疲劳损伤，改善了黄土试样的抗冻融性能。
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