微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)处理砂土与粉土的刚度退化机制及抗震性能研究

本研究针对地震多发区土壤动态性能改良需求，通过共振柱与扭剪试验系统评估了微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术处理砂质粉土和尾矿的剪切模量退化规律，首次明确了生物胶结作用在5×10-3%应变阈值下的失效机制，为地震工程中土壤改良技术的应变适应性提供了关键数据。

　　

在地震频发的环太平洋地区，土壤液化每年造成数十亿美元损失。传统的地基改良技术如深层搅拌虽能提高土体刚度，但会排放大量温室气体。微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术通过微生物代谢生成碳酸钙(CaCO₃)胶结土颗粒，被视为环境友好型替代方案。然而，中等强度地震是否会导致生物胶结失效？这个关键问题长期缺乏定量研究。

智利研究者团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表的研究中，选取该国Zapallar地区的砂质粉土(SM)和中部矿区尾矿(T)两类典型材料，采用共振柱-扭剪联合试验系统，结合SEM电镜和EDX能谱分析，首次量化了MICP改良土体的动态性能应变阈值。

关键技术包括：1）标准土工试验确定材料基本参数；2）巴氏芽孢八叠球菌接种的MICP处理；3）共振柱试验测定小应变剪切模量G₀；4）分级加载扭剪试验获取模量退化曲线；5）Bernard钙测定仪量化CaCO₃分布。

【Geotechnical properties】
SM材料（D₅₀=0.15mm）与尾矿（D₅₀=0.035mm）经MICP处理后碳酸钙含量分别达4.8%和5.3%。SEM显示砂质粉土中碳酸钙呈菱面体方解石结构，而尾矿中多为球状文石。

【Results and discussions】
砂质粉土的初始剪切模量提升75%，但在5×10^-3%应变时出现胶结断裂，模量骤降至未处理水平；尾矿则保持改良效果至10^-2%应变。这种差异源于尾矿颗粒的棱角状形态增强了机械咬合作用。

【Conclusions】
研究揭示MICP改良效果存在材料依赖性的应变阈值：砂质粉土在中等地震应变(5×10^-3%)下即丧失改良优势，而尾矿能维持至强震应变水平。该发现为地震区土壤改良方案选择提供了关键判据——细粒含量高、颗粒形态复杂的材料更适合MICP技术应用。

这项研究首次建立了生物胶结土动态性能退化的定量关系，指出当前地震工程设计需考虑MICP改良效果的应变敏感性。对于智利等高频地震国家，在砂质土地基中单独使用MICP可能存在风险，建议结合纤维增强等复合改良技术。