针对膨胀土病害，通常采用添加石灰、工业废料和化学纤维等材料改良膨胀土的工程性质^[1-4]，但这些方法或采用化学材料，或对环境造成一定的污染，不符合生态环保的理念。相比之下，植物生态护坡技术更符合生态环保要求，近年来日益得到广泛应用^[5-8]。但在膨胀土中实施生态护坡存在2个问题：一是土壤十分贫瘠，不利于植物根系生长；二是在植物生长初期根系稀疏短浅，无法改善膨胀土不良工程性质。为解决影响膨胀土生态护坡应用的问题，寻求一种经济环保的方法十分必要。

泥炭又名草炭，是未完全分解的植物残体堆积物。泥炭中富含有机质，主要包括木质素、纤维素、半纤维素、腐殖酸、沥青物质等。泥炭常被用于农业生产^[9]，泥炭中的有机质被土壤微生物分解后，能长时间供给植物生长所需的养分^[10]，从而促进植物生长^[11]，且能起到保护根系的作用^[12]。若将其作为生物基质用于生态护坡，可促进边坡植被的生长。诸多学者对泥炭土及泥炭土中有机质的工程性质进行了研究。张留俊等^[13]在对泥炭进行快剪试验时发现泥炭中未完全分解的植物根茎残体错乱交织，在剪切过程中造成牵拉，起到了加筋作用。吕岩等^[14]通过对草炭土三轴固结不排水剪切试验，发现草炭土的内聚力主要是由有机质胶体胶结及黏粒间的胶结作用提供，有机质含量的增加使土中的胶结作用加强。马云艳等^[15]通过盆栽试验，证明泥炭是风沙土的优良改良剂，能改善风沙土的物理结构和pH值以及促进根系生长，但目前缺少泥炭对膨胀土影响的研究。

本研究提出采用泥炭处治膨胀土易于开裂和土壤贫瘠不利于植物生长问题，结合数字化图像分析处理技术，对干湿循环作用过程中的泥炭抑制膨胀土裂隙发育过程进行定量分析与研究，获得不同泥炭掺量对裂隙发育特征及规律的影响规律，分析判断泥炭抑制膨胀土裂隙发育的内在机理及最为经济有效的泥炭掺量。

试验用土取自广西壮族自治区崇左市宁明县，该施工路段内存在典型的膨胀土地质不良现象，试验取土深度为0.1~0.5 m，初始含水率为23%，初始干密度为1.46 g/cm，试验膨胀土基本物理指标如表 1所示。试验所用泥炭是由以苔藓类为主的植物腐化制作完成，含有大量有机质(占干重的90%左右)，有机质包括未完全分解的植物残体、木质素、纤维素、半纤维素、腐殖酸、沥青物质等。

从实际工程的经济效益考虑，泥炭掺量不能太高，但泥炭掺量太低达不到处治膨胀土病害的目的，所以根据前期的探索性试验，发现泥炭掺量高于20%时处治效果下降，所以将掺量设置为0%~20%。将过2 mm筛后的干土与泥炭混合，配置初始含水率为25%，将土样压入110 mm直径的玻璃容器中，控制压实度为80%，厚度为2 cm。将试样放入40 ℃的烘箱中，每隔一段时间对试块进行称重计算试块含水率。当含水率达到12%时进行拍照，然后将试样均匀喷水至40%含水率，密封24 h使含水率均匀，既为完成1个干湿循环过程。重复上述操作完成5次干湿循环。

试验拍摄得到的图片为RGB彩色照片，裂隙在图像上与土块之间的差异主要是色彩，并且图像数据量大，较难直接处理。为了准确定量化描述裂隙网络，需要对图像进行预处理，处理过程为：(1)将RGB彩色图片经PS软件处理去掉图像的彩色信息，转换为灰度图像(见图 1(a))，此时裂隙与土块之间的差异主要以灰度值来体现，便于后续处理；(2)将灰度图像导入PCAS裂隙图像分析处理软件进行图像二值化(见图 1(b))，二值化可以很好地区分出土块与裂隙区域，对大于设定阈值的区域统一变为黑色，而其余区域则为白色；(3)利用PCAS处理软件的除噪功能对图像进行除噪处理(见图 1(c))，由于图像表面并非绝对平整，以及土块中包含的部分颜色较深土颗粒会导致部分非裂隙区域存在一些杂点干扰，这些杂点对后续的裂隙计算存在一定的误差影响，因此有必要去除图像中的明显噪点；(4) 裂隙骨架化(见图 1(d))是在保证骨架图像不发生变化的前提下提取的单个裂隙的中轴线，骨架化处理可以在保证裂隙性状保持不变的前提下减少计算机的运算量，从而获得裂隙网络的基础参数(如裂隙长度、平均宽度、裂隙条数等)。

图 1 裂隙图像处理过程 Fig. 1 Fracture image processing

图选项

在裂隙的定量化描述中，几何形态的定量化描述是至关重要的，主要包括裂隙率、裂隙条数、裂隙长度、裂隙宽度等。裂隙率是能够代表裂隙综合发育程度的核心指标，能够反映裂隙的总体几何分布。根据冷挺等^[16]的研究结果，可以采取像素点的统计方式计算裂隙形态，其中裂隙率的计算方式为：

(1)

式中，A_i为第i条裂隙面积；A为试块总面积；n_b为黑色点像素数量；n_w为白色像素点数量；n为总像素点数量。

在骨架化处理后的图像中，可以认为黑白像素点形成了一个n×n的像素矩阵，宏观上可将裂隙骨架视为分布在单位像素矩阵的边上或者对角线上。在裂隙长度计算过程中，程序会将裂隙分类为水平、垂直及对角直线3种，其中水平线和垂直线的长度视作1，而对角线为，再将3类直线的长度进行叠加即可获得总裂隙长度。裂隙宽度主要反映裂隙的开展程度，为简化计算，取平均裂隙宽度为量化目标值，且假定沿裂隙长度方向并不发生改变，因此可根据裂隙总面积与裂隙总长度的比值来表示裂隙的平均宽度。

泥炭对膨胀土裂隙几何特征的影响如图 2所示，可以直观地看出泥炭对于膨胀土裂隙发育有很强的抑制作用。当泥炭掺量达到15%时，膨胀土各项裂隙指标均到达最低点，这说明15%泥炭掺量为处治膨胀土开裂的最优掺量。

图 2 泥炭对膨胀土裂隙几何特征的影响 Fig. 2 Influence of peat on geometric characteristics of expansive soil fracture

图选项

由图 2可见，干湿循环次数对膨胀土裂隙的影响程度并不一致。第2次干湿循环对膨胀土裂隙的开展影响最大，裂隙扩展最大，其后随干湿循环次数的增加呈上升趋势，但其上升幅度有所降低，到第4次和第5次循环已经基本稳定。素膨胀土与泥炭处治膨胀土都遵循这一规律。

由图 2(a)可见，泥炭对膨胀土裂隙发育的抑制作用十分明显，5%，10%，15%，20%泥炭掺量膨胀土第5次干湿循环后的裂隙率分别为4.09%，2.24%，2.0%，3.28%，比素膨胀土的裂隙率分别降低了67.72%，82.32%，84.21%，74.11%。

由图 2(b)和图 2(c)可见，随着泥炭掺量增加，裂隙条数和裂隙长度先减后增，在15%掺量时为最低。随干湿循环次数增加，原有裂隙进一步延伸且次生微裂隙逐渐发育，土样的裂隙长度和裂隙条数明显增加。这说明泥炭主要抑制了第1次干湿循环裂隙长度和条数的发育，但对干湿循环效应带来的裂隙条数和裂隙长度的增长，抑制作用相对较弱。

由图 2(d)可见，泥炭的掺入，有效抑制了膨胀土裂隙宽度的扩展，且较少掺量的泥炭就能起到明显抑制效果。当泥炭掺量为15%时，裂隙平均宽度降至最低，5次干湿循环后15%泥炭掺量的膨胀土的裂隙平均宽度比素膨胀土减小约71.45%，且其曲线增长趋势平缓，裂隙平均宽度增长幅度受干湿循环影响较素膨胀土小。这说明泥炭掺入大幅抑制了膨胀土裂隙宽度的增长，且降低了干湿循环效应带来的裂隙宽度发育。

膨胀土表面失水产生的张拉应力与土体的抗拉强度是决定土体初始开裂的核心因素^[17]，张拉破坏是膨胀土早期开裂的主要形式。其中张拉应力与土体的基质吸力存在一定的关系，而基质吸力又与土颗粒孔径、液体收缩膜半径和膜上的张拉力有关^[18]。

为了探究泥炭抑制膨胀土开裂机制，进行了X射线衍射试验，试图从矿物成分、物相组成变化方面研究泥炭抑制膨胀裂隙演化机理。不同泥炭掺量膨胀土的X射线衍射图如图 3所示。由图可见，本试验所用膨胀土主要包含高岭石(K)、伊利石(I)、蒙脱石(M)、石英石(Q)等成分。对比各泥炭掺量膨胀土的X射线衍射峰，可以发现泥炭的加入并没有产生新的衍射峰，也没有使原有的衍射峰消失。这说明没有新的物相出现，以此可以判断膨胀土内没有发生明显的化学反应。

图 3 不同泥炭掺量膨胀土的X射线衍射图 Fig. 3 X-ray diffraction of expansive soil with different peat contents

图选项

根据泥炭的组成成分和扫描电子显微镜试验进行分析，可认为泥炭抑制膨胀土裂隙演化的主要因素有以下2个方面。

(1) 泥炭植物残体纤维的加筋作用。膨胀土裂隙演化示意图如图 4所示。当膨胀土加入泥炭后，泥炭中未完全分解的植物残体被膨胀土包裹，在膨胀土中纵横交错，互相咬合。当膨胀土失水收缩开裂过程中，造成了牵拉，起到了加筋作用，土颗粒-泥炭-土颗粒的接触增强了土体的抗拉强度，抑制了膨胀土裂隙的发育。在泥炭处治后的膨胀土阶段①，土体表面蒸发失水速度较快，导致表层土体的张拉应力持续增加。当超过抗拉强度时，最终导致表面出现裂隙，但裂隙的发育很快受到下部加筋土体的抵抗，裂隙的尖端应力集中效应被降低，裂隙难以向下延伸(见泥炭处治后的膨胀土阶段②)。随着蒸发的进行，含水率的降低使得土体的抗拉强度不断增高，直至抗拉强度超过张拉应力值，不再产生裂隙(见泥炭处治后的膨胀土阶段③)。

图 4 膨胀土裂隙演化示意图 Fig. 4 Schematic diagram of expansive soil fracture evolution

图选项

(2) 泥炭的增强作用。在干湿循环过程中，土体强度的降低主要源于黏聚力的衰减^[19]。土的黏聚力主要来源于土粒间的结合水连结、土的胶结连结或毛细水连结。土中含亲水矿物越多，颗粒间的结合水连结也越强，其黏聚力就越大，而泥炭中的有机质能增加膨胀土的胶结作用。土体中1%的有机质起到的作用等同于由1.5%其他矿物成分形成的黏粒，而泥炭中大量的有机质相当于增加了土体中的黏粒含量，从而增加了膨胀土的结合水连结，增加了黏聚力^[20]。泥炭有机质的主要成分含有木质素，现有研究表明，木质素能与周围土颗粒形成桥联结构或空间网络结构，利用自身抗拉能力限制周围土体变形，从而有效提高膨胀土的“准黏聚力”^[21]。木质素胶结物可以填充土体孔隙，使土体更加密实，从而提高土体强度，降低膨胀率^[22]，限制了膨胀土开裂。

相比于素膨胀土，泥炭处治的膨胀土裂隙较小，土体结构的破坏也相应更小，在含水率增加过程中，裂隙更容易闭合。因此，在干湿循环过程中，经泥炭处治后膨胀土的裂隙率和裂隙宽度增加缓慢，仅在原有裂隙的周围产生细小裂隙。但当泥炭掺量达到20%后，各项裂隙指标反而有所回升，原因是过多的泥炭使得泥炭之间的接触增多，而泥炭-土颗粒、土颗粒-土颗粒的接触减少，使得土体的结构被破坏，从而导致土体结构密实度降低，抗拉强度和黏聚力降低，裂隙增多。

本研究针对膨胀土边坡易于开裂和土壤贫瘠不利于植物根系生长的问题，提出采用泥炭来处治膨胀土。通过试验获得了泥炭掺量对裂隙发育的影响规律，并揭示了泥炭抑制膨胀土开裂的作用机理。

(1) 泥炭不仅能改善贫瘠的膨胀土土质，而且还能大幅抑制膨胀土的裂隙发育。泥炭最优掺量为15%时，裂隙率比素膨胀土减少了84.21%，而且掺入泥炭的膨胀土裂隙发展较缓慢，5次干湿循环中裂隙率的增长速率较低。这说明膨胀土中掺入泥炭能降低干湿循环效应产生的裂隙扩展影响。

(2) 泥炭对裂隙宽度发育的抑制效果最明显，较少的掺量就能发挥明显作用，最高能减少71.45%的裂隙宽度。泥炭对裂隙条数和裂隙长度发育的抑制效果相对较弱。

(3) 泥炭中未分解的植物残体分布在膨胀土中具有加筋作用，降低了膨胀土裂隙尖端的应力集中，抑制了裂隙的发育。在干湿循环过程中，泥炭处治后的膨胀土结构破坏小，裂隙更易闭合，每次干湿循环只会在原有主裂隙周围派生出细小的次生裂隙。

(4) 泥炭中的植物有机质含有木质素等成分，可以提高土体的胶结作用，增加土体的黏聚力，从而提高土体强度，限制了膨胀土开裂。