纤维加筋土是通过在土中加入连续不断的纤维实现加固土体的有效方法之一，可有效提高土体抗剪强度和抵抗横竖向变形的能力^[1]。国内外学者对纤维加筋土进行了广泛的研究。张艳美等^[2-3]通过对纤维土内摩擦角、黏聚力的研究发现：纤维可明显提高土体黏聚力，但对内摩擦角的影响并不明显。唐朝生等^[4]研究发现聚丙烯纤维的掺入能够提高土体强度。Butt等^[5]以头发为加筋纤维，探究不同头发纤维掺量对黏土力学性能的影响发现：头发纤维显著提高黏土的强度并减小土体裂缝的产生。Kumar等^[6]通过对聚酯纤维加筋软黏土的研究发现：纤维能显著提高黏土的无侧限抗压强度。程志良等^[7]研究发现纤维掺量的增加可有效提高土体抗剪强度，同时合理的纤维掺量可减小土体压缩性。魏丽等^[8]对麦秸秆加筋滨海盐渍土进行研究，发现麦秸秆纤维通过在土中的交叉织网分布彼此牵动形成空间约束力从而提高土体黏聚力，但对土体内摩擦角影响不明显。赵莹莹等^[9]发现纤维与土颗粒交织构成三维一体结构，通过空间约束力和咬合摩擦力提高土体性能。综上，纤维的种类、掺量、韧度和细度是影响纤维土黏聚力和抗剪强度的主要因素。

在工程实践中，纤维材料根据其来源可分为合成纤维、自然纤维和生物纤维。掺入土体中的自然纤维和生物纤维，大多耐强酸强碱腐蚀性差，加之或因耐久性不持久，或因无法在土体中分散均匀而影响工程效果^[10]。随着纤维生产技术的不断进步，合成纤维的发展解决了上述问题。在国外，合成纤维已经被应用于挡土墙、沿江岸坡、高速公路路堤加固等工程中^[11]。

纤维素是植物细胞壁的主要成分，广泛存在于自然界中，经过生物、化学技术加工可制成纤维素纤维。该纤维有天然亲水性、无毒无味、耐酸耐碱(强力保持率不低于95%)、纤维比表面积大、高韧性、高强度和对混凝土有卓越握裹力等性能。Li Y J等^[12]研究发现：纤维素纤维可以增强混凝土抗渗性能，且混凝土的渗透系数与纤维含量成反比。肖永新等^[13]通过纤维素纤维混凝土与普通混凝土对比发现：纤维素纤维的掺入能够提高混凝土的劈裂抗拉强度。邓宗才等^[14-15]和李北星等^[16]通过对纤维素纤维混凝土抗渗性能、早期抗裂性能和弯曲韧性进行研究发现：纤维素纤维可减少混凝土早期裂缝，提高混凝土耐久性和抗弯能力且相同体积加筋率下改良效果明显优于聚丙烯纤维^[17]。郝放等^[18]发现纤维素纤维对混凝土耐高温性能也有提高作用。

尽管纤维素纤维性能优越，作为加筋材料效果显著。但是，目前国内对纤维素纤维加筋土的研究较少。因此本研究将纤维素纤维作为上海黏土加筋材料，通过击实试验、直接剪切试验和无侧限抗压试验探究纤维素纤维加筋土的最大干密度、最优含水量、抗剪强度、无侧限抗压强度等性能。

本研究选择CTF-850型纤维素纤维如图 1所示，其物理性质见表 1。

图 1 纤维素纤维 Fig. 1 Cellulose fiber

黏土取自上海市某大型在建基坑，经过晒干、碾碎、过2 mm土工筛得到，其参数如表 2所示。

首先，计算出每个试样所需的干土、纤维素纤维与水的含量。然后，将定量的纤维素纤维与定量的干土混合均匀，接着将所取土样平铺于不吸水的盘内，喷洒定量的水(根据不同含水率配制)并充分搅拌30 min。最后，把搅拌均匀的加筋土装入保鲜袋中，存放于保湿容器中润湿24 h。按《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)制备试样，每个试样均做3个平行试验。

试验根据《公路土工试验规程》(JTGE40—2007)选用轻型击实试验，试筒内径10 cm，高12.7 cm，试件尺寸997 cm³，采用三分法制备试样。试验中，纤维素纤维以质量加筋率0，0.25%，0.5%和0.75%加入素土中，以含水率15%~27%的区间制备土样，土样混合均匀后装入保鲜袋中，常温养护24 h后进行击实试验。

试验仪器选用DJY-4L四联等应变直剪仪。应变速率为0.02 mm/min，使得土样中的水分能够充分排出，保证测得的剪切强度稳定可靠，垂直荷载为4级，分别为0，100，150，200 kPa，在剪切变形5 mm左右时停止试验。纤维素纤维以质量加筋率0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%加入过筛后的素土中，制备含水率为20.78%的土样，每个加筋组3个试样，装入保鲜袋，常温养护24 h。

试验仪器选用型号为WDW-Y300D的微机控制全自动压力试验机，应变速率为5 mm/min。最小纤维素纤维加筋率选用0.6%，之后依次以0.6%递增为1.2%和1.8%。土样含水率20.78%，制备方法同上。

击实试验结果如图 2所示，由图可知：随着纤维素纤维的增加，黏土的最大干密度呈现逐渐增大的趋势，而最优含水量表现出逐渐减小的规律。由表 3具体表现为：当纤维素纤维加筋率为0.25%，0.5%和0.75%时，最大干密度分别提高了1.60%，1.84%和2.9%；最优含水率分别降低了2.98%，4.47%和7.96%。分析原因为：纤维素纤维有大量羟基，可以吸引水分子，具有较强的亲水性，所以，随着纤维素纤维的掺入，最大干密度会增大，最优含水量则减小。当含水率大于20%时，纤维加筋率为0.5%的纤维素纤维对黏土干密度影响较小，当含水率大于24%时，纤维加筋率为0.75%的纤维素纤维对黏土干密度影响较小，分析原因为：在高加筋率和大含水量时缕状的纤维素纤维充分吸收水分膨胀使加筋土体积受到影响，从而减小土体干密度。综上，纤维素纤维可在一定程度上提高黏土的密实度，当纤维素纤维加筋率含超过一定范围时，影响不再明显。

图 2 击实试验结果 Fig. 2 Compaction test result

图 3(a)~(d)分别为纤维素纤维在加筋率为0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1%和1.2%时，垂直荷载50，100，150 kPa和200 kPa作用下加筋土的剪应力-剪切位移关系。由图 3可知：在不同的垂直荷载作用下，纤维素纤维加筋土抗剪强度较素土明显提高，其中，在垂直荷载为50 kPa时，纤维素纤维对黏土抗剪强度的影响最明显。同时，垂直荷载与土体抗剪强度间成正比关系。在图 3(a)，图 3(b)中，应力先随应变的增大而增大，达到峰值后，随应变的增大而减小，故在垂直荷载为50，100 kPa时，多数应力应变曲线呈应变软化型；图 3 (c)，图 3 (d)两图中，应力随应变的增加而增加，应力达到最大值后基本不变，曲线无明显峰值，故在垂直荷载100，200 kPa时，多数应力应变曲线呈现应变硬化型。

图 3 纤维素纤维加筋土剪切应力-变形关系曲线 Fig. 3 Shear stress-strain curves of cellulose fiber reinforced clay

由图 3可知：在4种垂直荷载作用下，剪应力-剪切位移曲线均在纤维素纤维加筋率0.6%时取得最大值。与素土相比，纤维素纤维加筋土在垂直荷载50，100，150 kPa和200 kPa作用下，抗剪强度分别提高了114.3%，22.1%，8.8%和36.4%；当纤维素纤维加筋率低于0.6%时，随着纤维素纤维含量的提高，土体抗剪强度相应提高。

抗剪强度随纤维素纤维含量的增加而增加，当纤维素纤维加筋率高于0.6%时，抗剪强度随纤维素纤维含量的增加而减小，因此纤维素纤维加筋率0.6%为最优加筋率。出现这种现象的原因为：如图 4所示，图 4(a)为最优加筋率时纤维土作用机理，纤维素纤维和黏土紧密结合，在土粒间弯曲存在，并且纤维之间彼此交织形成纤维网。当土体之间发生相对位移时，纤维与黏土颗粒间的黏结力和摩擦力发挥作用，并且纤维之间通过交织点彼此牵动对土粒形成约束作用，从而产生抵抗剪应力的反作用力，增强剪切强度。当纤维含量过高时，如图 4(b)所示，纤维与纤维间的重叠作用在土颗粒间产生隔断面，减小土粒间的黏结作用，影响土体的完整性，导致土体抗剪强度降低。

图 4 纤维素纤维加筋黏土机理分析图 Fig. 4 Mechanism analysis of cellulose fiber reinforced clay

由直接剪切试验结果可知：纤维素纤维质量加筋率0.6%时，加筋土抗剪强度取得最大值，因此无侧限抗压强度试验取纤维素纤维最小加筋率为0.6%，并依此以0.6%递增，分别为0，0.6%，1.2%和1.8%。试验实测的轴向应力-轴向变形曲线如图 5所示。由图可知，纤维素纤维加筋土无侧限抗压强度试验的轴向应力-轴向变形曲线出现明显峰值，表现为应变软化型；同时，0.6%的纤维素纤维加筋率可明显提高黏土的抗压强度；随着纤维素纤维的增加，纤维素纤维对黏土无侧限抗压强度影响减弱；当纤维加筋率过高时，纤维素纤维对黏土的抗压强度有削减作用；与素土相比，纤维素纤维加筋率为0.6%，1.2%和1.8%时，黏土抗压强度分别提高了20.8%，4.17%和-25%。

图 5 抗压强度试验应力-变形曲线 Fig. 5 Stress-strain deformation curves of compressive strength test

如图 5所示，素土在无侧限抗压试验下的破坏变形量为3.73 mm。当纤维素纤维加筋率为0.6%时，破坏变形量为2.87 mm，较素土降低约22.3%；纤维加筋率1.2%时，峰值应力对应的变形比素土降低约24.1%；当纤维加筋率为1.8%时，破坏时的应变与素土基本一致。上述说明纤维素纤维可以有效增强黏土抵抗变形的能力，且加筋率过大时，纤维对黏土抵抗变形的能力影响不明显。

不同纤维素纤维掺量对黏土的破坏形态的影响见图 6。素土的无侧限破坏形态为整体压胀破坏，试件表面出现多处竖向裂纹。0.6%的纤维素纤维加筋试件沿45°剪切面发生整体剪切破坏，破坏时试件表面完整，未出现明显竖向裂纹。这说明纤维素纤维可以增强黏土整体性、受外力作用时的稳定性，同时改善黏土破坏形态。但是，由图 6(c)，图 6(d)所示，随着纤维素纤维的增加，土样破坏时的整体性逐渐变差，纤维加筋率为1.8%时土样压胀明显，且侧面变形较大。分析原因为：加筋率为0.6%时，纤维素纤维在黏土内部形成相互交错的“织网”，受到外力作用时纤维与黏土间的摩擦力通过“织网”形成交互作用，提高黏土抗压强度、整体性和抵抗变形的能力。当纤维加筋率过高时，纤维之间的重叠作用造成土体形成隔断面，从而破坏黏土整体性减小抗压强度和抵抗变形的能力。

图 6 纤维素纤维加筋土无侧限抗压强度试验破坏形态 Fig. 6 Failure modes of cellulose fiber reinforced clay in unconfined compressive strength test

本研究以纤维素纤维(CTF-850)为上海黏土加筋材料，通过对加筋土在不同质量加筋率条件下的干密度、最优含水率、抗剪强度和抗压强度进行试验研究分析后，得到以下结论：

(1) 黏土中加入纤维素纤维，可以提高黏土的最大干密度，降低黏土的最优含水量，且随着纤维加筋率和含水率的增大，影响逐渐降低。这说明纤维素纤维能够在一定程度上增强黏土的密实度。

(2) 纤维素纤维的添加明显提高了黏土在不同垂直荷载作用下的抗剪切能力，当纤维素纤维加筋率低于0.6%时，不同垂直荷载下的抗剪强度均随着纤维素纤维含量的增加而提高，当纤维素纤维加筋率高于0.6%时，加筋土的抗剪强度逐渐下降，从而表明纤维素纤维加筋土在直接剪切试验中存在最优加筋率0.6%。

(3) 直接剪切试验中，垂直荷载为50 kPa和100 kPa时，多数应力应变曲线呈现应变软化型；150 kPa和200 kPa时，多数应力应变曲线呈现应变硬化型。

(4) 当纤维素纤维加筋率为0.6%时，可以明显提高黏土的无侧限抗压强度，提高了20.8%。纤维加筋率过高时，纤维对无侧限抗压强度有削弱作用。

(5) 纤维素纤维可以增强黏土整体性、受外力作用时的稳定性，优化黏土破坏形态。同时，过量的纤维素纤维将引起反作用。