采矿工程毕业论文-用ADIND软件对庆阳地区黄土窑洞的模拟计算与分析.docx

学校代码 10738 2017届本科毕业论文用ADIND软件对庆阳地区黄土窑洞的模拟计算与分析姓 名： 学 号： 专 业： 采矿工程 指导教师： 陇东学院能源工程学院二一七年五月十五日陇东学院本科毕业论文陇东学院能源工程学院学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。作者签名： 日期： 年 月 日摘 要洞穴，在黄土地区是住宅的最重要的形式之一，黄土窑洞作为绿色环保的生土建筑，对于解决黄土高原地区的环境、能源、土地和一系列的相关问题具有明显的优势，对维持黄土高原生态系统的平衡和可持续发展都有重要的意义。本文以庆阳地区为例，通过实地考察窑洞形式，利用有限元工程软件ADINA进行了模拟计算工作，得到其应力和变形的可供工程参考的量化数据。在用ADINA软件进行模拟计算时，建立两种窑洞模型，一种为浅部模型，运用岩体力学中的太沙基和普氏理论；另一种则为较深部模型，运用薄壁平板孔模型和弹性理论中的基尔希理论。根据计算结果：窑腿的底脚处和窑侧的拱脚处窑洞会发生变形破坏；窑顶中点处的竖向位移最大。对窑洞做衬砌处理后，安全性明显提高。关键词：黄土窑洞；应力；ADINA软件AbstractCaves in loess area is one of the most important form of housing, the loess cave dwelling as raw soil construction of green environmental protection, for solving the loess plateau area of environment, energy, land, and a series of related problems have obvious advantages, to maintain the balance of the ecosystem of the loess plateau and the sustainable developmenthas important meaning. In Qing yang district as an example, through the on-the-spot investigation cave form, using the finite element software engineering scaled simulated calculation Adina. The work, get some regularity of its stress and deformation and quantitative data that can be used for reference in the engineering.During the simulation calculation using scaled software Adina. The, establish two cave dwelling model, a model for shallow, too sand in rock mass mechanics and plats theory; another is relatively deep model, by using the model of a thin plate hole and kirsch theory of elastic mechanics.According to the calculation results: kiln at the bottom of the feet and legs, side of the arch foot cave by the maximum stress; the midpoint at crown vertical displacement is the largest. After handling the caves for lining, security has improved significantly.Key Words：Loess cave；stress；ADINA software-II-目 录摘 要IAbstractII目 录I1 绪论11.1 研究的目的及意义11.2 窑洞研究的代表性成果11.2.1 窑洞的优缺点11.2.2 窑洞的分类11.2.3 窑洞的存在价值及其保护措施21.2.4 窑洞的发展趋向21.2.5 窑洞破坏的原因及其防治21.3 本文的主要研究内容及方法概述31.3.1 主要研究内容31.3.2 主要研究方法概述32 庆阳地区黄土窑洞52.1 庆阳地区黄土窑洞的研究现状52.1.1 庆阳地区黄土窑洞概述52.1.2 窑院布局52.1.3 窑洞的尺寸62.1.4 窑洞采光能力的提高62.1.5 窑洞崖面处理72.1.6 窑洞拱曲线几何形状72.1.7 窑洞的耐久性72.2 庆阳窑洞细部优化的两点讨论82.2.1 窑洞细部结构布局的重新调整82.2.2 窑洞衬砌造价问题92.3 本章小结93 用ADINA拟建庆阳地区的黄土窑洞模型103.1 ADINA软件简介103.2 材料属性定义103.3 建模理论123.3.1 浅部窑洞123.3.2 较深部窑洞133.4窑洞模型的建立143.4.1 浅部窑洞模型143.4.2 深部窑洞模型153.4.3 设置初始地应力场173.5 本章小结184 结果分析194.1 模型计算194.2计算结果概述214.2.1 浅部窑洞模型计算结果214.2.2 深部窑洞模型计算结果224.3几何尺寸对比分析234.3.1不同高度对比234.3.2不同宽度对比234.4衬砌窑洞与无衬砌窑洞的对比分析244.5 本章小结245 结论与展望255.1 结论255.2 展望25参考文献26致 谢281 绪论1.1 研究的目的及意义窑洞，是黄土地区最重要的住所模式之一，普遍分布在山西、陕西、宁夏、甘肃、青海、河南西部等1。该地区昼夜温差大，年降雨量很少，阳光非常充足，占主导地位的气候是温带大陆季风气候。从古代到现代文明发展中可以看出，窑洞建筑适应人类生活的需要，体现了强大的生命力和许多独特的优势，它是构建合理的，自然的，和谐的建筑形式2。现在由于人口快速增长，环境破坏和生态恶化更为突出，这就要求必须降低建筑设计和施工对大自然的破坏，而生土材料是绿色的建筑材料，是以发展生土窑洞住宅有紧要的现实意义，这可以充分体现可持续发展的观念3。本文的研究对象是庆阳地区的黄土窑洞。它在许多方面充分体现了绿色建筑的特性，如节约建筑材料、减少三材使用、节约土地等等4。对窑洞建筑的进一步实验钻研有重大的意义，相对于黄土高原地区，对于黄土窑洞的深化利用，可以让农民节省开支，进而投资教育和扩大生产，为黄土地区的发展，提供良好的平衡和保障5。总的来说，黄土窑洞是绿色的生土建筑，对于解决黄土高原地区的环境，能源，土地等问题拥有明显的优势，维持生态系统平衡和可持续发展都有现实意义6。1.2 窑洞研究的代表性成果1.2.1 窑洞的优缺点窑洞建筑主要有节约土地、冬暖夏凉、节能、工期短、施工方便等优点7。窑洞建筑的弊端主要有：采光和通风条件差；防排水难度大，有安全隐患；平面结构简单，功能不全；门窗易变形8。1.2.2 窑洞的分类陇东区域的窑洞分类较为齐全，有地下、半地下及地塬侧沟、斜坡等形式9，总结归纳可分为以下三大类：（1）下沉式：主要特点是建筑位于地平线之下，呈地坑式分布。在董志源、屯字源等地分布较广泛。（2）坡崖式：主要特点是依赖山坡、沟豁等，呈敞开式院落结构。大多集中在陇东北部区域，庆阳县、环县、华池县建造最为普遍。（3）半敞开式：主要特点是地坑院式的一面或者两面半敞开，有两层院落结构。一般由地坑式窑洞和地面建筑构造相结合组成庭院结构，主要散布在黄土原的边沿、沟豁地带。从窑洞的建筑材料来划分，又有黄土窑洞和砖石窑洞两类。黄土窑洞在过去很长时间是黄土地区人们的重要寓居形式，因为它适合当地条件，成本低，冬季温暖，夏季凉爽。由于砖石窑洞造价较高，新中国成立后才慢慢的为寻常百姓所大范围建造。砖石窑洞比黄土窑洞坚实、清洁、大气，但是造价较高，且居住的效果与黄土窑洞相差不少10。1.2.3 窑洞的存在价值及其保护措施窑洞主要有生态、历史、文化、工程、美学等五个方面的存在价值11。对窑洞的保护措施可以从下列5个方面实施：第一，提高对窑洞的保护意识；第二，编制保护规划；第三，制定具体保护措施；第四，改善窑洞寓居条件；第五，开展特色文化旅游，激励居民一起行动。1.2.4 窑洞的发展趋向（1）通过系统的总体规划，使土地资源得到充分有效的利用，同时降低建设成本，创造现代窑洞升级所必需的整体功能。（2）窑洞空间的布局与功能更加完善。（3）敬畏自然、节约资源、优化设计为中心的生态建设观念。（4）提高窑洞建筑构造的品位 12。1.2.5 窑洞破坏的原因及其防治窑洞破坏的原因：窑洞建筑是拱结钩，拱结构最明显的受力特点就是对底部支座位移非常敏锐，当内力引发的拉应力大于其抗拉强度时就会造成裂痕或坍塌。窑洞作为生土建筑，当黄土的含水量加大时，它的重力密度也会增加，本身的坚硬强度会降低，从而造成支座位移加大，内力增大，进而引起窑洞裂痕或坍塌13。破坏的防治措施如下：（1）改进窑洞结构，应增加拱的高度，从而减小推力轴承位移的减小程度，进而防止窑洞的破坏。（2）作好排水处理工作，如果土壤含水量过大，土体会变重，强度会相应降低，承载力也会急剧下降。（3）作好防水处理工作，设计防水层，避免雨水渗透到拱圈，形成拱圈变形。（4）保证良好的通风，在山洞里打开通风口或通风天窗，并迅速清除洞内潮湿空气，以免因洞穴的吸湿引起的局部坍塌。（5）侧填土必须保证足够厚度，拱脚上方的侧填土也必须保持一定的厚度和宽度，而且要保证拱脚的水平推力，防止引起水平位移，造成窑洞裂缝或坍塌14。1.3 本文的主要研究内容及方法概述1.3.1 主要研究内容本文所开展的研究工作主要有以下几个方而的内容：第一，查阅收集相关资料，对窑洞的历史和现状、分类、分布、优缺点和施工方法有了较为全面的了解，总结概括窑洞代表性成果。第二，对庆阳地区窑洞的实地考察。主要包括窑洞建造尺寸，结构布局，衬砌优化等方面。第三，软件模拟计算与分析。1.3.2 主要研究方法概述通过有限元仿真模拟软件ADINA模拟窑洞，建立窑洞模型，进行结果分析，对比不同尺寸下的窑洞，最后通过分析所得结果对黄土窑洞的安全与稳定性作出初步判别。技术路线图如图1-1所示：图1-1 技术路线图2 庆阳地区黄土窑洞2.1 庆阳地区黄土窑洞的研究现状2.1.1 庆阳地区黄土窑洞概述庆阳，甘肃省直辖市。位于甘肃省最东部，在陕甘宁三省区的交汇处，系黄河中下游的黄土高原沟壑区，黄土窑洞是汉族具有悠久的历史，以及浓厚的中国民俗风味的建筑构造。窑洞背风朝阳，可以很好的采光。庆阳窑洞以其独特的建筑特色吸引了国外建筑专家。但是近些年以来，人民的生活水平得到很大的提高，有很多农户建造了楼房，造成越来越多的窑洞被填平或被复垦，窑洞变得越来越少，更具有研究价值。作为人类建筑史上的遗物，它被人们特别珍视和保护着15。2.1.2 窑院布局就形式布局而言，庆阳窑洞主要有以下四种：1）明庄布局如图2-1：依山劈崖，挖窑而居，一般是三面空旷，也有三面临崖，一壁向沟壑的。这种庄子有的修成正方形、矩形，有的修成半圆形。该布局形式主要散落分布在庆阳原边沟壑地区。2）半明半暗庄布局如图2-2：前有高地，后有大山，庄院前土不可以全部取完，应该低于正庄面数米，修大门。这类布局适用于地面或丘陵比较平缓地形。3）地坑院布局如图2-3：这种住宅一般是在旧涝池或废坑的基础上开挖出大方坑，在周围开挖窑洞，多数情况在三面开挖窑洞，剩下的一侧开巷道，用来行人。这种布局排水有困难是最大的问题，因此建议原区居民修建，其他地方修建比较耗时，而且易受水灾，必须做好治水工作。近代，居民利用瓦房和窑洞各自的优点，创造了一种更为适用平原干早地区的住所布局形式箍窑。4）箍窑布局如图2-4：是用土坯或自然石块造成的地面窑洞，克服了地坑院布局中的缺点，深受黄土高原原区居民的喜爱。相比该窑洞和地坑院，它可以更多的节省劳动力和建筑材料，并且继承了窑洞夏季凉爽，冬季温暖，经济和实用的特点，和砖房相比，更节省成本，更适合人们居住。本文就半明半暗庄得窑洞布局进行模拟分析，此种布局运用的很广泛，具有一定的研究价值和意义。 图2-1 明庄布局 图2-2 半明半暗庄布局 图2-3 地坑院布局 图2-4 箍窑2.1.3 窑洞的尺寸在庆阳地区，窑洞的深度和宽度特征最为突出，最普通的窑洞约11米深，宽为4米，总的高度为4米，如此大的规模在整个洞穴建筑界是罕见的，具有很高的研究意义。在黄土高原洞穴地区，一般来说，窑洞跨度不宜过大，小于3米为宜，当土壤良好时，可大于3米。2.1.4 窑洞采光能力的提高陇东黄土窑洞，多为一门一窗或一门两窗，门高是2.22.4 m，宽约0.91.2m，窗多为6090 cm见方。现在都加大了门窗尺寸，虽然也有多数窑洞依然保留以前的小格窗花饰，但近年来新建窑洞，则选用楼房大框格的窗扇，并装上玻璃代替窗纸，加强了自然采光和透风，洞内墙和窑洞顶部都刷上白灰和涂料，改善了采光，有的还在气窗上再开一个半径为15 cm左右的圆孔，作通风换气之用16。2.1.5 窑洞崖面处理庆阳地区悬崖洞穴通常是直接切割而成，悬崖坡度约80，许多古老的窑洞是成型后的崖面是未经处理的并保持到现在，截止目前，似乎整个结构仍然是安全状况良好。新建的洞穴主要是部分或全部的崖面处理，这种处理除使整个洞穴更美丽大方，更好的改进窑洞崖面抵御太阳和雨水的能力，所以当地有一定的经济能力的居民，对新修的窑洞都进行了崖面处理，并且使窑洞看起来更漂亮，具有一定的观赏性，并且保证使用期限。2.1.6 窑洞拱曲线几何形状洞穴居民在建筑中没有进行正规的设计和科学的计算，建筑土拱系统的规模大多是以当地工匠的经验为基础，以民间口头教学的方式在生成和进化中激发真正的理解。但按照生土窑洞居民的实地调查表明，这些土拱体系的结构与受力合理的弧线很是类似。为了便于分析计算，将窑洞拱轴线的形状可以简化模拟为：圆弧、双心圆、三心圆、割圆、平头、抛物线和落地抛物线七大类拱线。2.1.7 窑洞的耐久性黄土窑洞的寿命一般在60年以上，现存的也有达两百年以上的，而百年以上的窑洞不是很常见。窑洞挖掘成型以后，需要经过时间的稳定考验，如果不出现大的掉块，关键部位也没有产生大的裂缝，则可以认为是稳定可靠的。洞穴的耐久性主要是由悬崖洞穴的稳定性决定的，一般是悬崖坡度在5%左右，崖面大量旧洞没处理好，保留至今，现在看来，整体结构依然安全完好。而新近修建的窑洞则大都进行了部分乃至全部的护面处理，这样处理后窑洞显得更加美观大方，而且提高了窑面抵御风吹日晒及雨淋的能力，所以有经济能力的居民，在建造开挖窑洞时，都处理了窑洞的崖面，并贴面修缮了崖面，以期窑洞可以长久使用。图2-5为已有很长的历史，差不多是两百年的老窑洞，崖面没有处理过，但多年风吹雨打，日晒雨淋之后，大体上依旧完好，经调查，几年前还有人居住该窑洞中，它的崖面破坏是在住户搬走后，缺少修缮才开始的。图2-6是处理了部分崖面，在崖面铺设12cm厚的砖，改善了窑洞的美观程度，并且也方便使用，延长使用时间。只进行了局部的崖面处理，还是会出现雨水冲刷下流，崖面本身局部剥蚀等不利情况。在经济许可的情况下，居民将处理全部的崖面，从外观上看，两种窑洞之间有很大的区别，处理过的窑洞看起来更加美丽大方，使用期限也得以延长，窑院保持整洁。 图2-5 崖面未处理的窑洞 图2-6 对崖面进行了部分处理土窑洞的耐久性，在很大程度上取决于维护和保养，例如住人窑洞就耐久，而不住人却容易破坏，这是由于住人窑洞一般通凤干燥，注意维修、加固，保养及时的原因。2.2 庆阳窑洞细部优化的两点讨论2.2.1 窑洞细部结构布局的重新调整首先，针对黄土窑洞中黄土的不均匀性和粘土砖窑洞的不完整性，采用加固梁或结构基础梁，以提高其在某一特定部位的完整性。其次，添加排水系统，可以有效减少地基的不均匀沉降。此外，黄土属于强结构土壤，在反复冻结和解冻后土壤强度会随之减小，在窑洞内设置防冻层可以有效抑制地基的不均匀沉降。最后，用水泥砂浆和石灰膏来代替不那么粘结的黄土，这不仅漂亮，而且可以防止土壤层脱落 17。2.2.2 窑洞衬砌造价问题目前，庆阳的窑洞在很大程度上还没有形成洞穴衬砌。现有的衬砌主要采用土坯内衬和粘土砖衬里，许多旧窑没有衬砌，绝大部分都出现了局部的剥落、掉块等现象。之所以没有做衬砌的首要原因是经济收入。对洞衬成本的调查和估算表明，对于一般尺寸的溶洞，用土坯制成的墙体造价约为四元和五千元；如果12cm厚粘土砖砌抹灰，成本几乎是1万元以下，然而用24cm厚的粘土砖衬砌和粉刷，差不多得1.5万元。这个数据可以看出，结合当地村庄的整体经济形势，也就是在庆阳地区做洞衬砌是可行的，经济条件较好的家庭可能是24cm厚粘土砖内衬材料的首选，而经济条件不是很好的家庭可以考虑使用12cm厚的粘土砖做为衬砌原料18。2.3 本章小结本章主要介绍庆阳地区黄土窑洞的研究现状，主要包括窑洞的尺寸、采光能力、崖面处理、拱曲线几何形状以及窑洞的耐久性；其次是窑洞的布局，包括明庄、半明半暗庄、地坑院、箍窑四类；最后提出窑洞细部优化的两点讨论，结构布局以及衬砌造价问题。3 用ADINA拟建庆阳地区的黄土窑洞模型3.1 ADINA软件简介ADINA软件以有限元理论、材料力学、结构力学、温度场数值解为基础，是可以进行仿真的模拟软件，ADINA软件具有广泛的模拟能力，因此在机械、汽车、材料加工、航空、航天、土木、电子电器、军工、生物力学等领域都有应用19。3.2 材料属性定义本文中的模型所选用的材料为理想的弹塑性材料，即选用Mohr-coulomb材料进行建模，该种材料服从理想塑性Mohr-coulomb破坏准则。它的表达式如下: （3-1）式中：c材料黏聚力；材料内摩擦角；剪切面上的剪应力；剪切面上的正应力；材料极限剪应力。 （3-2） （3-3）将式（3-6）和（3-7）代入式（3-5）中得： （3-4）整理得到摩尔-库仑屈服准则表达式： （3-5）式中：lode角； （3-6） （3-7） （3-8）3.3 建模理论3.3.1 浅部窑洞根据浅部窑洞的结构特点，依据浅表层岩石力学中的太沙基理论和普氏，太沙基理论假设岩石频散，但具有一定的凝聚力。这种理论适用于浅地表土体压力计算。由于岩体中往往存在着一级、二级结构面和开挖硐室施工的影响，围岩不能形成完整连续的整体，所以采用太沙基理论计算围岩压力可以取得较好的效果。太沙基理论源于垂直围岩压力的应力传递原理。普氏理论是基于两个假设，一种假设是洞室围岩不存在内聚质量，另一种是围岩的稳定压力拱可以在洞室围岩中形成。运用这两种假定，可以大为简化围岩压力的计算。普氏理论的基本前提条件是确定顶部形成压力拱，以便承受岩体自重力及其他方向的荷载20。图3-1 普式围岩压力计算模型应力状态满足下列方程： （3-9） （3-10） （3-11） （3-12）式中：拱轴线上部岩体的自重所产生的均布载荷；平衡拱拱顶截面的水平推力；,分别为顶点的X,Y轴坐标；岩体容重；坚固性系数；岩体内摩擦角；变形后的跨度；自然拱拱高；变形后的拱高；距离地面的高度；变形前侧向压力；变形后侧向压力。3.3.2 较深部窑洞通过研究较深部窑洞的特点，运用地下施工基础理论、弹性理论中的基尔希理论以及薄壁平板孔模型，建立较深部窑洞模型。所运用的理论是将围岩看作均质，各向同性，线弹性的假设；断面内水平和竖直方向的原岩应力相等，且沿其长度方向不变化；断面为半圆拱形，长度方面围岩的性质一致，这样原问题就载荷与结构可以采用平面应变问题的方法，取其任一截面作为其代表研究21。窑壁破坏一般可以看作剪切破坏，它服从莫尔强度规则，其破坏点的应力状态满足下列方程： （3-13） （3-14） （3-15） （3-16）式中：破坏点切向正应力；破坏点径向正应力；破坏点剪切应力；岩石的黏结力；内摩擦系数3.4窑洞模型的建立针对浅部窑洞的结构特点，在ADINA软件AUI界面下，选用ADINA Native方式建立几何模型，共建浅部和较深部两种窑洞模型。 3.4.1 浅部窑洞模型根据对庆阳地区窑洞实地考察丈量，模拟浅部窑洞的几何尺寸，如表3-1所示。表3-1 建模过程所用尺寸窑洞进深（m）窑洞宽度（m）窑洞高（m）直壁高拱高总高104.02.02.04.0根据黄土地区原状黄土的基本物理参数值，参考相关资料，选用下面的参数作为窑洞模拟时的材料参数，如表3-2所示。洞室开挖影响范围是其理论直径的3倍，依据相关经验，取其宽度的3-9倍范围进行计算。故本文中所做模型取窑洞壁高和拱高的5倍范围来进行仿真建模，所取外围模块尺寸为20m20m30m。表3-2 窑洞模拟时的材料参数弹性模量E（Mpa）泊松比重度（kN/m3）粘聚力c（kPa）内摩擦角f（）衬砌材料500.316.58020建立浅部窑洞模型如图3-2所示：图3-2 浅部窑洞模型3.4.2 深部窑洞模型根据对庆阳地区窑洞实地考察丈量，模拟深部窑洞的几何尺寸，如表3-3所示。表3-3 建模过程所用尺寸窑洞进深（m）窑洞宽度（m）窑洞高（m）直壁高拱高总高104.02.01.83.8根据黄土地区原状黄土的基本物理参数值，参考相关资料，选用下面的参数作为窑洞模拟时的材料参数，如表3-4所示。表3-4 窑洞模拟时的材料参数弹性模量E（Mpa）泊松比重度（kN/m3）粘聚力c（kPa）内摩擦角f（）衬砌材料1000.318.510020建立深部窑洞模型如图3-3所示：图3-3 深部窑洞模型3.4.3 设置初始地应力场一般情况下不用设置初始地应力场可以得到开挖前的地应力分布，但为了平衡重力场，得到更准确的数据，应该设置初始地应力场。导入初始应力：进入ADINA后处理模块看到建立的几何模型的初始地应力，并使用列表区域列出所有节点的应力值，设置重力参数，确定载荷方向，施加边界条件，定义所需材料参数，最后定义单元。3.5 本章小结本章给出了有限元仿真软件ADINA的材料属性，以及用于建模理论，较为全面的阐述了运用ADINA软件、岩体力学浅地表中的太沙基和普氏理论以及地下施工基础理论、弹性理论中的基尔希理论以及薄壁平板孔模型，根据窑洞的几何尺寸、模型参数、设置的初始应力场，建立浅部和较深部两种窑洞模型。4 结果分析4.1 模型计算图4-1 浅部窑洞 图4-2 深部窑洞本文所研究的深部窑洞模型只是取所作深部窑洞模型的单一截面，如图4-3所示：图4-3 深部窑洞截面用ADINA模拟软件分别计算出窑洞的应力，得到窑洞节点单元的初始应力数据，并将其通过转换导入ADINA-Structures的计算模型，从而进一步计算窑洞位移及应力值。设置好模型所用到的计算参数后，即可用ADINA求解单元进行计算，得到开挖后的窑洞模型，如图4-1、4-2所示。4.2计算结果概述4.2.1 浅部窑洞模型计算结果（a） （b）（c） （d）图4-3 浅部窑洞模型的应力分布浅部窑洞模型的应力分布如图4-3所示：在建模、计算全部完成后，对计算结果云图和数值进行数据分析，由图（a）可以看出窑顶的应力变化最大1110000Pa-990000Pa，即窑洞顶部最容易受到破坏；由图（b）可以看到窑顶部位变形位移由距离地面的深度所决定，越深受到的变形位移越大-2.4cm-2.4cm，既有压缩变形也有拉伸变形；由图（c）可以看到窑拱中部变形位移最大，向两侧减小；由图（d）可以看出窑洞顶部应力由顶点向两边减小，两边各减小到1.8m左右就保持不变。应力最大值和位移的最大值都出现在窑洞的顶部，这正好与窑洞破坏现象相吻合，所以窑顶的位置是窑洞受到破坏变形的关键部位，在实际建造的窑洞中，必须保证窑洞顶部处坚固安全。4.2.2 深部窑洞模型计算结果深部窑洞模型的应力分布如图4-4所示：（a） （b）（c） （d）图4-4 深部窑洞模型的应力分布从窑洞应力计算结果来看，位移和应力最大值出现在窑洞顶部、拱脚处，恰好与窑洞破坏现象吻合，所以这些部位是窑洞破坏的关键部位。图（a）窑洞横向位移的最大值2.9cm在开挖初期会明显增大，随后基本保持不变；图（b）窑洞横向应力最大值随开挖深度变化而变化，其应力的最大值是2400000Pa，在刚开始开挖不到1m范围内明显增大，随后会减缓直到基本保持不变260000Pa；图（c）可以看出窑洞竖向位移的最大值在开挖初期会明显增大，随后基本保持不变，而横向位移不是非常明显；由图（d）可以看出洞穴的垂直位移和应力值是最明显的，尤其是拱顶以及拱脚部位，位移能达到10cm左右。对于所作模型，竖向和横向的位移、应力深刻影响着窑洞的安全与稳定性，是具有决定窑洞使用期限的重大意义。4.3几何尺寸对比分析4.3.1不同高度对比结合相关资料以及所得窑洞模型分析，高度较大的窑洞，其位移与应力值也更大。因此，在实际应用过程中的开挖高度范围内，采用较小的高度进行开挖，可以较好地保证窑洞的安全与稳定。4.3.2不同宽度对比分析所建窑洞模型，查阅相关资料，可以看出，较大尺寸窑洞的位移与应力值都大于较小尺寸。因此，在相同的土体参数下，采用较小的几何尺寸更利于窑洞的安全与稳定 22。4.4衬砌窑洞与无衬砌窑洞的对比分析衬砌窑洞更利于窑洞的安全稳定，并且可以延长窑洞的使用期限，看起来更加美观大方，与无衬砌相比，受到载荷分布更均匀，位移也会有所减小。因此，应该给窑洞增加一定的衬砌并保证其质量，尤其是关键部位，这是提高窑洞安全性与稳定性的有效途径23。4.5 本章小结本章主要根据建模参数作出所需窑洞模型，首先遵循“点、线、面”的操作顺序建立模型大体，其次定义所需边界和施加载荷以及材料参数，然后定义单元，划分网格，生成ADINA数据文件，把结果文件载入到分析模式，查看结果，最后通过应力分布云图，分析对比不同几何尺寸以及衬砌窑洞与无衬砌窑洞。5 结论与展望5.1 结论庆阳地区黄土窑洞有着古老的历史，而且分散范围比较大，是黄土地区居民非常熟知一种民居形式，在中国民居建筑界中也占有着非常重要的地位。本文重点研究了庆阳地区黄土窑洞的安全与稳定性，利用有限元模拟软件ADINA对庆阳地区的黄土窑洞进行了模拟计算，分析了材料参数、几何尺寸和衬砌对位移与应力的影响，得出如下结论：(1)窑洞竖向位移的最大值出现在窑洞顶部，横向位移的最大值出现在窑腿中部，应力最大值出现在窑洞底脚和拱脚处，因此，这些部位是窑洞中最易被破坏的部分。(2)进深为10米的窑洞在开挖至4米时，位移的最大值就会出现。 应力的最大值则出现于开挖1米时，所以窑洞开挖的前半段易出现过大的变形。 (3) 窑洞的应力值随着土质参数的增加而减小，因此，在土质参数较大的黄土地区，窑洞将具有更高的安全性和稳定性。(4) 在相同土质参数条件下，大尺寸窑洞的位移、应力值均明显大于小尺寸窑洞；在相同的宽度和相同的土体参数下，高度较大的溶洞的位移和应力值相对较大。所以，在满足人们居住使用的前提下，可以考虑采用较小的开挖高度和宽度，以提高窑洞安全与稳定性，节约资源。 (5)提高窑洞的衬砌质量，并且保证其质量，特别是关键部位的衬砌质量，是提高溶洞安全稳定的有效途径。5.2 展望由于自己的学问有限，本文对窑洞的模拟计算与剖析还不够全面，深度方面也有欠缺的地方。故在以下几个方面，还有待进一步的研究与分析：(1) 对窑洞抗震性方面的动力分析与研究。(2) 文中的窑洞的并未进行具体的模拟开挖，缺少详细的实验数据。(3) 通过模型计算分析各理论值(变形量、应力值)与实际问题的差距还不得而知。-22-参考文献1 侯继尧，王军著.中国窑洞M.河南科学技术出版社，1999.2 刘小军，王铁行，韩永强等.黄土窑洞的病害调查及分析J，地下空间与工程学报，2007，3(6)：996-999.3 钟珂.窑洞室内物理环境的基本特征.西安建筑科技大学学报J，1999，31(1)：11-13.4 吕东军.走向生土建筑的未来.西安建筑科技大学学报J，2001，33(2)：147-149.5 荆基敏.生土建筑.建筑学报J，1994，(5)：43-47.6 王怡，赵群，何梅等.传统与新型窑居建筑的室内环境研究.西安建筑科技大学学报J，2001，33(4)：309-312.7 曹燕,朱世广. 论庆阳窑洞住宅的特征J. 陇东学院学报(社会科学版),2006,(04):91-95. 8 李峥,裴雷.中国传统建筑中的“土”文化窑洞建筑J. 武汉科技大学学报(自然科学版),2000,(01):69-71.9 吕燕红,季强.对传统窑居原生绿色思想的思考J.山西建筑,2007,(04):35-36.10 周庆华.黄土高原传统窑居空间形态更新模式初探.新建筑J，2005，(4).11 武际可，徐丹.从窑洞的冬暖夏凉谈起-一种居室温度调节的节能前景.力学与实践J，2000，22(2)：75-77.12 袁薇.陇东窑洞的特点及发展.