料姜石對豫西生土窯洞結(jié)構(gòu)性能影響研究.pdf

1、生土窯洞是豫西黃土高原極具特色的民居形式，也是黃土高原最為經(jīng)濟(jì)的建筑形態(tài)，是我國寶貴的建筑文化遺產(chǎn)。料姜石是生土窯洞所在黃土層中的一種特殊材料，其狀如生姜，與黃土、碳酸鈣等膠結(jié)成鈣質(zhì)結(jié)核層，俗稱“料姜石層”。料姜石層的存在改變了黃土層的力學(xué)性質(zhì)，為生土窯洞的生成創(chuàng)造了有利的條件。
　　據(jù)豫西居民所述，料姜石層在窯洞中扮演了極其重要的角色，可以提高黃土層的強度。當(dāng)?shù)鼐用駥ΩG洞選址時，會選擇在料姜石層下面開挖窯洞，相當(dāng)于在窯洞上面增加

2、了一道過梁，進(jìn)而可以改善窯洞的受力狀況，因此可以采取增大窯室的跨度、增加窯腿的高度、將拱曲線改為平頭拱等改變窯洞幾何形狀的措施，達(dá)到擴(kuò)大窯洞可利用空間，為居民生活提供便利的目的。然而，人們對料姜石層的作用僅僅有個淺顯的定性認(rèn)識，料姜石層的存在對生土窯洞結(jié)構(gòu)性能究竟有哪些影響、影響程度如何尚不得而知。
　　為了挖掘豫西生土窯洞中料姜石層的作用，筆者從黃土的材料物理力學(xué)性質(zhì)入手，探討不同位置、不同厚度的料姜石層對生土窯洞結(jié)構(gòu)性能的影響

3、，揭示先輩在窯洞選址的科學(xué)內(nèi)涵所在。本文以“十二五”國家科技支撐計劃課題——“傳統(tǒng)窯居建筑結(jié)構(gòu)安全性能提升關(guān)鍵技術(shù)研究”(2014BAL06B03)為依托，以豫西生土窯洞為研究對象，通過室內(nèi)試驗量化了不同粒徑及含量的料姜石對黃土材料力學(xué)性質(zhì)的影響，采用試驗得出的材料參數(shù)借助數(shù)值模擬軟件從結(jié)構(gòu)性能方面探討料姜石在生土窯洞的作用，量化分析了料姜石對生土窯洞結(jié)構(gòu)性能的影響，探索料姜石層的位置及厚度對生土窯洞位移、應(yīng)變、受力狀態(tài)的變化規(guī)律。本文

4、所做的主要工作如下：
　?。?）本文通過在豫西三門峽廟上村、窯底村、北營村及洛陽等地區(qū)對生土窯洞進(jìn)行實地調(diào)研，挖掘料姜石層的分布狀態(tài)，并在豫西當(dāng)?shù)厥占罅康牧辖ⅫS土、含料姜石的黃土，為豫西黃土材料的室內(nèi)試驗做好充足的準(zhǔn)備。
　　（2）通過對豫西黃土材料開展了天然含水率試驗、界限含水率試驗、料姜石檢測試驗、擊實試驗等物理性能試驗，獲得豫西黃土材料的基本物理參數(shù)、黃土中料姜石的含量及粒徑。
　?。?）通過對含有4種粒徑

5、（0~2mm、2~5mm、5~10mm、混合粒徑）及5種含量（10％、20%、30%、40%、50%）的料姜石黃土試樣分別開展了無側(cè)限抗壓試驗、彈性模量試驗及三軸剪切試驗，得出了不同粒徑及含量下料姜石黃土試樣的無側(cè)限抗壓強度值、彈性模量值、抗剪強度指標(biāo)，并根據(jù)結(jié)果建立不同粒徑下黃土無側(cè)限強度、彈性模量、抗剪強度與料姜石含量的數(shù)學(xué)模型，量化分析料姜石粒徑及含量對黃土材料力學(xué)性質(zhì)的影響。
　　（4）采用試驗所得的材料參數(shù)，運用有限元軟

6、件Ansys建立多個生土窯洞模型，對比分析窯洞拱頂有無料姜石層以及4種厚度（0.15m、0.3m、0.45m、0.6m）的料姜石層對窯洞位移場、應(yīng)力場、塑性應(yīng)變的影響，探索料姜石層的厚度對窯洞周邊土體位移及其受力狀態(tài)的變化規(guī)律，量化分析拱頂料姜石層對生土窯洞結(jié)構(gòu)性能的影響，并得出拱頂料姜石層的最優(yōu)厚度為0.3m。
　?。?）建立多個生土窯洞有限元模型，對比分析拱腳處有無料姜石層以及4種厚度（0.15m、0.3m、0.45m、0.6

7、m）料姜石層對窯洞位移場、應(yīng)力場、塑性應(yīng)變的影響，探索拱腳料姜石層的厚度對窯洞周邊土體位移及其受力狀態(tài)的變化規(guī)律，量化分析料姜石層位于拱腳處時對生土窯洞結(jié)構(gòu)性能的影響，并得出拱腳料姜石層的最優(yōu)厚度為0.45m。
　?。?）對比分析窯腿處有無料姜石層以及4種厚度（0.15m、0.3m、0.45m、0.6m）料姜石層對窯洞位移場、應(yīng)力場、塑性應(yīng)變的影響，探索窯腿料姜石層的厚度對窯洞周邊土體位移及其受力狀態(tài)的變化規(guī)律，量化分析料姜石層位