冻融作用对不同覆土厚度黄土窑洞灾害的影响

计算分析采用高精度 ６ 节点三角形单元进行网 格划分， 采用 Ｍ ｏ ｈ ｒ －Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ准则作为土体的屈服 准则。计算时通过单元激活与消亡模拟窑洞开挖过
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水利与建筑工程学报
第１ ０卷
时， 洞口局部土体将发生破坏， 窑洞的稳定性受到较 大的影响。因此， 在季节性冻土区域， 春季是重复冻 融作用频繁发生的时段， 应该及时加强洞顶位移监 测和洞周土体的变化情况， 对有危险的窑洞应该及 时采取有效的加固措施， 防治窑毁灾害的发生。
构尺寸为： 跨度（ ） 为２ 。窑洞口高度 Ｂ ． ０ｍ～４ ． ０ｍ （ ） 为２ ， 垂直壁高度（ ） 为１ Ｈ ． ５ｍ～ ４ ． ５ｍ Ｈ ． ０ｍ～ ２ １ ， 覆土厚度（ ） 为３ ， 窑顶曲线考 １ ． ３ｍ Ｈ ． ０ｍ～ ８ ． ０ｍ ３ 虑施工方便和传统作法， 可用三心圆来描述。本文 取最为常见的单孔窑洞进行计算， 所取窑洞模型尺
０ 引
言
或者因温度变化， 使组成土体的矿物不均一地热胀 冷缩， 并在内部产生不均匀应力， 从而造成土体破裂
］ １ 和土块崩落［ 。冻融作用还可引起窑壁在气温回升
黄ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ窑洞以黄土体为建筑材料， 直接暴露于大 自然， 很容易受到外界环境的影响。黄土窑洞富集 区基本上都处于季节性冻土地区， 冻融作用明显。 黄土体是结构性很强的土体， 历经反复冻融后土体 强度降低， 在大气外部物理风化作用下土体遭到破 坏， 产生这种情况的原因： 一是由于温度的持续变 化， 土颗粒不断地经受热胀冷缩作用； 二是当土温低 于土体中水的冻结温度时土中部分水冻结会产生冻 胀， 增大土中的孔隙体积， 随初始含水率增大（ 土中 饱和度增大） ， 冻胀加剧且被增大的孔隙体积在土体 融化后不能完全复原
。冻融现象在阴坡面窑洞出
现非常严重， 会在窑脸土崖底部经常出现土层剥落 病害， 不利窑洞稳定。在节理发育显著地地方， 由于 节理裂隙中的水分冻结膨胀， 致使土体破裂成碎块，
收稿日期： 修稿日期： ２ ０ １ ２ ０ ４ ２ ０ ２ ０ １ ２ ０ ５ １ ３ 作者简介： 房江锋（ —） ， 男（ 汉族） ， 陕西西安人， 硕士， 主要从事岩土工程勘察设计工作。 １ ９ ８ ４
：Ｔ ，ｗ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｉ ｌ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｓ ｄ ａ ｍ ａ ｇ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｉ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈｉ ｓ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｒ ｅ ｐ ｅ ａ ｔ ｅ ｄｆ ｒ ｅ ｅ ｚ ｅ ｔ ｈ ａ ｗａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ｉ ｃ ｈｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ，ｔ ｍ ａ ｉ ｎｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎｌ ｏ ｅ ｓ ｓ ｃ ａ ｖ ｅ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ． Ｖ ｉ ａ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｌ ａ ｗｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ｅ ｅ ｚ ｅ ｔ ｈ ａ ｗａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｕ ｐ ｐ ｅ ｒ ｓ ｏ ｉ ｌ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ ｌ ｏ ｅ ｓ ｓ ｃ ａ ｖ ｅ ｉ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ’ ；Ｉ ， ｓ ｄ ｉ ｓ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｍ ｏ ｒ ｅ ｏ ｂ ｖ ｉ ｏ ｕ ｓ ｎｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍ ｅ ｆ ｒ ｏ ｚ ｅ ｎ ｔ ｈ ａ ｗａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍ ｂ ｅ ｒ ｏ ｆ ｒ ｅ ｐ ｅ ａ ｔ ｅ ｄｆ ｒ ｅ ｅ ｚ ｅ ｔ ｈ ａ ｗａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｎｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｖ ｅ ’ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｉ ｌ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｖ ｅ ｓ ｄ ｉ ｓ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ． ：ｆ ；ｕ ；ｌ ；ｆ Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｒ ｅ ｅ ｚ ｅ ｔ ｈ ａ ｗａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｐ ｅ ｒ ｓ ｏ ｉ ｌ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｅ ｓ ｓ ｃ ａ ｖ ｅ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ
房江锋１ ， 李 楠２
（ 深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 ５ ；２ 渭南市城乡规划设计研究院，陕西 渭南 ７ ） １ ． １ ８ ０ ２ ９ ． １ ４ ０ ０ ０ 摘 要：反复冻融作用使土体微结构破坏和强度降低， 是黄土地区窑洞病害发生的主要原因。通过有
限元计算， 分析了冻融作用下不同上覆土层厚度对窑洞灾害的影响规律。结果表明： 重复冻融次数对窑 洞病害的影响比较明显； 在经历相同冻融历时情况下， 覆土厚度的增加可以降低窑洞的冻融病害。 关键词：冻融作用； 上覆土层厚度； 黄土窑洞； 有限元法 中图分类号：Ｔ Ｕ ４ ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ —１ （ ） —０ —０ ６ ７ ２ １ ４ ４ ２ ０ １ ２ ０ ６ １ ２ ４ ４
图 ２ 有限元计算网格
２ 计算结果分析
２ ． １ 位移变化规律 随着冻融循环次数的增加， 窑面区域土体含水 率逐渐增大， 土体强度指标逐渐下降。图 ３ 为重复 冻融 ６ 次后洞周土体的竖向位移矢量图， 图中可见： 窑脸部位土体在冻融作用影响下产生竖向位移， 洞 室直墙和拱腰部位的位移矢量密集且较大， 说明冻 融后竖向最大位移发生在直墙和拱腰区域； 图４ 为 重复冻融 ６ 次后洞周土体的水平位移矢量图， 图中
３ 图 １ 干密度ρｄ＝ 土样冻融试验结果 １ ． ３ ５ｇ ／ ｃ ｍ
可见： 窑脸部位土体在冻融作用影响下产生水平位 移， 随着竖向应力的增大， 位移逐渐增大， 最大水平 位移发生在洞底墙脚区域。
黄土的物理力学性质与土体含水率有着密切关 系， 为此， 本文通过查阅文献［ ］ 及黄土地基勘察 ７ － ９ 报告， 确定冻融前后黄土体的物理力学指标（ 见表 ） 。 １

第１ 卷第 ６ 期 ０ 年１ 月 ２ ０ １ ２ ２
水利与建筑工程学报
［ ］ １
时的融塌， 造成窑洞表面冻融侵蚀破坏。这是因为 崖壁冻结从上方和侧面两个方向进行， 土体上部的 冻胀量大于下部， 冻裂也比下部宽， 致使土体向沟道 一侧倾斜， 当春季融化时， 上部融化的速度远远快于 下部， 土体因抗剪强度迅速降低而产生崩塌。
１ 计算模型及参数确定
］ ２ 任侠［ 等人通过实地调研， 得出一般窑洞的结
程。数值模拟考虑洞室开挖前土体内的初始应力 场， 以消除开挖前土体自重作用产生的变形。洞室 下方和两侧计算范围均取距洞室中心 ６ 倍洞室 ～８ 半径， 边界条件取为： 左右边界约束水平方向位移 ） ， 底边边界约束水平和竖直方向位移（ （ ｕ ０ ｕ ｘ＝ ｘ＝ ） 。有限元计算模型及网格见图 ２ 。 ｕ ０ ｙ＝
１ ２ ，Ｌ Ｆ Ａ Ｎ ＧＪ ｉ ａ ｎ ｇ ｆ ｅ ｎ ｇ Ｉ Ｎ ａ ｎ
（ ，Ｌ ，Ｓ ，Ｇ ，Ｃ ； １ ． Ｓ ｈ ｅ ｎ ｚ ｈ ｅ ｎＺ ｈ ｏ ｎ ｇ ｇ ｕ ａ ｎ ｇＮ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＤ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎＣ ｏ ． ｔ ｄ ． ｈ ｅ ｎ ｚ ｈ ｅ ｎ ｕ ａ ｎ ｇ ｄ ｏ ｎ ｇ５ １ ８ ０ ２ ９ ｈ ｉ ｎ ａ ，Ｗ ，Ｓ ，Ｃ ） ２ ． Ｗ ｅ ｉ ｎ ａ ｎＣ ｉ ｔ ｙ Ｕ ｒ ｂ ａ ｎ ｒ ｕ ｒ ａ ｌ Ｐ ｌ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇａ ｎ ｄＤ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｅ ｉ ｎ ａ ｎ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ ７ １ ４ ０ ０ ０ ｈ ｉ ｎ ａ
表 １ 黄土物理力学指标
冻融 次数 冻融前 冻融 １ 次 冻融 ２ 次 冻融 ３ 次 冻融 ４ 次 冻融 ５ 次 冻融 ６ 次 含水率 ％ ω／ １ ３ ． ５ ０ １ ５ ． ６ ９ １ ６ ． ０ ４ １ ７ ． ４ ７ １ ８ ． ６ ７ ２ １ ． ６ ０ ２ ２ ． ４ ２ 压缩模量 Ｅ／ Ｍ Ｐ ａ ３ ２ ． ６ ０ １ ４ ． ５ ８ １ ３ ． ４ ２ １ ３ ． ８ ６ １ ０ ． ２ ４ ８ ． ８ ６ ６ ． ８ ７ 泊松比 ν ０ ． １ ２ ０ ． １ ５ ０ ． １ ５ ０ ． ２ ０ ０ ． ２ ５ ０ ． ３ ０ ０ ． ３ ５ 粘聚力 内摩擦角 （ ） ｃ ／ ｋ Ｐ ａ φ／ ° １ ２ １ ． ４ ０ １ １ ３ ． ３ ０ ９ ３ ． ５ ０ ７ １ ． ５ ０ ４ ６ ． １ ０ ３ ３ ． ７ ０ ２ ５ ． ６ ０ ２ ５ ． ８ ４ ２ ６ ． ８ ０ ２ ５ ． ６ ５ ２ ５ ． ８ ７ ２ ５ ． ６ ５ ２ ５ ． ３ ３ ２ ４ ． ９ ５
’ Ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｆ ｒ ｅ ｅ ｚ ｅ ｔ ｈ ａ ｗＡ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｎＬ ｏ ｅ ｓ ｓ Ｃ ａ ｖ ｅ ｓ Ｄ ｉ ｓ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ Ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｕ ｐ ｐ ｅ ｒ Ｓ ｏ ｉ ｌ Ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ
融土体的土拱效应逐渐加强， 通过拱效应将上部土 体应力传向洞周土体， 而减弱了应力沿拱脚和直墙 区向墙角的传递。
图 ４ 冻融 ６ 次后洞周土体水平位移矢量图
图 ７ 覆土厚度和竖向位移关系
图 ５ 冻融次数和竖向位移关系
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄＡ ｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ