摘要：以河南省三門峽地區某窯洞為研究對象，進行了有限元分析，通過改變窯腿的寬度得出最大應力、最大位移所對應的位置及其變化規律，為以后設計和開挖窯洞提供了一定的參考依據。
　　關鍵詞：生土窯洞；窯腿；有限元法；結構體系
　　TheImpactAnalysisoftheKilnLeg′sWidthTowardsStructureSystem
　　ofImmatureSoilCaveDwelling
　　JiDong-Yu
　　（1.CollegeofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,450002,China
　　2.DepartmentofCivilEngineering，HunanUrbanConstructionCollege.Xiangtan411101，China)
　　Abstract：AFiniteElementAnalysishasbeencarriedouttowardsacaveinthecityofSanmenxiainHenanprovincethroughchangingthewidthofthekilnleg,whichleadtoMaximumstressandmaximumdisplacementcorrespondingtothelocationandtheirvariation.TheFiniteElementAnalysiscanprovideacertainReferencefordesigningandexcavatingcaveinthefuture.
　　Keywords:immaturesoilcavedwelling;kilnleg;finiteelementmethod;structuresystem;
　　1引言
　　我國目前約有3000萬人仍居住在窯洞中[1]，具有冬暖夏涼、保溫、隔熱、儲能等功能，顯著的生態優勢說明了窯洞民居需要保護，因此研究窯洞的力學特征及破壞原因，進而對窯洞進行加固和改造，這對于窯洞的防災減災有特別重要的作用。
　　生土窯居是我國黃土高原極具特色的一種民居類型[2]。窯洞民居是利用黃土壁立不倒的特性而挖掘的拱形穴居,是自支撐土拱結構體系，沒有任何支護，它的幾何形狀、構造尺寸、構成方式無不蘊涵著豐富的科學智慧和巧奪天工的匠意。式住宅，分布在我國黃土高原的南部，其黃土厚度一般為50—150米，屬于北溫帶大陸性季風氣候區。
　　2結構分析的有限元法
　　近年來發展起來的一種非常有效的結構分析方法，并且從理論和應用上都發
　　作者簡介：姬棟宇（1981—），男，河南濮陽人，講師，博士研究生，主要從事結構數值仿真研究工作
　　展的較為完善。文本利用三維有限單元法對窯室的跨度進行分析，把并把分析結果與實際破壞結果進行對比。
　　2.1研究對象
　　以河南省三門峽地區某窯洞為研究對象，進行分析其窯洞的力學特征。窯洞結構尺寸參數的選取為[3]：窯腿寬度3m，窯洞的跨度3m，覆土厚度3m，側墻高1.8m，拱矢1.2m。如圖1所示。

                                 
　　圖1窯居結構尺寸參數示意圖
　　2.2基本參數 
　　該窯洞采用主要材料參數，重度為13.5KN/m3；彈性模量為EC=8MPa；泊松比為μ=0.3；內摩擦角為φ=22.8°；粘聚力為c=51.8Kpa。
　　2.3計算模型
　　根據該窯洞結構的尺寸，建立結構有限元計算模型，采用45單元來模擬。結構的有限元計算模型如圖2所示。假定土的側壓力按擋土墻計算，且為被動土壓力。

                          
　　圖2窯洞結構有限元計算模型
　　3窯腿寬度的變化對窯洞的影響
　　通過采用三位有限元法，對其所選結構進行分析，得出在土自重的情況下窯洞結構的豎向位移最大值發生在窯洞的拱頂位置，且最大位移為-47mm；窯洞結構的水平最大位移發生在窯洞的拱圈與側墻交接處，且最大位移為15mm；窯洞結構的進深方向最大位移發生在窯洞跨中與上地面交接處，且最大位移為-22mm；并且窯洞的最大應力發生在窯洞的最薄弱的部位——窯腿底部，最大值為174.323KPa。
　　由于窯腿是窯洞的最薄弱的部位，通過采用三維有限元法，只改變窯腿寬度的大小，其它參數不變，分析其變化規律。通過分析發現窯洞在土自重的情況下位移最大發生在窯洞的拱頂位置和窯洞的拱圈與側墻交接處。
　　窯腿的寬度分別取為2m、2.5m、3m、3.5m。通過改變窯腿尺寸得出窯洞在土自重的情況下，最大位移發生在窯洞的拱頂位置和窯洞的拱圈與側墻交接處見表1；最大應力和最大位移所對應的位置見表2。
　　表1窯腿寬度變化對拱頂處和拱圈與側墻交接處的位移（單位：mm）
　                　　
　　表2.窯腿變化的最大應力、最大位移及其位置（單位：mm）

                  
　　分析最大應力、最大位移所對應的位置得出其變化規律：窯洞的最大主應力發生在拱腳處，隨著窯腿寬度的增大而先增大再減小。最大值是發生在為3米寬的窯腿。
　　窯洞的水平方向最大位移發生在窯洞拱圈與側墻的交接處，隨著窯腿寬度的增大其水平方向位移有明顯的減少，從這一變化規律上說明了窯腿的部位是窯體結構的敏感部位，也是薄弱部位；
　　窯洞的豎向位移隨著窯腿寬度的增大而減少；
　　窯洞進深方向的最大位移發生在窯洞跨中與上地面的交界處，隨窯腿寬度的增大而減小；
　　4結論
　　通過改變窯腿的尺寸變化分析，得出最大應力和最大位移所對應的位置及其變化規律。給以后設計和開挖窯洞施工提供了一定的參考依據。建議找開挖窯室時，注意合理選擇窯腿的尺寸，以保證窯洞的穩定性。計算得出在土自重壓力的情況下窯洞結構的破壞規律與現場調研窯洞的破壞規律相吻合。
　　
　　參考文獻：
　　[1]靳亦冰，王軍.新農村建設帶給窯洞民居的機遇與挑戰[C]，第十四次中國民居學術會議論文集.澳門,2006.
　　[2]侯繼堯，王軍.中國窯洞[M].鄭州:河南科學技術出版社,1999.
　　[3]童麗萍，韓翠萍.傳統生土窯洞的土拱結構體系[J]，施工技術，2008，37（6）