生土窑居作为一种古老的建筑形式,是中国黄土高原地区极具民族特色的民居形式。它取于自然,融于自然,归于自然,具有施工简便、冬暖夏凉、节约能源、生态环保等一系列优点,目前在我国黄土高原地区仍有近千万人居住在生土窑洞中。由于其独特的结构形式以及黄土材料自身的特性等问题,生土窑洞在使用中存在诸多病害,尤其是降雨入渗下塌毁频繁,严重威胁居民的生命财产安全。降雨入渗增大了土体的密度,也降低了土体的强度,进而影响窑洞的稳定性。因此开展降雨入渗下生土窑居的结构性能及灾害形成机理的研究,既有一定的理论意义,也有巨大的社会经济效益。为此,本文以豫西地区的生土窑洞为研究对象,在国家“十二五”科技支撑计划项目课题(课题编号:2015BAL03B03)的支持下,对降雨入渗下生土窑居的结构性能及破坏机理进行了分析,主要做了以下工作:(1)选取豫西地区黄土,制作重塑黄土土柱以模拟天然含水率状态下的黄土土层,进行室内降雨模拟试验,得到了不同降雨量下的入渗深度及不同入渗深度内土体的含水率分布情况,建立了降雨量与入渗深度及入渗土层含水率的数学模型,量化分析了降雨在黄土中的入渗规律。(2)通过对原状土样的掩埋增湿试验,确定了不同含水率黄土的密度,并对10种含水率的重塑黄土试样分别进行弹性模量试验、三轴剪切试验,得出不同含水率黄土的弹性模量值、粘聚力及内摩擦角,量化分析了含水率对黄土的物理力学性质的影响规律及机理,建立了黄土的密度、弹性模量、抗剪强度与含水率的数学模型,为数值分析提供了参数依据。(3)结合现场调研与试验结果,选取合适的研究对象、结构尺寸及材料参数,利用数值分析的方法建立覆土厚度为3m的生土地坑窑有限元模型,对比分析了降雨入渗深度为1m、2m、3m时生土窑洞的位移、应力、应变特征,找到了生土窑洞在不同降雨入渗深度下的结构薄弱部位及灾害形成条件。(4)为分析覆土厚度对降雨入渗下窑洞稳定性的的影响,建立覆土厚度为2~5m的生土窑洞模型,分析了在豫西地区近20年最大降雨量完全入渗时生土窑洞的位移、应变特征,得到了降雨入渗下覆土厚度对窑洞稳定性的影响规律及此降雨入渗深度下的最优覆土厚度,验证了豫西地区生土地坑窑居覆土厚度主要为3~4m的科学合理性。(5)在不考虑降雨入渗的情况下分析了生土窑居的受力机理,基于普氏理论与生土窑居的自支撑结构特性,求得拱顶的自然平衡拱高度计算公式与临界坍塌深度计算公式,并结合数值模拟结果验证了理论计算的正确性,为分析降雨入渗对生土窑居结构性能的影响机理提供了理论依据。(6)通过对降雨入渗后窑顶平衡拱高度的变化规律分析、平衡拱高度的敏感性分析及降雨入渗深度与平衡拱的相对位置关系分析,阐述了降雨入渗下生土窑居的破坏机理,得出了生土窑居的临界降雨入渗深度及最优覆土厚度的计算方法,并分析了降雨入渗对生土窑居坍塌破坏的影响,推导出降雨入渗下生土窑洞的临界坍塌深度公式。