窑洞建筑是由穴居建筑演变发展出的传统民居，能充分体现朴素的原生绿色建筑思想。作为最古老的建筑类型之一，窑洞建筑在中国已有上千年历史，最早可追溯至龙山文化时期，是中华民族古老文明延续的重要见证者。

窑洞建筑主要分布在我国黄土高原地区，它不仅能充分利用黄土高原的土地资源，还能通过自然和被动的环境控制系统营造冬暖夏凉的室内环境，使建筑的能源消耗与生活成本显著降低。故目前黄土高原地区200多个市（县）中约4000万人仍在使用各类窑洞建筑，下沉式黄土窑洞便为其中一种典型的结构形式（图1）。该型窑洞的通常做法是，先平地向下开挖一个圆形或四方土坑形成天井院，再沿着坑壁的法向挖掘形成具有居住功能的洞室。下沉式黄土窑洞的建造因地制宜，充分利用了黄土材料致密、均匀、厚实及易得的优点，体现了我国古代劳动人民的建筑智慧。但黄土材料的天然缺陷也使得下沉式黄土窑洞在使用过程中面临着一些问题。自然风化、雨水侵蚀以及地震的综合作用会使得下沉式黄土窑洞产生不同程度的残损破坏，易引发结构垮塌，使得居民的生命财产面临极大安全风险。下沉式黄土窑洞常见残损破坏见图2。

图1  下沉式黄土窑洞典型构造形式

目前，针对下沉式黄土窑洞的研究主要围绕黄土材料的物理力学性能、结构静力分析以及有限元数值模拟等方面展开，而对下沉式黄土窑洞在地震作用下的破坏形态及动力响应方面缺乏系统深入的试验研究。为此，课题组基于大量实地调研数据，以陕西省三原县地区常见的下沉式两联孔黄土窑洞为研究对象，对缩尺比为1/5的下沉式黄土窑洞模型实施振动台试验，分析水  平地震作用下下沉式黄土窑洞的破坏形态、动力特性以及动力响应等特征，以期为窑洞建筑的修缮和抗震保护提供依据和参考。

2.1 模型及试验设备概况

下沉式黄土窑洞缩尺模型基本信息见图3。模型建造时使用的黄土材料取自原型结构所在地（陕西省三原县）。模型建造前，需取原型结构所在地距地面5~10 m的范围内（下沉式黄土窑洞原型结构所处深度）未扰动的原状黄土进行材性试验。根据原状土材性试验结果，对缩比模型建造时采用的重塑黄土进行试配比选，以确定最接近原状土性能的重塑黄土最优配比。依据重塑黄土最优配比数据，取重塑土样的过筛孔径、虚铺厚度、含水率以及锤击次数等作为缩尺模型建造时的主要参数。试验模型的动力相似关系见表1。

图3  下沉式黄土窑洞缩尺模型基本信息

本次试验是在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室的MTS模拟地震振动台（4 m×4 m）上进行，将下沉式黄土窑洞缩尺模型置于层状堆叠式剪切土箱中。地震波沿横向（垂直于洞室进深方向）输入。剪切箱的布置如图4所示。

2.2  加载及量测方案

原型结构处于7度抗震设防区，设计地震基本加速度为0.15 g ，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类。地震波选取El Centro波和Taft波两条实际强震记录，以及根据陕西三原县场地特性人工合成的地震波（持时40 s）。设计加载方案及输入加速度峰值如表2所示。采用逐级增大输入峰值加速度的方式，峰值加速度及加载时间根据模型试验的相似关系进行调整。加载工况分别经历了输入7度多遇地震、7度设防地震及7度罕遇地震对应的加速度峰值，直至最后模型结构发生破坏。由于在试验过程中无法精确控制地震波的输入值，故后续分析以振动台面实际采集到的峰值加速度 a _pg 为准。此外，在加载试验进行前以及每级加载完成后均需对模型结构进行白噪声扫频，以研究模型结构动力特性变化情况。下沉式黄土窑洞振动台试验的加载现场如图5所示。

图5  下沉式黄土窑洞振动台试验加载现场

本研究选取沿窑洞进深方向分布的三个横断面处（A-A断面，B-B断面及C-C断面）的边腿、中腿以及拱顶部位等关键测点进行时程响应分析。各关键测点的分布详见图6，图中的A与D分别代表加速度计与位移计。

图6  模型结构上各关键测点的分布

3.1 试验破坏现象

下沉式黄土窑洞模型结构在经历峰值加速度为0.75 g 的地震作用时破坏已非常严重，裂缝分布见图7。其中，窑脸处西侧洞室拱顶处出现“X”形交叉裂缝，裂缝最大宽度约为1.5 mm，且该处裂缝还向洞室内的拱顶上延伸约400 mm，周边黄土出现大面积剥落现象；而窑脸东侧洞室拱顶处也出现类似“X”形破坏裂缝，裂缝最大宽度达到2 mm，且该裂缝也向洞室内的拱顶延伸导致黄土大面积剥落。总体上看，地震作用下下沉式黄土窑洞窑脸处破坏较其他部位更为严重，该处黄土出现大面积剥落现象，总面积约为4000 mm ² 。与此同时，窑洞洞室内破坏严重的区域主要为中腿与拱顶部位。其中，洞室进深约400 mm处（靠近B-B截面）的中腿上开展出一条竖向裂缝且贯穿整个中腿截面，裂缝最大宽度约为1 mm；中腿和背墙交接处也开展出一条宽约为1 mm的破坏裂缝；且洞室拱顶黄土在峰值加速度较高的地震动作用下出现大面积剥落及冒顶破坏。

图7 峰 值加速度为0.75 g 时下沉式黄土窑洞的破坏状况

视频显示了输入峰值加速度分别为0.50 g 和0.75 g 的El Centro波时下沉式黄土窑洞内的动力响应情况。可以看出，在峰值加速度为0.50 g 的地震动作用下，窑洞土体出现轻微剥落现象，而在峰值加速度为0.75 g 时，窑洞顶部黄土出现较为严重的剥落，基本满足7度区的抗震设防要求。

3.2  裂缝发展及破坏机制

下沉式黄土窑洞是直接在厚实的黄土层中开挖形成的，其上部覆土层提供的重力使得窑洞结构及周边区域内产生较均匀的压应力。当下沉式黄土窑洞内的洞室具有合理拱轴线拱顶时，拱顶处的弯矩与剪力最小，此时结构处于最佳应力状态。而下沉式黄土窑洞在水平地震作用下结构各土层的变形主要为剪切变形。因此，当地震产生的水平剪切力超过土体压应力时，土体内会产生一定的拉应力，使得下沉式黄土窑洞上覆土体中抗拉强度较低区域出现受拉裂缝。

综上所述，在地震作用下，下沉式黄土窑洞受到法向应力和剪应力的共同作用，这使得拱顶上部覆土一定区域内（主拉应力超过土体抗拉强度的区域）产生了受拉破坏裂缝，且随着地震强度不断增加破坏裂缝的长度和宽度也有所增大。此外，结构窑脸与背墙的动力响应差异产生的剪应力与拉应力也使得缺少围岩约束的中窑腿上出现竖向贯通的破坏裂缝。

3.3 动力特性

用低频白噪声扫频获得了不同加载阶段模型结构各测点的加速度响应时程曲线，再依据传递函数法计算得到模型结构在不同加载工况前后自振频率和阻尼比等动力特性参数，详见表3。由表可知，振动台试验前模型结构的1阶频率为8.105 Hz，而随着输入地震动峰值加速度不断增大，累积损伤不断加剧，结构自振频率呈现下降趋势，而塑性损伤耗能不断增加使得结构阻尼比不断增大。当输入El Centro波峰值加速度达到0.75 g 时（W6工况），模型结构的自振频率较震前降低了33.7%，而阻尼比已显著提高了119%。

对下沉式黄土窑洞模型结构的刚度退化进行分析可知，当输入地震动峰值加速度为0.25 g 时（W2工况），模型结构的刚度退化明显增大，这与此加载阶段模型结构上首次出现破坏裂缝的试验现象相符；当输入地震动峰值加速度峰值为0.35 g 时（W3工况），模型结构的刚度退化并未显著增加，此时模型内部损伤仅局部发展，对结构整体刚度退化影响较小；而随着输入地震动峰值加速度继续增大，模型结构的刚度退化明显跃增，至输入地震动峰值加速度为0.75 g 时（W6工况），模型结构的刚度退化率已达到56.10%。结合试验现象看，当输入地震动峰值加速度为0.75 g 时，窑洞拱顶处开裂明显，土体出现较大面积剥落，且局部还出现冒顶现象，损伤较为严重，这与结构刚度退化特征较为相符。

3.4 加速度响应

将输入El Centro波峰值加速度为0.14 g 和0.50 g 时下沉式黄土窑洞各关键测点处的加速度时程曲线进行对比，结果见图8。由图可知，在较小地震作用下，不同截面相同测点处的加速度响应基本一致，且同一截面不同测点处的加速度时程曲线与地震动时程曲线也基本保持一致。这表明下沉式黄土窑洞在小震作用下主要受围岩土体的约束和影响，其动力响应与周边围岩基本相同，这与一般地下结构在地震作用下的动力响应特征较为符合。而随着输入地震动峰值加速度不断增大，尽管同一截面不同测点处加速度时程曲线的波形仍基本一致，但不同测点间的加速度响应极值存在一定差异。这是由于下沉式黄土窑洞在地震作用下各关键测点处出现了不同程度的破坏，导致窑洞结构不同部位的刚度发生改变，从而对加速度响应造成影响。

图8  不同强度地震作用下窑洞各关键测点加速度时程曲线

对比下沉式黄土窑洞不同截面处同一测点的加速度响应最大值可知，在横向水平地震作用下，下沉式黄土窑洞边腿处的加速度响应最大值沿洞室进深方向基本一致，变化幅度相对较小；中腿处的加速度响应最大值沿洞室进深方向由内至外总体呈放大趋势，且小震作用下各截面中窑腿部位的加速度响应最大值差异较小，随着地震动强度的提高这一差异逐渐增大；洞室拱顶加速度响应沿进深方向由内至外也呈增大趋势，其中窑脸截面（A-A截面）和中部截面（B-B截面）拱顶的加速度响应较为接近，而背墙截面（C-C截面）拱顶的加速度响应相对于窑脸截面与中部截面相同部位对应值相差则较大。

综合上述结果，下沉式黄土窑洞边腿与周边的无限边界土体连为一体，刚度沿洞室进深方向基本一致，所以边腿加速度响应沿洞室进深方向变化较小。中腿则可简化为上下端固接、一端自由、一端与窑洞背墙固接的独立式夯土墙，横向水平地震作用下其自由端的加速度响应较固定端有所增大，因而中腿的加速度响应沿洞室进深方向由内至外呈放大趋势。而窑洞拱顶为中腿与边腿的交接区域，受力特性及刚度分布较为复杂，且结构的主要震损破坏也出现在拱顶及以上覆土区域，这导致拱顶部位的加速度响应沿洞室进深方向的分布较为复杂。

3.5 位移响应

将El Centro波作用下下沉式黄土窑洞各关键测点的水平位移响应进行对比，结果见图9。由图可知，窑洞窑脸截面（A-A截面）和背墙截面（C-C截面）上各关键测点的水平位移响应基本一致，且位移响应极值点几乎出现在同一时刻，未出现明显的相位差，表明横向水平地震作用下下沉式黄土窑洞同一截面处各关键测点的运动方向和形式基本一致。而各测点的位移时程曲线均与激振点的位移时程曲线相似，做类似的受迫振动，这与地上结构在地震作用下常存在鞭稍效应的特征有所不同。

图9  下沉式黄土窑洞关键测点位移时程曲线

下沉式黄土窑洞窑脸截面（A-A截面）处拱顶与窑腿的位移响应较背墙截面（C-C截面）处相同部位的数值更大，沿洞室进深方向由内至外存在放大趋势。这是由于下沉式黄土窑洞背墙截面受相邻无限边界土体约束，导致该侧结构刚度和所受限制相应增大，位移响应减小，而靠近窑脸截面的结构可视为自由端，抗侧刚度较低，故该侧结构位移响应大于背墙截面相同部位对应的值。与此同时，窑脸截面（A-A截面）与背墙截面（C-C截面）中腿处的位移响应差异较边腿处更大。且随着输入地震波峰值加速度不断增大，不同截面处的中腿、边腿位移响应差异均呈现增大趋势，但不同截面处的中腿位移响应差异更为明显。结合试验现象可知，下沉式黄土窑洞在较大地震作用下靠近窑脸截面处的中腿变形大于背墙截面对应值，故中腿中部区域（B-B截面附近）因窑脸截面与背墙截面的运动差异产生较大拉应力，从而导致中腿产生贯通横截面的竖向裂缝，因此窑脸截面处的中腿所受约束显著降低，位移响应显著增大；而边腿在周边围岩的约束下，其刚度沿洞室进深方向的分布较为均匀，故窑脸截面处和背墙截面处的边腿动力响应差异相对较小。

在传统村落文化保护以及精准扶贫政策的驱动下，我国黄土高原地区窑洞建筑的传承与保护愈发受到关注。保护这种传统民居可有效避免中国的古老村落文化在现代文明冲击下快速凋零，且有助于传承窑洞建筑所承载的极具地域风格特色的优秀建筑艺术和民俗文化。与此同时，在革命战争时期，陕北的窑洞记录着老一辈革命家的战斗足迹，体现了中国革命的艰难历程与百折不挠的精神，部分窑洞建筑已成为革命先烈红色基因的寄托之地，保护与传承相关的窑洞建筑还具有极强的教育与纪念意义。

通过振动台试验对现存下沉式黄土窑洞的地震响应及破坏机理进行深入分析研究后，可针对试验中暴露出的抗震承载力不足的构件提出具体的加固措施，以避免下沉式黄土窑洞在受到地震作用下发生严重破坏甚至坍塌，为窑洞建筑的抗震设计与加固提供重要依据。

1）下沉式黄土窑洞的拱顶与中腿为结构的抗震薄弱部位。地震作用下，下沉式黄土窑洞受拉应力和剪应力的共同作用，使得拱顶上部覆土一定区域内产生受拉裂缝，其中，窑洞拱顶上侧覆土破坏最为严重且出现冒顶现象。而结构窑脸与背墙的动力响应差异引起的剪应力与拉应力也使得缺少围岩约束的中窑腿中部（B-B截面附近）出现竖向贯通裂缝，破坏较为严重。

2）下沉式黄土窑洞关键测点处（边腿、中腿及拱顶）的动力响应也存在差异。窑洞背墙截面（C-C截面）受相邻无限边界土体约束，该侧结构刚度和所受限制明显高于窑脸截面（A-A截面），致使下沉式黄土窑洞动力响应沿洞室进深方向由内至外呈放大趋势。而由于下沉式黄土窑洞边腿也与周边无限边界土体连为一体，刚度沿洞室进深方向的差异较小，故其动力响应沿洞室进深方向的差异也明显小于一端自由、一端固接的结构中腿对应值。且随着输入地震动峰值加速度不断增大，窑洞中腿上竖向受拉裂缝逐步开展使得窑脸侧中腿所受约束显著降低，并导致中腿沿洞室进深方向的动力响应差异进一步增大。