城墙是具有军事防御功能的障碍性建筑,而以生土为主要材料、人工夯筑而成的夯土城墙则是我国北方城墙的重要类型,现存夯土城墙遗址以集中分布于我国西北干旱地区的长城和大型城池等为主要代表。作为土遗址较为常见的类型之一,夯土城墙遗址是历史、文化、军事和政治等信息的重要载体,具有较高的文物保护价值。目前,土遗址保护研究主要集中在防风化技术、锚固技术和灌浆等应用技术方面。然而,城墙遗址具有分布地域广泛、体型大、病害及结构形式复杂等特点,因风蚀、盐蚀、毛细水冻融、生物病害和地震等所诱发的结构稳定问题一直是其结构保护的基础性问题,其有效保护的关键则涉及结构失稳诱因的识别、预判、评价和控制,综合了文物保护学、材料、岩土和防震减灾等多个学科。本文结合干旱区夯土城墙遗址赋存环境特点和现存病害特征,通过原位测试、模型试验研究、理论和数值分析等方法,针对结构稳定性破坏机理,对干旱区夯土城墙遗址结构类型、病害、破坏模式、稳定性评价理论模型、破坏判据、残损及健康状态预判实验方法等进行了研究,主要研究内容包括以下几个方面:(1)对干旱区城墙遗址结构破坏的特征以及病害类型进行了汇总归纳。按照城墙遗址材料构成、建造工艺和结构破坏特点,并与城墙遗址主要结构破坏模式相结合,对城墙遗址结构类型进行了划分。最终得到6种主要结构类型。(2)根据城墙遗址裂缝分布的几何特征,对其进行几何量化分析。以裂缝的空间存在形态为依据,对其进行等级划分。考虑受力和环境变化等综合因素,对不同等级裂缝对城墙遗址结构稳定的影响程度进行评价分析,提出城墙遗址结构裂缝的划分标准。(3)采用极限平衡和块体稳定等理论,结合城墙遗址结构类型、现存病害和赋存环境特征,提出城墙遗址9种主要结构破坏模式。根据每种结构破坏模式发展特征,对其进行了分阶段研究。通过对不同结构破坏模式中各阶段病害及受力演化过程的研究分析,给出了不同结构破坏模式的破坏机理和极限破坏状态。并对影响城墙遗址结构破坏模式发育的主要因素进行了分析研究。(4)结合土力学、薄板理论和结构动力学等,提出城墙遗址不同结构破坏模式的理论简化计算模型,并提出了相应的理论计算公式,综合考虑不同破坏模式的诱发因素,以局部土体强度破坏或失稳作为判别依据,得出了相应的结构破坏判据。初步建立了城墙遗址结构稳定评价的标准。(5)采用原始夯筑工艺制作足尺寸夯土墙体试件,通过对夯土墙体结构动力性能以及夯土试块压缩模量的测定,结合有限元动力分析方法,给出夯土墙体等效弹性模量参数的测试方法。为实现通过结构动力特性对夯土城墙遗址结构变形、残损及健康状态的预判,提供了一种基于动力测试与数值计算相结合的参数测试方法。