近年来,高填方明洞在公路和铁路工程中的应用非常广泛。然而,明洞与填土之间的刚度差异会引起洞顶土压力集中,从而使洞顶发生纵向开裂,进而导致工程事故的发生。为此,学者们对高填明洞的卸载措施及其卸荷机理进行了相关研究,并得出土拱效应是减载明洞中主要的荷载传递机制。但是,以往的研究均基于连续性假设,忽略了土体的离散特性。因此,本文在前人的研究基础上,利用基于离散单元法的颗粒流程序建立数值仿真模型,从散粒体和细观角度对减载明洞上方的土拱效应进行深入分析和研究,以期从本质上掌握减载措施对土压力的减荷机理。主要研究内容如下:(1)针对黄土、EPS板和土工格栅三种试验材料,分别建立数值双轴试验、单轴侧限压缩试验和拉伸试验。通过对比数值和室内试验所得材料的宏观力学性能(应力应变曲线、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角),确定了各材料在颗粒流程序中所需的细观参数,为高填黄土(减载)明洞颗粒流数值模拟试验参数取值提供依据。(2)基于课题组前期所做室内模型试验,建立高填黄土明洞颗粒流数值分析模型。通过分析相关宏观指标(土压力、填土位移)和细观指标(接触力链、孔隙率和配位数)的变化规律,对土拱效应的一般变化规律及其影响因素(边坡坡角和槽宽比)进行了系统分析。模拟结果表明:初始等沉面随填土高度的增加逐渐下降并趋于稳定,土拱效应逐渐显现。明洞上方填土高度一定时,随边坡坡角的增大,等沉面位置先下降后上升,土拱效应先增强后减弱,洞顶接触力链分布先密集后稀疏;随槽宽比的增大,等沉面位置逐渐上升,土拱效应逐渐减弱,洞顶接触力链分布逐渐变得密集。(3)基于课题组前期所做室内模型试验,建立高填黄土减载明洞颗粒流数值分析模型。从宏细观角度对减载明洞上方土拱效应的一般变化规律进行综合分析;同时,进一步探究了EPS板特性(EPS板密度、厚度、宽度和铺设位置)和土工格栅特性(刚度和铺设层数)对明洞上方土拱效应及土压力的影响。模拟结果表明:在明洞上方一定高度和宽度范围内铺设低压实土或EPS板,会改变内外土柱相对沉降方向,促使洞顶上方出现土拱效应。同时,结合分层铺设土工格栅,利用格栅向上的提兜力进行卸载,明洞顶土压力将会进一步减小。EPS板最佳铺设厚度及宽度分别为T=0.1m和W=0.3m(1.5D)。格栅的存在会对土拱效应起到一定的削弱作用,但相比格栅提供的提兜力而言,这种作用较弱。格栅刚度对洞顶土压力的影响存在一个上限值;而对于格栅层数来说,在相同的格栅布置条件下,格栅铺设层数越多,减载效果越好。(4)鉴于洞顶铺设EPS板时会产生洞顶减荷,洞侧加荷的现象。本文提出一种新型减载明洞体系,即在明洞两侧边坡上设置混凝土柱,使混凝土柱和边坡成为整体结构。在该减载体系下,土拱效应的作用范围进一步扩大,明洞上方的大部分填土荷载转移至混凝土柱上,洞顶及侧墙受力均显著减小。