近年来伴随着我国城市地铁、综合管廊等大量兴建,地下工程施工形成地下空洞导致上覆地层变形乃至失稳形成的地面塌陷(地陷)事故经常发生。目前,对地下空洞引起地陷问题的研究越来越受到重视。本论文主要采用数值模拟和理论分析方法对地下空洞上覆土质地层的地陷机理进行研究,主要研究内容和结果如下:(1)采用有限元与离散元耦合的数值模拟软件GDEM对含空洞土质地层的变形与塌陷破坏过程进行模拟,确定地下空洞上覆土质地层的破坏模式有三种:整体塌落、先拱形破坏后整体塌落和拱形塌落,其中前两种发展至地表形成地面塌陷,而后一种可能形成自平衡压力拱使得地层保持稳定。(2)基于含空洞地层破坏的地下成拱过程分析和本文数值模拟结果,提出了地下空洞上覆土质地层变形与破坏的双拱效应,其中塌落拱邻近空洞,控制空洞上方破坏区土体的稳定性;压应力拱位于塌落拱上方,控制变形区土体的稳定性;地下空洞上覆地层的整体稳定性取决于双拱的共同作用。(3)基于含空洞上覆地层稳定的双拱效应,将地陷发展过程分为拱式渐进塌落阶段和整体滑移式塌落两个阶段。拱式渐进塌落阶段包含塌落拱的脉动式破坏过程,其中存在临界塌落拱;当达到临界塌落拱后,地层破坏进入整体滑移式塌落阶段,这个阶段对应于压应力拱的失稳破坏。(4)采用土体塑性极限分析法,结合非相关联流动法则和非线性莫尔-库伦破坏准则,推导出拱式渐进塌落阶段长条形土洞和圆柱形土洞的极限塌落拱几何方程,并据此分析了各相关参数对拱的形成及稳定的影响,同时与现有理论公式进行了对比验证。(5)采用土体塑性极限平衡法,推导得到对应于整体滑移式塌落阶段的临界埋深比的计算公式,确定了临界埋深比的理论取值范围为1～3.29,与现行隧道设计规范具有可比性,表明了本文研究结果的合理性。