随着我国经济建设的不断加快,货运物流运量将成为一个关系经济命脉的问题；同时,经济的发展刺激了对能源的需求,煤电占我国电力能源结构相当大的比重,这就使得电煤的运送量不断增加。物资能源需求的不断增长,使得重载铁路大运量优势得以凸显。然而由于设计规范的落后,对重载铁路隧道设计还依赖于工程类比的方法,对于隧道基底脱空病害的出现原因还无法给出解释。本文依托四川省科技支撑计划资助项目,综合运用理论分析和数值模拟的方法,引入材料的棘轮效应这一客观现象,利用其理论成果,对隧道基底围岩脱空现象的出现进行了模拟研究。主要的研究内容和成果如下：(1)对比分析了常见的土壤本构模型,以合理且实用为原则选取了岩土材料的本构模型。(2)对比了现有的材料棘轮行为理论,以D-P准则、Ohno-Abdel-Karim随动硬化准则及非关联流动法则为框架,建立了描述岩土材料的棘轮效应本构。(3)基于ANSYS,以Fortran为编译语言,利用UPFs开发了包含岩土棘轮行为的用户材料子程序usermat。为在程序中实现材料的本构模型,推导了合适的应力更新流程和一致性矩阵。经检验,该程序能够合理地描述岩土材料的应力-应变行为,并表现出合理的棘轮现象。(4)利用usermat,研究了重载列车荷载作用时的某单线隧道基底脱空现象,得出隧道基底脱空的现象,并总结了其发展规律。