预应力锚杆复合土钉支护体系自20世纪80年代产生以来,以其工程造价低、控制变形好、便于信息化施工等优点在基坑工程实践中得到广泛应用。其中,土钉以土体位移为受力的先决条件,属被动支护机制,而预应力锚杆通过对坑壁施加初始背拉力预先控制基坑变形,属主动约束机制,两者作用机理不同,使得这种复合支护体系在施工过程中存在着受力空白区,尤其遭遇降雨入渗时,土体黏聚力减小且重度增大,灾变发生的可能性很大。目前,国内外对于预应力锚杆复合土钉支护体系的研究主要集中于内力与变形方面,且受场地与资金的限制,大型现场试验资料十分匮乏;整体稳定性的研究局限于安全系数的建立与可靠度分析,对于施工过程中复合支护体系的灾变演化过程研究甚少。因此,开展预应力锚杆复合土钉支护体系施工阶段的灾变机理研究对于提高深基坑支护结构的动态可靠度、保证施工安全及降低工程成本有着重要的经济意义与社会价值。本文采用原型试验、数值模拟与理论分析相结合的研究手段,对预应力锚杆复合土钉支护体系的施工力学行为、工作性状及灾变机制进行了研究,以此建立了该复合支护体系的灾变理论分析方法,重点阐述了其施工阶段的钉土加固体损伤变形、锚杆脱黏失效及考虑降雨与超载影响的整体稳定性。主要工作内容及研究成果如下:(1)开展预应力锚杆复合土钉支护结构的原型试验:以郑州某深基坑工程为依托,考虑施工工况影响,分析了前期土体扰动、基坑超挖、坡顶卸载、锚杆滞后张拉及连续降雨等对土钉应力时程曲线的影响规律;提出了预应力施加具有“工序效应”、“邻近效应”和“端头效应”的概念;探讨了基坑开挖支护过程中构件内力与基坑变形的“时间效应”。(2)对预应力锚杆复合土钉支护体系的受力变形特征进行数值模拟:针对某一典型实例,在验证模型有效性的基础上,对基坑变形特征、结构内力特征、预应力施加对土钉轴力及土体应力的影响进行分析,建议了“弱钉强锚”的设计理念;考虑支护构件塑性屈服,对传统的强度折减法进行修正,提出了根据位移等值线分布确定潜在滑移面的方法;通过改变预应力锁定值、自由段长度及锚杆作用位置研究了潜在滑移面的迁移规律。(3)对预应力锚杆复合土钉支护体系进行力学分析:基于“弱钉强锚”的设计理念,考虑土钉支护的加固机理,建立简化力学模型,对滑裂面土体进行应力分析,得出了钉土加固体的等效参数;滑楔理论结合增量法计算出每步开挖及预应力施加产生的荷载增量,并在加固体与预应力锚杆之间进行分配;结合预应力锚杆复合土钉支护结构的施工特点,对规范的杆系有限元模型进行改进,并根据荷载-位移关系研究了土钉轴力的发展变化规律。(4)对预应力锚杆复合土钉支护体系进行灾变分析:基于“弱钉强锚”的设计理念,视钉土加固体为均匀的“等效材料”,根据附加应力法建立加固体的本构模型;引入能量耗散与释放的概念,将损伤变量作为加固体的失稳判据;在考虑锚杆锚固效应的基础上,基于锚杆拉拔试验的荷载-位移关系曲线,推导出锚固界面的非线性剪切滑移模型;视预应力锚杆为弹性体,根据弹性理论得出结构的总势能;引入突变理论,将锚杆势函数化简为尖点突变模型的标准形式,构建锚杆失效的临界判据,进行失稳分析;考虑雨水入渗对土体黏聚力及重力的影响,建立功率平衡方程,进行复合支护体系的整体稳定性分析。