预应力锚杆柔性支护技术是一种相对较新的深基坑支护技术,主要由预应力锚杆、锚下承载结构以及喷射混凝土面层组成,广泛应用于风化岩层中。本文以预应力锚杆柔性支护法结构为研究对象,结合压力型预应力锚杆因其具有可拔除性所以越来越多的应用于城市中心区这一工程热点,以离心模型试验为主要研究方法,结合解析计算模型和数值模型,以压力型预应力锚杆在离心模型中的制作和安装方法、离心场中的自动开挖模拟装置、压力型与拉力型锚杆的支护效果的差异性、作用于喷射混凝土面层上的土压力等力学行为为研究对象,主要研究内容如下:(1)针对压力型预应力锚杆在远端存在承载体的结构特点,研发了压力型预应力锚杆模型在小型离心模型中的制作及安装方法;针对无法对微小直径的钢丝进行内力监测的试验现状,研发了应用光纤光栅传感器对预应力锚杆进行预应力精确张拉及二次张拉的试验技术;为了更加准确的模拟预应力锚杆柔性支护结构的现场施工顺序,还原其真实的应力应变条件,研发了在离心机不停机的情况下对基坑模型实现分步开挖及预应力张拉过程的间接模拟装置及技术;参考混凝土的组分及配合比的设计方法,选取了强风化板岩层相似材料的各个组分,通过正交试验法确定了强风化板岩层相似材料的配比,并开展基本力学试验,测定相关物理力学参数,确定了强风化板岩相似材料的目标配合重量比为石膏:重晶石粉:石英砂:云母片:水=1:3.85:1.46:0.2:1;对于压力型与拉力型两种形式的预应力锚杆,通过分析其结构形式上由于锚固方式的截然不同导致其自由段长度迥然不同的结构特点,通过预应力张拉后二者自由段弹性应变相同的假设,建立起预应力张拉值与锚杆自由段长度成正比的分析方法对二者的力学行为异同点进行比分析,结果表明两种形式的预应力锚杆虽然锚固机理不同,但破坏模式上并无明显的区别;(2)通过分析不同预应力作用下基坑不同深度处的水平位移时程曲线,分析得出基坑的每一步开挖过程基本都可以分成两个阶段:位移释放阶段与位移稳定阶段;通过分析分步开挖作用下基坑不同深度处的的水平土压力时程曲线,研究得出了在不同预应力值作用下,在每次开挖作用下,基坑侧壁的水平土压力都会发生重分布;并且随着开挖的持续进行,基坑不同深度的土压力值都在持续减小。其中,在坑壁中部位置的水平土压力值波动范围较基坑顶部及基坑底部范围更大,说明开挖效应对水平土压力造成的力的重分布对基坑中部的影响要大于基坑顶和基坑底部。(3)根据弹性理论、土楔理论与摩尔—库伦破坏准则提出了一个锚杆预应力扩散圆锥模型;应用预应力扩散模型,通过静力平衡及摩尔-库伦破坏准则推导得到了作用于喷射混凝土面层的水平土压力解析解;通过本文中的深基坑离心模型试验及赵晓彦团队的高边坡离心模型试验得到的作用于喷射混凝土面层的水平土压力数据,间接验证了预应力扩散角为一个不受预应力值影响的常数的结论;理论解与两组相互独立的离心模型试验数据都吻合地比较好。说明该水平土压力的解析解可以用来预测作用于预应力锚杆柔性支护结构上的水平土压力。(4)针对预应力锚杆柔性支护结构中横向布置刚性锚下承载结构的情况,将土拱模型应用于该支护结构;通过静力平衡及摩尔-库伦破坏准则推导得到了作用于喷射混凝土面层的水平土压力解析解,并通过两组彼此独立的离心模型试验验证了该解析解合理性;通过对两个解析解的对比分析,基于预应力扩散模型和基于土拱模型得到的水平土压力解析解适用于预应力锚杆柔性支护结构适用的粉质粘土及软岩地层;基于土拱模型得到的水平土压力解析解整体上的吻合程度比基于预应力扩散模型得到的解析结算结果要好,说明土拱模型更符合实际情况;通过对基于预应力扩散模型和基于土拱模型解析计算得出的水平土压力进行力学参数分析,得到了两种水平土压力解析解在特定的地质条件下,在锚杆间距l=3m的情况下,两种解析解的计算结果具有一致性。(5)结合大连胜利广场深基坑预应力锚杆柔性支护工程案例,采用数值模拟、离心模型试验及解析计算三种方法对该工程进行了力学行为上的对比分析,得到基坑侧壁的水平变形和竖向沉降随基坑开挖而逐步增加;随着开挖深度的增加,深层的开挖对基坑表层水平位移的影响不断减下。拉裂缝与局部滑移破坏同时存在:拉裂缝存在于锚杆锚固区域后端,说明预应力锚杆对锚固区域的整体加固作用明显;直线型滑移裂缝则从上表面到模型内部裂缝宽度逐渐减小直至在第四排锚杆处消失,说明了锚杆的抗剪力和预应力的锚固作用阻碍了滑裂面的的进一步贯通及滑移,压力型预应力锚杆有效地保证了基坑的整体稳定性。