大面积基坑的内支撑结构存在着耗材多、造价高、工期长、施工不便、拆除困难且产生大量固体废弃物的缺点,因此急需开发适用于大面积深基坑的无支撑支护技术。已有工程实践表明,无支撑梯级（多级）支护能够在满足变形及稳定性要求的同时取消水平支撑,但其相互作用机理、失稳破坏模式及设计方法等均缺乏系统研究,极大的限制了此类新型支护体系的推广和应用。本文首先介绍了梯级支护的概念、主要形式及工程应用情况,进而为了揭示其相互作用机理及破坏模式,基于两级支护形式设计实施了大型物理模型试验。试验结果表明,梯级支护的破坏模式随着两级支护间距离B的增加可以分为三种,即整体式,关联式和分离式。整体式破坏是指两级支护间土体不出现滑动破坏面,两级支护结构形成一个整体同时发生倾覆破坏;关联式破坏是指滑动破坏面进入两级支护间土体,某级支护结构的倾覆引发另一级支护结构发生倾覆破坏;分离式破坏是指某级支护结构发生倾覆,另一级支护是否发生倾覆与前者无关。进一步对梯级支护相互作用机理的数值分析研究表明,第二级支护的存在可以有效约束第一支护的变形。第一级支护的被动侧土压力与第二级支护的主动侧土压力存在关联性,两级支护距离越小,两者越接近,随着距离增大,两者关联性减小。根据两级支护结构的相对水平位移大小不同,两级支护间土体可以分为“松弛区”和“压缩区”,松弛区土体作用于两级支护结构上的土压力趋于主动状态,而压缩区作用的土压力趋于被动状态。两级支护间距离以及各级支护的嵌固深度对两级支护相对位移有较大影响,进而影响两级支护上的土压力分布及其承担的弯矩。当第一级支护嵌固效果更好时,松弛区位于两级支护间土体上部,压缩区位于下部。此时第一级支护承担弯矩较大,是主要支护结构。而当第二级支护嵌固效果更好时,松弛区与压缩区位置互换。此时,第二级支护承担较大弯矩,成为主要支护结构。随着两级支护间距离增加,两级支护的变形及弯矩均会减小。在研究了梯级支护破坏模式分类及特点的基础上,利用强度折减法对其影响因素进行了研究。计算结果表明,梯级支护破坏模式与其几何参数及土体强度有关。土体强度通过影响两级支护的相对稳定性对梯级支护破坏模式产生影响。本文定义单独存在时稳定性较高的一级支护结构的稳定安全系数与另一级安全系数的比值为“独立安全系数比R_fos”。随着R_fos的增加,即两级支护各自稳定性差异增大,整体式与关联式、关联式与分离式的两级支护间临界宽度均减小。临界宽度随几何参数的变化规律与R_fos值有关。当R_fos较小时（约小于1.2时）,梯级支护的破坏模式只存在整体式和分离式,本文提出了该情况下基于上限理论的梯级支护稳定性计算方法。针对梯级支护缺乏相关计算方法的问题,在对梯级支护相互作用机理研究的基础上,基于悬臂支护的运动场假定,建立了考虑运动场叠加的梯级支护MSD（Mobilised Strength Design）算法。经对比验证,梯级支护MSD法与数值计算结果较为接近,并且能够反映两级支护结构的相互作用机理,可用于两级支护基坑土压力、变形及内力计算。