刚性桩复合地基因其处理深度大,承载力高,工期短和工程造价低等优点,在各类房屋和基础设施建设中得到了广泛的运用。工程应用当中,考虑到上部结构施加荷载不同和施工区域地质条件的差异,经常通过改变复合地基设计参数的方法对复合地基的刚度进行调整和优化,以达到在有效控制沉降的同时,最大限度发挥桩和桩间土的承载力,降低工程造价的目的。目前最常用的复合地基变刚度优化设计方法为改变桩长,即通过改变桩长来提高或者降低复合地基部分区域的刚度来控制该区域的沉降。各类专家学者针对这一课题进行了长期的研究与实践,相关成果也已形成规范。然而在一些复杂的地质条件下,如遇到地下轨道交通系统,通过改变桩长调节复合地基刚度的方法不再适用。此时即可通过改变桩径和褥垫层厚度的方式来调节桩和桩间土的荷载分担比。目前相对于长短桩复合地基,针对变桩径平面变刚度复合地基研究相对较少,现有成果主要集中于复合地基变刚度桩-常规桩相互作用的研究以及变桩径平面变刚度复合地基整体抗震性能的研究,涉及变桩径后复合地基荷载分担比、桩土承载性状和沉降变形的研究亟待补充。本文以模型试验和数值模拟为手段,对正常使用荷载条件下变桩径平面变刚度复合地基的桩土荷载分担比和荷载传递机理开展研究,取得主要成果如下:(1)正常使用荷载条件下,随着变刚度桩桩径减小,平面变刚度复合地基中变刚度桩荷载分担比减小,而常规桩和桩间土的荷载分担比增加。产生这种现象的主要原因为平面变刚度复合地基中的变刚度桩桩径减小,其自身的单桩承载刚度减小。随着加载量的增加,平面变刚度复合地基中变刚度桩和常规桩的荷载分担比增加,而桩间土的荷载分担比减小。产生这一现象的主要原因为随着上部加载量的增加,复合地基中桩体的桩侧摩阻力和桩端承载力均逐渐发挥,桩体承载刚度逐渐增加。(2)正常使用荷载条件下,随着变刚度桩桩径减小,平面变刚度复合地基中变刚度桩与常规桩的桩土应力比均增大;在同一复合地基中,变刚度桩的桩土应力比大于常规桩的桩土应力比,且两者在褥垫层内的上刺入量均相应增加。同时,变桩径平面变刚度复合地基中变刚度桩桩侧摩阻力下降,而常规桩桩侧摩阻力上升;且同一复合地基中常规桩的桩侧摩阻力大于变刚度桩,常规桩的桩侧摩阻力中性点比变刚度桩更靠近桩顶位置。主要原因为复合地基中的桩侧摩阻力与桩侧正应力和桩土相对位移有关,复合地基的桩间土发生应力重分布,使得变桩径桩侧正应力减小,而常规桩的桩侧正应力增加;且变刚度桩的桩土相对位移在其负摩阻区增加,从而使得中性点下移。(3)本文将承载力发挥度系数定义为复合地基中桩体和桩间土实际承担荷载与其自身单桩承载力特征值的比值。正常使用荷载条件下,变桩径平面变刚度复合地基中的变刚度桩桩径减小,同一复合地基中的常规桩、变刚度桩以及土体承载力发挥度系数均有所提高。主要原因为同等荷载条件下,随着变刚度桩桩径减小,其本身桩体荷载分担比减小,而常规桩和土体荷载分担比增加,与此同时,变刚度桩随着其自身桩径减小,本身单桩承载力特征值也在降低。因此针对采用变桩径平面变刚度复合地基进行地基处理的工程,在容许沉降范围内选择与较小直径桩组合的变桩径平面变刚度复合地基,不仅能降低工程成本和提高经济效益,而且使复合地基中的单桩和桩间土承载能力充分发挥,从而实现地基处理优化设计的目标。