阶梯型变截面桩作为一种新型桩,其设计灵感来源于竹节桩,通过阶梯型变截面的设计,在不显著降低单桩极限承载力的前提下提高管桩单位体积材料的极限承载力,从而提高经济性。变截面桩还具有工艺简单、节约材料等诸多优势。本文通过室内静压桩试验及静载试验,获得了预制管桩静压过程中的沉贯阻力、单桩极限承载力及桩侧和桩端应力以及土体位移场等数据。通过PFC2D数值模拟,分析了桩体沉贯过程中土颗粒的变化状态及桩周土颗粒的孔隙率、位移场的变化规律。最后基于圆孔扩张理论和《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中的经验参数法对沉桩过程中的沉贯阻力,桩周土颗粒的径向位移量和单桩极限承载力理论值进行预测,并与室内模型试验和数值模拟结果进行对比,分析变截面桩的优劣势,从而比选出变截面桩的最佳桩型。本文的主要结论有:1.静压沉桩中,随着变径比(小直径/大直径)的提高,桩周土的最大隆起量和总沉贯阻力提高,静压沉贯过程中侧土压力不断增大。按单位体积贯入阻力计算,变径比为0.67及0.83时,变截面桩的贯入阻力均大于管桩,变径比为0.83时变截面桩的单位体积贯入阻力最大。2.通过静载试验发现,管桩的桩身轴力分布曲线较为平缓,而变截面桩的轴力分布曲线在变截面处有突变。变截面桩的侧摩阻力曲线斜率大于管桩,桩长约0.7m处(试桩总桩长1.0m)桩的侧摩阻力达到峰值。3.室内模型试验和《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中的经验参数法计算均发现,管桩的单桩极限承载力大于变截面桩。若按单位体积极限承载力计算,变截面桩的单桩极限承载力从大到小相应的变径比分别为0.83>0.67>1>0.5。变径比为0.83的变截面桩最为经济,与室内模型试验结论一致。4.数值模拟发现,变截面桩可以显著地减小桩周土颗粒的横向与竖向位移量,变径比越小,桩周土体因桩体扰动而导致的孔隙率变化幅度和应力集中现象越小。若施工场地有所限制,可以尽量选择变径比小的桩型。5.采用圆孔扩张理论可以预测端阻力、摩阻力、径向切向颗粒位移量随桩体沉贯深度增加的变化曲线。因人工夯实的砂土密实度较差,导致桩体挤压土体产生的塑性应变较小等原因导致解析解所得到的理论值曲线稍大于室内模型试验与数值模拟曲线。但是三种方法的曲线差值不大,从而验证了本文结论的可靠性。