当前,对于不同加载形式下的单桩荷载传递及桩周土中的应力分布等问题的研究尚不完善。本文以顶压桩、底托桩为研究背景,通过顶压、底托加载形式下的单桩室内模型试验为主要手段,结合模型试验条件进行数值模拟分析验证,对桩身正负摩阻力转换系数、荷载传递模型、桩周土中应力分布等问题展开研究。首先通过室内模型试验,得到了不同加载形式下的荷载-位移曲线、桩身轴力曲线、桩侧摩阻力曲线、桩侧摩阻力-桩土相对位移曲线等,并进行分析和说明。其次针对国内外当前研究存在的一些问题,分别对桩身正负摩阻力的转换问题、荷载传递函数模型及拟合问题、桩身受荷时桩周土中应力变化问题展开研究,得到了一定的科学结论。最后采用FLAC3D数值模拟软件对模型试验进行模拟,模拟结果与试验结果相互验证。通过对桩底无土顶压桩、底托桩、顶压桩、自平衡试桩的室内模型试验研究和数值模拟分析,获得以下结论:(1)对粉土中桩底无土顶压桩、底托桩、顶压桩、自平衡试桩的室内模型试验研究,得到了桩身轴力分布形式与加载位置相关的结论。桩底无土顶压桩与常规顶压桩轴力分布规律相似,呈上大下小的形状。底托桩与自平衡上段桩轴力分布相似,呈上小下大的形状。桩底无土顶压桩、底托桩和自平衡上段桩在极限状态时均发生“突变型破坏”。桩侧摩阻力最大值均出现在距离桩加载点1/3桩长处,不因顶压桩与底托桩的相反加载方向而不同。(2)不同加载位置显著影响桩侧摩阻力的分布形式。底托桩的桩侧摩阻力发挥主要出现在桩的中部和下部,桩底有土顶压桩(传统承受竖向抗压荷载的桩)的桩侧摩阻力发挥主要出现在桩的中部和上部。对于传统的顶压桩(桩底有土),不同深度处桩侧摩阻力与桩土相对位移曲线线型不一样,靠近桩的中段,表现为侧阻硬化,桩的两端则表现为较弱的侧阻软化。底托桩的侧阻则在全桩长范围表现为较弱的硬化现象。不同加载方式下,桩侧摩阻力充分发挥所需要的桩土相对位移是不同的,顶压桩的位移大于桩底无土顶压桩的位移,桩底无土顶压桩的位移大于底托桩的位移。此外,粉土中桩身负摩阻力约为桩身正摩阻力的0.85倍,即桩正负摩阻力转换系数为0.85。(3)进一步研究得出,粉土中不同加载点及加载方式下的桩侧摩阻力与相对位移关系,均较好的遵从双曲线函数模型。采用变形后的线性拟合函数比采用双曲线函数模型对桩侧摩阻力-桩土相对位移曲线(τ-s曲线)直接拟合得到的拟合度更好,即采用线性拟合的精度更高。两种方法拟合实测单桩桩侧摩阻力-桩土相对位移曲线,所得拟合τ-s曲线的拟合度大于0.98。另外发现,当实测数据与函数模型直接拟合精确度不高时,通过线性拟合公式能显著提高可决系数,进一步提升拟合的精确性。因此,对于工程测试或是理论推导,建议优先选用双曲线变形后的线性拟合方法,进行荷载传递曲线分析。(4)对于桩身受荷时的桩周土中应力变化,通过分析得出:土中附加应力的大小随桩身所受荷载增大而增大,近乎呈线性增长。相同荷载下,传统顶压桩引起的土中附加应力大于底托桩引起的附加应力。距离桩水平方向1.7d范围内土中附加应力较大,距离桩4.5d处附加应力已经很小,仅为1.7 d处的1/14到1/10。沿深度方向,顶压方式下的土中附加应力呈上大下小分布,底托方式下的土中附加应力呈上小下大分布。顶压桩对4.5 d范围内的土体表现为加载效应,底托桩表现为卸载效应。自平衡试桩条件下,下段桩对桩底的加载效应大于传统静载试验的加载效应。(5)同条件、同加载方式下的数值模拟结果显示,桩极限承载力大小、桩侧摩阻力分布形式、桩周土中应力分布情况等均和室内模型试验所得结果较为接近,误差在合理范围内。数值模拟结果验证了室内模型试验结论的准确性。