近年随着桥梁工程的迅速发展，桥梁工程对桩基础提出了更高的要求，如何通过桩基础的技术和理论创新，发展与完善新的结构形式桩基，并满足工程上高质量、快进度和低造价的严格要求，是工程技术人员共同面临桩基础领域的新挑战。阶梯型变截面桩是基桩结构形式的一种，其设计计算理论滞后于工程实践，近年不断的工程实践证明该类型桩受力更合理、更经济，其发展应用具有良好的经济价值和技术优势，但对该类型桩基础的变形及承载特性和计算理论的研究尚不系统、不完善，因此开展阶梯型变截面桩变形及承载特性的试验和理论研究具有重要意义。本文采用试验研究、理论分析、数值模拟和程序研发相结合的研究方法，对阶梯型变截面桩的变形及承载特性进行了较为系统和深入的研究。论文的主要研究内容和成果如下：①通过大型模型试验，获得竖向静载荷作用下，四种变截面比的阶梯型变截面桩桩身变形、受力特性，桩顶P-S曲线、桩身侧摩阻力分布曲线和桩端及其变截面处桩土相互作用曲线，在此基础上获得阶梯型变截面桩单位体积承载力、承载力比率与变截面比关系。结果表明，不同变截面比阶梯型变截面桩竖向呈现不同变形和承载特性，随变截面比增加，单位体积混凝土承载的竖向承载力先增加后减小，不同承载力确定标准情况下阶梯型变截面桩极限承载力与等截面桩极限承载力的比率与变截面比的大小相关性十分明显，变截面比过小，竖向极限承载力损失明显，阶梯型变截面桩存在最优变截面比，其值为0.8左右。②通过大型模型试验，获得横向静载荷作用下，四种不同变截面位置的阶梯型变截面桩桩身拉压应变曲线、桩顶水平荷载位移曲线、桩顶水平荷载转角曲线，并在此基础上获得桩身弯矩分配图。结果表明，不同变截面位置阶梯型变截面桩桩身呈现不同变形特征，从总体受力看，变截面以上大直径段受力大，变截面以下小直径段受力小，阶梯型变截面桩受力比直桩合理。阶梯型变截面桩存在最优变截面位置，其值为占整个桩长的46.7%左右。③通过Flac3D软件建立了4个不同变截面比和5个不同变截面位置的阶梯型变截面桩数值分析模型，分析了竖向和横向荷载作用下的应力场、位移场分布特性，桩身变形曲线，桩顶荷载位移、转角曲线，补充完善并验证了模型试验的结论。结果表明，阶梯型变截面桩变截面比和变截面位置不同，位移场和应力场的分布形式存在一定的差异，但是当变截面比大于0.8时变截面比对位移场和应力场的分布影响较小；当变截面位置小于46.7%桩长时，横向荷载作用下的位移场和应力场受变截面位置的影响显著，但沿桩身范围的影响深度有限。④)建立了基于临界状态假设的竖向荷载作用下，阶梯型变截面桩的容许承载力和容许沉降的计算理论，并编制计算程序，通过算例验证了算法正确性和程序的可通用性。⑤分析总结了基于结构力学和弹性桩理论的横向荷载作用下的理论计算方法，通过理论计算得出了5种不同变截面位置的阶梯型变截面桩分别在不同桩顶荷载边界条件下，水平受荷情况下的桩身弯矩、剪力和变形曲线，并与模型试验、数值分析进行了对比分析，均具有较好的一致性，同时将方法程序化，为进一步开展阶梯型变截面桩承载和变形特性创造了有利条件。⑥基于应变能原理，建立了变截面群桩基础的等效刚度表达式、桩基等效宽度计算公式，并在此基础上建立了变截面群桩基础的设计计算方法。⑦借用Flac3D软件和理论分析方法，从施工和力学角度分析了变截面桩适应性条件和影响因素，施工因素和力学分析分别构成阶梯型变截面桩适用性充分、必要条件。桩土接触面剪切刚度大于临界值时，随刚度增加其对桩顶沉降的影响越来越小，桩土剪切模量比大于5倍时，剪切模量比增加对桩顶沉降影响较小；横向受力和变形特性受桩径、桩周土的地基系数影响显著。