近年来,桩承式加筋垫层技术因具有施工工期短、沉降变形小且收敛快等优点,在我国高速公路和高速铁路地基处理中得到了广泛应用。现有研究主要针对不同桩型展开,对加筋垫层的研究较少。当仅在垫层水平方向铺设1-2层筋材时,加筋垫层的强度和刚度往往不足以控制地基沉降和不均匀沉降,同时,对于强度和刚度较高的桩体,不仅其承载和控沉作用无法得到充分发挥,还会向垫层中发生较大刺入变形。本文针对传统桩承式加筋垫层技术的不足,提出了变刚度复合加筋垫层的概念和实现途径,并从室内试验、现场试验和数值模拟三个方面对其工作性状和作用机理进行了系统研究,主要研究内容包括：(1)通过建立有限元数值模型对桩承式变刚度复合加筋垫层的工作性状和作用机理进行了对比分析和参数分析。研究结果表明采用土工格室加筋垫层可以有效提高桩土应力比,减小地基表面桩间土沉降和桩-土差异沉降。(2)通过开展室内拉伸试验、直剪试验和拉拔试验,对比研究了双向和三向土工格栅的筋土界面特性和土工格栅变形特征,探讨了试验方向对三向土工格栅筋土界面特性和变形特征的影响。试验结果表明：单位面积质量及纵、横向极限拉伸强度相近时,三向土工格栅各向拉伸强度的差异小于双向土工格栅,更加适用于受荷方向复杂的加筋垫层中；受试验过程中肋条变形差异的影响,试验方向对三向土工格栅筋土界面应力分布和土工格栅变形的影响很大。(3)将桩承式加筋垫层技术应用于宁安城际铁路繁昌试验段地基处理,通过开展现场试验,对采用桩承式加筋垫层技术处理的地基沉降变形特性、基底应力分布特征和加筋垫层变形特征进行了分析。试验结果表明：采用桩承式加筋垫层技术可有效减小地基沉降,总沉降很小且很快趋于稳定；加筋垫层可减小桩-土差异沉降,均化加筋垫层上部路堤荷载的分布,极大弱化土拱效应,加筋垫层上部桩土应力比接近1.0。(4)通过建立有限元数值模型对比分析了桩承式加筋垫层技术中土工格栅加筋垫层和土工格室加筋垫层的沉降控制和荷载传递效果,探讨了两种加筋垫层工况下桩墙弹性模量、桩墙宽度、桩墙间距、桩间土模量、桩长和交通荷载等设计参数的影响。研究结果表明：采用土工格室加筋垫层可以更加有效减小不同工况下地基表面沉降和差异沉降,提高桩土应力比和桩体效率,充分发挥桩体的承载和控沉作用。(5)通过建立有限元流固耦合数值模型,分析了采用桩承式加筋垫层技术的地基变形和应力分布随时间的变化规律,探讨了各设计参数对其工作性状和作用机理随时间变化的影响。研究结果表明：采用土工格室加筋垫层可有效减小地基内超孔隙水压力,缩短地基沉降稳定所需时间,同时桩、土应力分布随地基固结发生的变化较小,工作性状更加稳定；桩墙弹性模量、桩墙宽度和桩墙间距对路堤填筑期和填筑完成后桩承式加筋垫层技术中各评价指标的影响都较大,而桩长仅对路堤填筑期各评价指标的影响较大。