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“十三五”发展规划中明确提出推进建设年代较早、交通繁忙的国家高速公路改扩建工程发展。对高速公路进行拓宽时新旧路基差异沉降问题是不可避免的,如何控制该差异沉降是高速公路改扩建从设计到施工过程中的关键。复合地基可以发挥自身优点提高地基承载力,减少新旧路基差异沉降,被广泛应用到高速公路改扩建工程中。但目前规范中涉及的高速公路改扩建时的差异沉降设计和施工方法较少,而且从工程中积累的经验也并未形成技术体系。因此,本文对高速公路改扩建时的差异沉降控制进行了研究。由于不同桩端持力层条件下复合地基承载特性不同而且进行有限元分析时计算结果缺乏大量试验数据的验证,因此本文利用自行加工设计的模型箱,开展桩端持力层为坚硬土层和软弱土层条件下的单桩承载特性室内模型试验,比较分析不同桩端持力层刚度条件下的单桩承载特性的差异。研究结果表明:持力层刚度或桩身刚度较大时,桩的承载能力较好;桩端持力层刚度不仅会影响桩端阻力的发挥和桩土相对位移的大小,也会影响桩侧土体的附加径向应力发挥,从而造成轴力和桩侧摩阻力的变化出现差异;考虑桩侧土与桩端土的影响,修正后的单桩轴力分布函数能更为准确地反映单桩轴力变化。然后基于单桩承载特性室内模型试验结果,利用FLAC 3D有限元分析软件开展数值模拟分析,验证了计算模型的准确性和参数选取的合理性。受试验条件和试验参数选取的限制,室内模型试验未能研究更多设计参数对复合地基沉降的影响,因此接下来利用有限元软件,采用单因素分析和正交分析方法开展复合地基沉降影响因素分析。结果表明:桩间距、桩径和桩长对复合地基沉降影响最大,但由于工程实际中施工机械和经济性方面的影响,对复合地基进行设计时应优先考虑桩间距和桩长两个因素。最后以济青高速公路改扩建工程为背景,基于复合地基沉降影响因素正交分析结果,以沉降量为控制条件提出了复合地基设计优化方案。采用优化设计方案,利用有限元软件分析不同桩端持力层刚度条件下的复合地基处治效果。研究结果表明:以沉降量为控制条件提出的优化设计方案相比原处治方案,不仅可以有效控制地表和路基的沉降及新旧路基的差异沉降,而且可以满足以最大变坡率为差异沉降控制标准的要求。通过对桩端持力层为软弱土层条件下的高速公路改扩建工程进行数值模拟,得出当桩端持力层为软弱土层时应采用桩网复合地基和其他软土地基处治方法(如高压旋喷法、真空预压、塑料板排水法和预抛高技术)相结合来处理深层软土的结论。