既有建筑地下增层改造涉及坑内既有工程桩承载性状改变及新增-既有支护结构相互作用等复杂问题。目前学术界和工程界对上述问题仍不甚明了,大多沿袭面向新建基坑开挖过程的传统设计理论,另一方面,地下增层改造工程建设的风险很大,所以揭示坑内既有工程桩及新建-既有支护结构在增层开挖过程中的性能演变已迫在眉睫。论文以既有桩基建筑排桩支挡式地下增层开挖工程为研究背景,以模型试验、理论分析和数值模拟为主要手段展开全面的研究,以期为地下增层工程设计提供一定参考。(1)利用大型物理模型试验平台,建立既有-新增排桩支护结构模型,并以既有-新增支护桩排间距及开挖深度为主要参数,研究其对支护结构性能演变、排间土压力的影响。发现随排间距减小,新增支护桩位移与弯矩逐渐增大,由嵌固作用转变为主要受力结构。通过桩背主动土压力数据分析拟合,建立了以排间距、土体内摩擦角、桩土摩擦角为参数并考虑土拱效应的既有支护桩背主动土压力预测方法。(2)参照既有-新增排桩支护的室内模型试验设置,采用Plaxis有限元软件建立相应计算模型,研究新增-既有支护桩长比、排间距对两级支护受力分担情况和支挡结构破坏模式的影响,并采用强度折减法分析以上参数变化对基坑安全系数的影响,最后通过优化分析研究特定开挖深度下的最优排间距及桩长比。发现两级支护桩排间距与两级支护桩桩长比对基坑安全系数和两排结构的受力分担有较大影响;达到既定挖深时,通过优化分析对既有-新增两级支护桩的弯矩最大值差值、总和及基坑安全系数进行综合评价,得到排间距为4倍桩径、新增-既有支护桩长比为3/2时,新增支护桩的布置方案达到最优。(3)通过室内模型试验研究坑内基桩在被动区土体侧移作用下的桩身受力特性,重点分析了支护结构与坑内基桩距离、开挖深度、桩顶竖向荷载及承台约束高度对基桩弯矩和剪力的影响,并参照该试验通过Plaxis有限元软件反分析了坑内既有基桩对支护结构及被动区土体的遮拦及反压作用。发现桩基位于坑内被动区影响范围内时,随着开挖深度的增大,桩基弯矩和剪力都随之增大,且距离支护结构越近,桩身弯矩与剪力越大,且坑内工程桩最大弯矩位于开挖面下浅部土层位置。相对于被动区土体对工程桩的附加内力影响,工程桩对被动区土体及支护结构工作性状的影响要略小,坑内工程桩的桩间距及距离支护的水平距离等参数对反压和遮拦作用的影响较大。