地下增层是“减量建设”与“盘活存量”,“活化”地下空间与解决城市停车难等问题的有效途径之一,具有综合性强、施工难度大、责任重等特点。由于目前可供分析的工程案例较少且研究方法主要采用有限元分析法;因此开展地下增层物理模型试验和三维数值模拟研究,定量确定增层施工中上部结构的二次沉降变形规律,为后续附加内力的分析提供依据显得尤为重要。本文通过物理模型试验和三维数值模拟,对某既有框架结构建筑板式托换法地下增层施工过程中上部结构的沉降变形规律进行了较为系统的研究,并对比分析了不同土方开挖方法和不同底板基础对上部结构沉降变形的影响。主要研究内容及成果如下:⑴依据框架结构建筑在自身荷载长期作用下的沉降变形规律和“抗”与“放”设计理念,本文提出了“中央竖井式”土方开挖方案和“环岛式”土方开挖方案,并在此基础上提出了“回字形”托换顶板布置方案。⑵针对板式托换法的技术特点,论证了板式托换法地下增层的技术可行性,并以此为依据设计了既有框架结构建筑地下增层物理模型试验。利用百分表采集模型试验中各工况下的柱脚沉降量,通过Origin 2018软件对试验数据进行处理分析,揭示了既有建筑地下增层施工中上部结构的柱脚沉降变形规律和整体分布形态,定性判定了最不利工况及施工参数对地下增层施工的影响,并提出了相关工程建议,从而有助于板式托换法的推广和应用。⑶利用FLAC3D有限差分软件建立了既有框架结构建筑地下增层三维数值模型,较好地验证了模型试验结果的合理性与正确性,并补充计算了托换板和上部结构体系的主应力变化规律。通过分析托换结构体系的主应力变化规律和塑性区变形趋势,确定了地下增层施工中托换构件的危险截面位置。研究结论可为同类工程的设计、施工和监测等提供参考借鉴。