[发明专利]高层纠偏的静压锚杆桩和断桩托换支撑装置及其监控方法

权利要求书

1.一种高层纠偏的静压锚杆桩和断桩托换支撑装置，其特征在于：在倾斜高层建筑（1）的地下室底板结构（2）之下设置有原有桩基（3），在倾斜高层建筑（1）沉降位移较大的一侧，布置较多的静压锚杆桩加固结构（4），在倾斜高层建筑（1）沉降位移较小的一侧，布置少量的静压锚杆桩加固结构（4），地下室底板结构（2）底板下面的地基表层土在一定高度范围内被掏空，在倾斜高层建筑（1）的沉降较小的一侧布置断桩托换千斤顶结构（5），原有桩基（3）、静压锚杆桩加固结构（4）和断桩托换千斤顶结构（5）三者联合托换支撑着在地下室底板结构（2）之上的原有倾斜高层建筑（1），通过断桩托换千斤顶结构（5）和静压锚杆桩加固结构（4）两者结构体系中的托换千斤顶升降调节进行倾斜高层建筑（1）的纠偏施工；GPS自动化纠偏位移监测系统（6）由GPS基站（61）和位移测量网点（62）构成，结构应力应变监测网系统（7）由竖向构件应力应变监测网点（71）、地下室底板结构应力应变监测网点（72）和结构裂缝观察网点（73）组成，断桩托换纠偏施工实时监控系统（8）接受GPS自动化纠偏位移监测系统（6）和结构应力应变监测网系统（7）两者的无线传输数据信息，修正有限元计算模型，制定合理的纠偏施工方案，断桩托换纠偏施工实时监控系统（8）指挥断桩托换千斤顶结构（5）的千斤顶迫降位移数值，进行倾斜高层建筑（1）纠偏施工。

2.根据权利要求1所述的高层纠偏的静压锚杆桩和断桩托换支撑装置，其特征在于：所述的断桩托换千斤顶结构（5）是由截断桩（51）、托换承台（52）和托换千斤顶（53）三者构成，在原有桩基（3）的顶部位置，采用种植钢筋和外包钢筋混凝土加固方法，在桩身四周浇筑钢筋混凝土承台，形成托换承台（52），在托换承台（52）之上设置有若干托换千斤顶（53），托换千斤顶（53）顶紧倾斜高层建筑（1）的地下室底板结构（2），截断原有桩基（3）的顶部桩身，形成截断桩（51），从而形成断桩托换千斤顶结构（5）。

3.根据权利要求1所述的高层纠偏的静压锚杆桩和断桩托换支撑装置，其特征在于：所述的静压锚杆桩加固结构（4）是由静压锚杆桩（41）、钢筋锚杆（42）、钢结构反力梁（43）和压桩千斤顶（44）构成，在地下室底板结构（2）之上开凿有倒锥形空洞，静压锚杆桩（41）插入在倒锥形空洞之中，钢筋锚杆（42）锚固在地下室底板结构（2）的倒锥形空洞四周，钢筋锚杆（42）与钢结构反力梁（43）相连，压桩千斤顶（44）设置在静压锚杆桩（41）桩顶和钢结构反力架（43）底部的两者之间，从而形成静压锚杆桩加固结构（4）。

4.根据权利要求1所述的高层纠偏的静压锚杆桩和断桩托换支撑装置，其特征在于：所述的断桩托换纠偏施工实时监控系统（8）是由监测系统模块、任务管理模块和断桩托换千斤顶纠偏控制模块三大模块组成，监测系统模块是实时采集纠偏位移数据和竖向构件内力数据的功能模块，采集GPS自动化纠偏位移监测系统（6）和结构应力应变监测网系统（7）的实时数据信息，实时可视化图形显示纠偏位移状态和内力状态；任务管理模块是分析检测数据和制定纠偏方案的功能模块，依据纠偏施工过程中高层建筑物竖向构件的实时轴力值与其设计轴力值的差值，并结合高层建筑物纠偏位移的实时监控数据，针对考虑上部结构、筏板基础和桩基础三者共同工作的桩基础变刚度计算分析模型，及时修正调整的计算参数，进行计算分析模型修正，重新分析计算出不同迫降纠偏方案工况的筏板基础沉降分布、桩基础反力分布和上部结构内力数值，应用NURBS数学曲面形状进行模拟描述不同迫降纠偏方案工况下的筏板基础附加沉降曲面，运用遗传优化数学方法，依据位移控制阀值和内力控制阀值的优化边界条件，明确迫降纠偏位移优化目标，优化分析后得到不同迫降纠偏方案工况NURBS曲面附加沉降曲面的参与工作权重系数，依据不同迫降纠偏方案工况的参与工作权重系数，从而，制定多种迫降纠偏方案工况组合而成的合理纠偏施工的方案；断桩托换千斤顶纠偏控制模块是依据高层建筑纠偏施工方案指令，指挥断桩托换千斤顶结构（5）的托换千斤顶（53）的升降，有效控制高层建筑物纠偏的沉降速率，进行倾斜高层建筑（1）的纠偏施工。

5.一种根据权利要求1-4任意一项所述的高层纠偏的静压锚杆桩和断桩托换支撑装置的监控方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：调查资料，用经典的全站仪和经纬仪等测量仪器，初始测量倾斜高层建筑（1）的倾斜位移状态，采用应力释放法，检测倾斜高层建筑（1）的竖向构件和地下室底板的初始应力状态，形成倾斜高层建筑（1）的初始状态的文件；

步骤二：在附近高层建筑物的楼顶之上，安装GPS基站（61），在倾斜高层建筑（1）的楼顶部、楼底部和大楼中间位置的四周外侧布置位移测量点（62）；形成GPS自动化纠偏位移监测系统（6）；

步骤三：在倾斜高层建筑（1）之上，布置竖向构件应力应变监测网点（71）和地下室底板结构应力应变监测网点（72），并安装无线传输数据信息的振弦式应变计，布置结构裂缝观察网点（73），形成结构应力应变监测网系统（7）；

步骤四：在倾斜高层建筑（1）的地下室底板结构（2）之上，开凿倒圆锥形的压桩孔洞，倒圆锥形的压桩孔洞内插入静压锚杆桩（41），倒圆锥形的压桩孔洞四周结构胶锚固钢筋锚杆（42），安装钢结构反力梁（43），压桩千斤顶（44）布置在静压锚杆桩（41）桩顶和钢结构反力架（43）底部的两者之间，启动压桩千斤顶（44），分节段压入静压锚杆桩（41），形成静压锚杆桩加固结构（4）；

步骤五：在倾斜高层建筑（1）沉降位移较大的一侧，布置较多的静压锚杆桩加固结构（4），在倾斜高层建筑（1）沉降位移较小的一侧，布置少量的静压锚杆桩加固结构（4），分为多节段压入大直径静压锚杆桩（41）的钢管桩身，大直径超长静压锚杆桩（41）的桩尖沉桩到达深层坚硬的持力层，大直径静压锚杆桩（41）内部空腔灌注高性能密实混凝土，锚杆静压桩（41）使得倾斜高层建筑（1）沉降稳定；

步骤六：在一定高度范围内，掏空在地下室底板结构（2）底板下面的地基表层土，将原有倾斜高层建筑（1）托换支撑于原有桩基础（3）和静压锚杆桩加固结构（4）之上；

步骤七：在倾斜高层建筑（1）的地下室底板结构（2）之下，挖出原有桩基（3）一定高度的桩身结构，采用钢筋混凝土增大截面法加固法，在桩身四周种植钢筋和绑扎钢筋骨架，浇筑钢筋混凝土，形成托换承台（52），在钢筋混凝土的托换承台（52）之上，安装托换千斤顶（53），托换千斤顶（53）支撑顶紧地下室底板结构（2），截断第一批原有桩基（3），原有桩基3桩身结构变为截断桩（51），形成断桩托换千斤顶结构（5）；

步骤八：在倾斜高层建筑（1）的沉降较小的一侧，布置第一批断桩托换千斤顶结构（5），形成断桩托换千斤顶结构（5）、静压锚杆桩加固结构（4）和原有桩基（3）三者联合托换支撑着在地下室底板结构（2）之上的原有倾斜高层建筑（1）的结构状态，呈现高脚楼结构状态；

步骤九：通过升降调节在断桩托换千斤顶结构（5）和静压锚杆桩加固结构（4）两者结构体系中的托换千斤顶群进行倾斜高层建筑（1）的纠偏施工，断桩托换千斤顶结构（5）迫降纠偏导致桩基础群内力重分布，剩余的原有桩基（3）受力增大，利用高层建筑自身重量，进行倾斜高层建筑（1）的迫降纠偏；

步骤十：明确倾斜高层建筑（1）的迫降纠偏目标，断桩托换纠偏施工实时监控系统（8）发出指令，指挥断桩托换千斤顶结构（5）和静压锚杆桩加固结构（4）两者结构体系中的托换千斤顶的升降，如果升降速度太慢，指挥断桩托换千斤顶结构（5）中的托换千斤顶（53）加大下沉量，如果沉降速度太快，指挥断桩托换千斤顶结构（5）中的托换千斤顶（53）回升支撑顶住地下室底板结构（2），并且指挥静压锚杆桩加固结构（4）中的压桩千斤顶（44）回升支撑顶住地下室底板结构（2），避免纠偏过量下沉；

步骤十一：在倾斜高层建筑（1）的迫降纠偏施工过程中，GPS自动化纠偏位移监测系统（6）实时采集位移测量网点（62）的纠偏位移信息，通过GPS基站（61），实时发送给断桩托换纠偏施工实时监控系统（8）；结构应力应变监测网系统（7）实时采集竖向构件应力应变监测网点（71）、地下室底板结构应力应变监测网点（72）和结构裂缝观察网点（73）的信息，实时发送给断桩托换纠偏施工实时监控系统（8），实时可视化图形显示倾斜高层建筑（1）的迫降纠偏的位移状态和内力状态；

步骤十二：依据GPS自动化纠偏位移监测系统（6）和结构应力应变监测网系统（7）两者的实时无线发送测量数据，断桩托换纠偏施工实时监控系统（8）接收到监控测量数据，实时获得倾斜高层建筑（1）的纠偏位移和竖向构件的内力数值，分析倾斜高层建筑（1）的纠偏监控的图形和数值，及时进行考虑上部结构、筏板基础和桩基础三者联合共同工作的桩基础变刚度调平的有限元分析模型的参数修正，进行有限元计算模型修正；

步骤十三：在倾斜高层建筑（1）的迫降纠偏施工过程中，依据修正后的桩基础变刚度调平计算分析模型，针对不同迫降纠偏方案工况，重新修正计算出的筏板基础沉降分布、桩基础反力分布和上部结构内力数值，应用NURBS数学曲面形状进行数学模拟描述不同迫降纠偏方案工况下的筏板基础附加沉降曲面，运用遗传优化数学方法，依据纠偏施工过程中位移限制和内力限制的优化边界条件，明确纠偏优化目标，就可以得到不同迫降纠偏方案工况的NURBS曲面附加沉降曲面的参与工作权重系数，依据不同迫降纠偏方案工况的参与工作权重系数，从而，优化后制定出由多种纠偏工况组合而成的合理纠偏施工的方案，多种纠偏工况组合一步一步地分级完成纠偏工作，断桩托换纠偏施工实时监控系统（8）实时指挥托换千斤顶（53）的迫降位移，断桩托换纠偏施工实时监控系统（8）逐步分阶段完成倾斜高层建筑（1）的迫降纠偏目标；

步骤十四：断桩托换纠偏施工实时监控系统（8）设置GPS自动化纠偏位移监测系统（6）和结构应力应变监测网系统（7）的报警阀值，一旦监控指标超过报警阀值，立刻停止纠偏施工，立即将静压锚杆桩加固结构（4）的压桩千斤顶（44）回升支撑顶住地下室底板结构（2），立即将断桩托换千斤顶结构（5）的托换千斤顶（53）回升支撑顶住地下室底板结构（2），双保险避免纠偏过量下沉，查明原因，在消除纠偏施工时的结构安全隐患后，调整纠偏方案，继续进行倾斜高层建筑（1）的迫降纠偏施工，确保纠偏建筑物处于结构安全健康状态；

步骤十五：如果倾斜高层建筑（1）的迫降纠偏速度太慢，继续截断第二、三批原有桩基（3），增加断桩托换千斤顶结构（5）的截断桩（51）数量，进一步减少剩余的原有桩基（3）的数量，剩余的原有桩基（3）受力进一步增大，可加快高层建筑迫降纠偏速度；

步骤十六：当倾斜高层建筑（1）纠偏回倾至满足规范要求后，停止千斤顶托换纠偏工作，逐个地对静压锚杆桩加固结构（4）进行临时封锚处理，即卸下其中一个静压锚杆桩加固结构（4）的压桩千斤顶（44），采用X形交叉布置的两个冖字形钢筋压住静压锚杆桩（41）的桩头，并将该两根冖字的形钢筋采用结构胶锚固在地下室底板结构（2）之上，在倒圆锥形的压桩孔洞灌入封桩混凝土，同时浇筑施工静压锚杆桩加固结构（4）的新承台；然后，重新安装压桩千斤顶（44），压紧静压锚杆桩（41）的桩头，完成第一个静压锚杆桩加固结构（4）的临时封桩后，继续完成下一个临时封桩，一个一个逐步完成临时封桩，确保结构安全；

步骤十七：等待静压锚杆桩加固结构（4）的临时封桩混凝土结硬后，一个一个逐步将断桩托换千斤顶结构（5）的截断桩（51）修补，焊接连接截断桩（51）的钢筋，桩身浇筑混凝土，修复截断桩（51）的桩身结构；

步骤十八：等待静压锚杆桩加固结构（4）的封桩混凝土结硬后，等待断桩托换千斤顶结构（5）的截断桩（51）修补结硬后，卸载托换千斤顶（53），拆除断桩托换千斤顶结构（5），最后，拆除静压锚杆桩加固结构（4）的钢结构反力梁（43）和压桩千斤顶（44），用经典的全站仪和经纬仪等测量仪器，测量倾斜高层建筑（1）的纠偏位移最终状态，采用应力释放法，检测倾斜高层建筑（1）的竖向构件和地下室底板的应力最终状态，形成倾斜高层建筑（1）的纠偏最终状态的文件，完成倾斜高层建筑（1）的静压锚杆桩加固和断桩托换千斤顶纠偏施工，恢复大楼正常使用。