...phan tich bien dang (Dinh Xuan Vinh).pdf

...phan tich bien dang (Dinh Xuan Vinh).pdf tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất...

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

TS Đinh Xuân Vinh (chủ biên) PGS.TS Phan Văn Hiến, TS Nguyễn Bá Dũng

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

GIÁO TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ

HÀ NỘI, 2015

i

MỤC LỤC

Mở đầu 1

Chương 1 Lý thuyết nhận dạng hệ thống

1.1 Khái niệm chung

1.1.1 Khái niệm về quan trắc biến dạng

1.1.2 Nội dung của quan trắc biến dạng

1.1.3 Phân loại phương pháp phân tích biến dạng

1.1.4 Mục đích và ý nghĩa của quan trắc biến dạng

3 3 3 4 5 7 1.2 Biến dạng và giám sát

1.2.1 Tiêu chuẩn kỹ thuật đối với quan trắc biến dạng

1.2.2 Giới thiệu các kỹ thuật quan trắc biến dạng

1.3 Thành phần phương sai và hiệp phương sai trong dữ liệu quan trắc 1.3.1 Phương sai

1.3.2 Ma trận hiệp phương sai

1.3.3 Tự hiệp phương sai

1.3.4 Tự tương quan

1.3.5 Ước lượng thành phần phương sai và hiệp phương sai

1.3.6 Phương pháp kiểm tra số liệu quan trắc

1.4 Nhận dạng hệ thống dữ liệu quan trắc

1.4.1 Phân tích biến dạng truyền thống

1.4.2 Hệ thống hóa mô hình biến dạng

1.4.3 Mô hình đồng nhất

1.4.4 Mô hình động

1.4.5 Mô hình tĩnh và động lực

8 8 11 20 20 22 23 24 28 33 36 36 37 38 40 41 Chương 2 Phân tích biến dạng hình học

2.1 Các tham số chủ yếu của biến dạng

2.2 Quan hệ hàm số giữa trị đo với tham số biến dạng

2.2.1 Tham số biến dạng

2.2.2 Mối liên quan hàm số giữa mô hình biến dạng với các trị đo 2.3 Biến dạng công trình

2.3.1 Biến dạng phi chu kỳ

2.3.2 Biến dạng có chu kỳ

2.3.3 Nguyên nhân động lực tổng hợp gây biến dạng

2.3.4 Xác định số chu kỳ quan trắc và thời gian quan trắc trong chu kỳ 2.3.5 Phương án quan trắc biến dạng công trình

2.4 Vấn đề bình sai lưới quan trắc biến dạng

2.5 Tổng quan về giải thích vật lý biến dạng

2.5.1 Các phương pháp giải thích và sự tương tác lẫn nhau

2.5.2 Giải thích vật lý bằng phương pháp phân tích thống kê

2.5.3 Giải thích vật lý bằng mô hình xác định trước

47 47 52 52 54 56 58 60 62 63 64 67 70 70 72 74 Chương 3 Mô hình biến dạng của đối tượng

3.1 Mô hình toán học

3.2 Nhận dạng mô hình biến dạng

3.3 Ước lượng mô hình biến dạng

3.4 Đánh giá mô hình biến dạng

79

80

82

85

87

3.4.1 Vấn đề kiểm định thống kê

3.4.2 Lựa chọn mô hình biến dạng tốt nhất

3.5 Phương pháp chung phân tích hình học

3.6 Quy trình đánh giá độ ổn định của điểm gốc lưới quan trắc biến dạng công trình

3.6.1 Bình sai lưới tự do trong quan trắc biến dạng

3.6.2 Vấn đề khuyết số liệu gốc trong phân tích biến dạng

3.6.3 Ước lượng và kiểm định thống kê điểm cơ sở không ổn định và điểm kiểm tra biến dạng

3.6.4 Ví dụ đánh giá độ ổn định điểm cơ sở trong lưới đo lún tại Văn Quán, Hà Nội

3.7 Phân tích biến dạng địa động

3.7.1 Mô tả khu vực quan trắc

3.7.2 Xác nhận mô hình biến dạng

3.6.3 Kết quả lựa chọn mô hình

87 88 91 92 92 97 100 103 113 113 114 116 Chương 4 Phân tích biến dạng trong mô hình tham số

4.1 Khái quát chung

4.2 Phương pháp lọc Kalman

4.2.1 Lý thuyết ước lượng tuyến tính tối ưu

4.2.2 Phương trình vi phân

4.2.3 Nhiễu trắng

4.2.4 Mô phỏng nhiễu trắng

4.2.5 Trạng thái không gian

4.2.6 Ma trận cơ sở

4.2.7 Lọc Kalman dạng đa thức

4.2.8 Ví dụ lọc alman với các trị đo GPS liên tục tại Văn Quán, Hà nội, Việt Nam

4.3 Mô hình xác định trước và phương pháp phần tử hữu hạn

4.3.1 Tổng quan

4.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn

4.3.3 Mô hình xác định trước

4.3.4 Mô hình tổng hợp phương pháp xác định trước và thống kê

119 119 121 122 123 124 124 125 126 127 138 141 141 142 142 143 Chương 5 Phân tích biến dạng trong mô hình phi tham số

5.1 Tổng quan về chuỗi thời gian

5.1.1 Mở đầu

5.1.2 Mô hình toán học của quá trình động ngẫu nhiên và xác định 5.1.3 Ý tưởng cơ bản khi xây dựng mô hình

5.1.4 Kết luận

5.2 Hàm tự tương quan của quy trình tĩnh

5.2.1 Chuỗi thời gian và quy trình ngẫu nhiên

5.2.2.Quy trình ngẫu nhiên tĩnh

5.2.3 Ma trận tự hiệp phương sai và tính xác định của nó

5.2.4 Hàm tự tương quan và hàm tự hiệp phương sai

5.3 Xác định mô hình ARIMA

5.4 Ví dụ xây dựng mô hình ARIMA

5.4.1 Giới thiệu khu vực thực nghiệm

147

147

147

150

156

157

158

158

159

161

162

164

165

165

iii

5.4.2 Phân tích tự tương quan và tự tương quan riêng phần

5.4.3 Phân tích dữ liệu trên chuỗi nguyên sơ

5.4.4 Phân tích dữ liệu trên chuỗi sai phân bậc một

5.5 Hồi quy

5.5.1 Phương trình hồi quy tuyến tính đa biến và cách giải

5.5.2 Hệ số tương quan và hệ số xác định

5.6 Hồi quy từng bước

5.7 Ví dụ phân tích hồi quy từng bước

5 .1 Xây ựng mô hình hồi quy

5 .2 ính toán mô hình hồi quy

5 .3 Giải thích kết quả hồi quy

Thuật ngữ riêng

Tài liệu tham khảo

167

169

170

172

173

176

180

182

183

184

188

193

195

1

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện tượng biến dạng của công trình xây dựng như nhà ở, cầu, đập ngăn nước, và của các vùng đất như trượt lở của bờ dốc, thân đê, mái đắp, lún do khai thác mỏ, khai thác dầu hoặc nước ngầm, xây dựng hồ chứa lớn, gây ra những rủi ro lớn cho công trình và sự an toàn của con người

Về cơ bản, có cả lý do thực tế và lý do khoa học cho việc nghiên cứu biến dạng

Lý do thực tế là kiểm tra sự ổn định của các cấu trúc địa chất, kết cấu công trình và thiết bị cơ khí, đánh giá mức độ nguy hiểm của sự ổn định, phát hiện các yếu tố ban đầu của một rủi ro Lý do khoa học là sự cần thiết để hiểu rõ hơn cơ chế của biến dạng, kiểm tra các lý thuyết mới bao gồm cả các thiết kế trong xây dựng công trình Từ đó

đề xuất các phương pháp dự báo an toàn

Một báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Hoa kỳ có viết: "Hầu như tất cả mọi thứ chúng ta biết về bản chất gia tăng tích tụ dẫn đến động đất ở miền Tây Hoa kỳ, đến

từ các nghiên cứu trắc địa đã bắt đầu vào cuối những năm 1800" (A.Whitten, 1982)

Đó là kết luận được thực hiện bởi một tổ chức không thuộc lĩnh vực đo đạc và khảo sát, từ đó đề cao vai trò của những người làm việc trong lĩnh vực quan trắc biến dạng Năm 1978, Ủy ban 6 của Liên hiệp hội Trắc địa Thế giới (FIG) được thành lập với mục đích nghiên cứu quan trắc và phân tích biến dạng do tiến sĩ Chzanowski làm chủ tịch, đến nay đã có nhiều thành quả nghiên cứu tích cực trong lĩnh vực lý thuyết tổng quát về phân tích biến dạng và dữ liệu quan trắc biến dạng

Cuốn sách này tham khảo nhiều tài liệu phát hành bởi FIG và IAG (Hiệp hội trắc địa thế giới) được xuất bản từ Springer, đồng thời được biên soạn theo Đề cương đã được phê duyệt của trường đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Chúng tôi chân thành cảm ơn những góp ý quý báu của TS Nguyễn Đình Thành và PGS TS Đặng Nam Chinh nhằm hoàn thiện cuốn sách này

Chương trình đào tạo đại học đã trình bày nội dung quan trắc biến dạng, cuốn sách này không trình bày nội dung thiết kế và quan trắc biến dạng, mà tập trung vào nội dung xử lý kết quả quan trắc biến dạng công trình và biến dạng địa động Chúng tôi hy vọng cuốn sách này giúp sinh viên của Nhà trường nắm vững kiến thức, đồng thời là tài liệu tham khảo của cán bộ khảo sát biến dạng ở Việt Nam Do trình độ có hạn, thời gian biên soạn ngắn, cuốn sách này còn có những khiếm khuyết, rất mong người đọc góp ý để chúng tôi bổ sung cho lần tái bản sau

Các tác giả