Nghiên cứu phương pháp phân tích độ ổn định mốc cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình

Khi xử lý số liệu quan trắc, để có thể tính toán chính xác lượng chuyển dịch của các điểm quan trắc thì công việc quan trọng và không thể thiếu là phân tích độ ổn định các mốc lưới cơ sở

NGUYỄN DUY HIẾN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

ĐỘ ỔN ĐỊNH MỐC CƠ SỞ TRONG QUAN TRẮC

CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2015

NGUYỄN DUY HIẾN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

ĐỘ ỔN ĐỊNH MỐC CƠ SỞ TRONG QUAN TRẮC

CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ

Mã số: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Phạm Quốc Khánh

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Các số liệu được đưa ra trong Luận văn là trung thực Kết quả nghiên cứu

nêu trong Luận văn chưa từng được công bố trên một tài liệu nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Nguyễn Duy Hiến

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH 4

1.1 Nội dung, mục đích và ý nghĩa của quan trắc chuyển dịch công trình 4

1.1.1 Khái niệm cơ bản về quan trắc biến dạng 4

1.1.2 Nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình 5

1.1.3 Nội dung và mục đích của quan trắc chuyển dịch công trình 5

1.1.4 Ý nghĩa của quan trắc chuyển dịch công trình 6

1.2 Độ chính xác và chu kỳ quan trắc chuyển dịch ngang 6

1.2.1 Yêu cầu độ chính xác 6

1.2.2 Chu kỳ quan trắc trong quan trắc chuyển dịch ngang 8

1.3 Hệ thống lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình 9

1.3.1 Cấp lưới cơ sở 9

1.3.2 Cấp lưới quan trắc 9

1.3.3 Yêu cầu độ chính xác của mỗi bậc lưới 10

1.4 Kết cấu và phân bố hệ thống mốc quan trắc 13

1.4.1 Mốc cơ sở 13

1.4.2 Mốc quan trắc 14

1.4.3 Bảng ngắm phẳng 15

1.5 Các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang công trình 17

1.5.1 Phương pháp quan trắc mặt đất 17

1.5.2 Phương pháp định vị vệ tinh - GPS 23

Chương 2 PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH MỐC LƯỚI CƠ SỞ TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH 30

2.1 Phương pháp bình sai lưới tự do 30

2.1.1 Một số khái niệm về lưới trắc địa tự do 30

2.1.2 Mô hình toán học của phương pháp bình sai lưới tự do 32

2.1.3 Phép chuyển đổi toạ độ vi phân 35

2.1.4 Định vị lưới trắc địa tự do 38

2.2 Phân tích độ ổn định lưới cơ sở theo phương pháp bình sai gián tiếp kèm điều kiện 40

2.2.1 Tiêu chuẩn ổn định của các điểm khống chế cơ sở 40

2.2.2 Quy trình phân tích độ ổn định lưới cơ sở theo phương pháp bình sai gián tiếp kèm điều kiện 41

2.2.3 Ví dụ tính toán 43

2.3 Phân tích độ ổn định lưới cơ sở theo phương pháp chênh lệch trung bình 46

2.3.1 Kiểm nghiệm tổng thể 47

2.3.2 Kiểm nghiệm cục bộ 49

2.3.3 Ví dụ tính toán 50

2.4 Phân tích độ ổn định lưới cơ sở theo phương pháp kiểm nghiệm phương sai sau bình sai 51

2.4.1 Tính toán chu kỳ đầu lưới cơ sở 52

2.4.2 Tính toán các chu kỳ tiếp theo 52

2.4.3 Ví dụ tính toán 54

Chương 3 TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH MỐC LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN SÔNG HINH 56

3.1 Giới thiệu công trình 56

3.2 Mạng lưới khống chế thi công thủy điện sông Hinh 57

3.3 Thực nghiệm đánh giá độ ổn định mạng lưới khống chế thi công trình thủy điện sông Hinh 59

3.3.1 Thực nghiệm kiểm nghiệm độ ổn định điểm lưới khống chế thi công công trình theo phương pháp bình sai gián tiếp kèm điều kiện 59

3.3.2 Thực nghiệm kiểm nghiệm độ ổn định điểm lưới khống chế thi công công trình theo phương pháp Pelzer 61

3.3.3 Thực nghiệm kiểm nghiệm độ ổn định điểm lưới khống chế thi công công trình theo phương pháp kiểm nghiệm phương sai sau bình sai 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 69

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lượng chuyển dịch của điểm i giữa hai thời điểm quan trắc 10

Hình 1.2 Mốc khống chế mặt bằng dạng cột 13

Hình 1.3 Mốc khống chế cơ sở quan trắc chuyển dịch ngang đập thuỷ điện 14

Hình 1.4 Mốc quan trắc 14

Hình 1.5 Bảng ngắm cố định và bảng ngắm vi động (từ trái qua phải) 16

Hình 1.6 Lưới tam giác trong quan trắc chuyển dịch 19

Hình 1.7 Sơ đồ tuyến đường chuyền 20

Hình 1.8 Sơ đồ giao hội hướng 21

Hình 1.9a Xác định chuyển dịch ngang theo phương pháp hướng chuẩn 22

Hình 1.9b Xác định chuyển dịch ngang theo phương pháp đo góc nhỏ 22

Hình 1.9c Xác định chuyển dịch ngang theo phương pháp bảng ngắm vi động 23

Hình 1.10 Định vị GPS tuyệt đối 24

Hình 1.11 Định vị GPS tương đối 26

Hình 2.1 Tham số chuyển đổi toạ độ giữa hai hệ toạ độ 35

Hình 2.2 Chuyển dịch vị trí của điểm i 38

Hình 2.3 Quan hệ giữa độ chính xác quan trắc và tiêu chuẩn ổn định 41

Hình 2.4 Sơ đồ xử lý số liệu lưới cơ sở trong quan trắc biến dạng công trình43 Hình 2.5 Đập thủy điện Pleikrong 44

Hình 2.6 Sơ đồ lưới cơ sở đập thủy điện Pleikrong 44

Hình 2.7 Sơ đồ lưới quan trắc đập thủy điện Pleikrong 45

Hình 3.1 Sơ đồ lưới khống chế thi công thủy điện sông Hinh 57

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch công trình 8

Bảng 1.2 Yêu cầu độ chính xác của các cấp lưới 12

Bảng 2.1 Tọa độ gần đúng điểm lưới 45

Bảng 2.2 Độ lệch điểm lưới cơ sở sau lặp vòng 1 46

Bảng 2.3 Độ lệch điểm lưới cơ sở sau lặp vòng 2 46

Bảng 2.4 Độ dịch chuyển của các điểm lưới cơ sở 51

Bảng 3.1 Số liệu đo góc 58

Bảng 3.2 Số liệu đo cạnh 58

Bảng 3.3 Danh sách tọa độ gần đúng và tọa độ sau bình sai lưới tự do chu kỳ 1 59

Bảng 3.4 Độ dịch chuyển của các điểm lưới cơ sở sau lặp vòng 1 60

Bảng 3.5 Độ dịch chuyển của các điểm lưới cơ sở sau lặp vòng 2 61

Bảng 3.6: Tọa độ điểm lưới sau bình sai chu kỳ 2 và lượng chuyển dịch 63

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta đang trên đà phát triển mạnh cơ sở hạ tầng, các công trình lớn và phức tạp như công trình nhà cao tầng, công trình cầu vượt, công trình thủy điện ngày càng nhiều Công tác trắc địa phục vụ thi công các công trình này phải thi công trong điều kiện khó khăn nhưng lại đòi hỏi

độ chính xác rất cao, trong đó có công tác quan trắc chuyển dịch và biến

dạng công trình Khi xử lý số liệu quan trắc, để có thể tính toán chính xác lượng chuyển dịch của các điểm quan trắc thì công việc quan trọng

và không thể thiếu là phân tích độ ổn định các mốc lưới cơ sở Nếu lựa chọn các mốc không ổn định để tính toán lượng chuyển dịch của các mốc sẽ dẫn đến các kết luận sai lầm, thậm chí gây hậu quả nghiêm trọng

Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu phương pháp phân tích độ ổn định

mốc cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình” là cần thiết

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đề tài đi sâu nghiên cứu phương pháp phân tích độ ổn định mốc cơ

sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Phương pháp bình sai hệ thống lưới quan trắc chuyển dịch ngang

Một số phương pháp phân tích độ ổn định mốc cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang

Tính toán thực nghiệm minh chứng cho phần lý thuyết nghiên cứu

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết

để giải quyết các vấn đề xử lý số liệu lưới khống chế quan trắc chuyển dịch

ngang công trình

Thống kê, thu thập số liệu để khảo sát hiệu quả từng phương pháp nghiên cứu

Vận dụng, đánh giá kết quả thực nghiệm để đưa ra kết luận

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Góp phần phát triển và hoàn thiện lý thuyết xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch ngang công trình

Các nghiên cứu có thể được ứng dụng trong thực tế sản xuất

7 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, ba chương và kết luận Luận văn được trình bày trong 83 trang, 21 hình vẽ và 12 bảng biểu

8 Lời cám ơn

Sau một thời gian nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS Phạm Quốc Khánh, tác giả đã hoàn thành nội dung luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Phạm Quốc Khánh

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Trắc địa, trường Đại học Mỏ - Địa chất, các đồng nghiệp và đặc biệt là các thầy cô của bộ môn Trắc địa công trình đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC

CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

1.1 Nội dung, mục đích và ý nghĩa của quan trắc chuyển dịch công trình

1.1.1 Khái niệm cơ bản về quan trắc biến dạng

Biến dạng là hiện tượng tồn tại phổ biến trong tự nhiên, là sự biến

đổi về vị trí, hình dạng và kích thước của thể biến dạng trong không gian và

thời gian trước tác động của các loại tải trọng và ngoại lực [2]

Quan trắc biến dạng là sử dụng máy móc thiết bị và phương pháp

trắc địa về tiến hành theo dõi, đo đạc hiện tượng biến dạng của thể biến dạng Nhiệm vụ của quan trắc biến dạng là xác định trạng thái không gian

và đặc trưng thời gian của sự biến đổi hình dạng, kích thước và vị trí của thể biến dạng dước tác động của các loại tải trọng và trọng lực

Phạm vi của thể biến dạng có thể lớn đến cả trái đất, nhỏ đến một khối của công trình xây dựng, bao gồm vật cấu trúc tự nhiên và nhân tạo Dựa vào phạm vi nghiên cứu của thể biến dạng, có thể chia đối tượng của nghiên cứu quan trắc biến dạng thành 3 loại:

(1) Nghiên cứu biến dạng toàn cầu, như quan trắc vận động mảng địa cầu, dịch động của địa cực, biến đổi vận tốc tự xoay của trái đất, địa triều;

(2) Nghiên cứu biến dạng khu vực, như quan trắc biến dạng vỏ Trái

đất, lún mặt đất thành phố;

(3) Nghiên cứu biến dạng cục bộ và công trình, như quan trắc biến dạng ba chiều của công trình xây dựng, trượt, dịch động và lún sụt của mặt

đất do khai thác nước ngầm

1.1.2 Nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình

Có nhiều nguyên nhân gân ra chuyển dịch biến dạng công trình, nhìn chung có thể chia chúng ra làm hai nhóm chính:

Nhóm nguyên nhân thứ nhất (liên quan đến điều kiện tự nhiên) gồm

có: Do sự sụt ngang và trượt của các lớp đất đá dưới móng công trình, sự thay đổi của các chế độ thủy văn (nước mặn, nước ngầm), các hoạt động

nội sinh ở bên trong lòng đất

Nhóm nguyên nhân thức hai (liên quan đến việc thi công, xây dựng

và vận hành công trình) gồm có: Do việc khai thác sử dụng bản thân công trình, do việc khai thác nước ngầm dẫn đến thay đổi tính chất nước ngầm,

do thi công xây dựng các công trình ngầm, do xây dựng các công trình lân cận, do các sai sót trong khảo sát địa chất công trình và nền móng, do các gian lận vật liệu trong lúc thi công công trình

1.1.3 Nội dung và mục đích của quan trắc chuyển dịch công trình

1 Nội dung

Dựa vào tính chất và tình trạng nền móng của thể biến dạng đề xác

định nội dung của quan trắc biến dạng Cần có trọng điểm rõ ràng và

nghiên cứu toàn diện đển có thể phải ánh chính xác tình trạng biến đổi của thể biến dạng, đạt được mục đích giám sát an toàn của thể biến dạng, tìm hiểu quy luật biến dạng của nó

- Lún mặt đất: Do các công trình khai thác tài nguyên dưới lòng đất khiến cho mặt đất bị lún

2 Mục đích

- Thu thập thông tin biến dạng, phân tích và giải thích thông tin biến dạng và dự báo biến dạng

- Kết quả nghiên cứu rất quan trọng đối với việc phòng tránh tai họa

và nghiên cứu cơ lý biến dạng

- Đối với công trình xây dựng thì quan trắc biến dạng như là tai mắt

để phán đoán tai mắt an toàn công trình mà còn là biện pháp quan trọng để

kiểm nghiệm thiết kế và thi công công trình

1.1.4 Ý nghĩa của quan trắc chuyển dịch công trình

Ý nghĩa thực dụng: Chủ yếu là biết được độ ổn định của các loại

công trình xây dựng và kết cấu địa chất, cung cấp thông tin để chuẩn đoán

độ an toàn của công trình, kịp thời phát hiện vấn đề và có biện pháp xử lý

Ý nghĩa khoa học: Lý giải đúng đắn hơn về cơ chế biến dạng;

nghiệm chứng lý thuyết liên quan đến thiết kế công trình và giả thuyết về vận động của vỏ trái đất, đưa trở lại cho thiết kế và xây dựng mô hình dự báo biến dạng hữu hiệu

1.2 Độ chính xác và chu kỳ quan trắc chuyển dịch ngang

1.2.1 Yêu cầu độ chính xác

Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch chính là độ chính xác cần thiết xác định chuyển dịch công trình, chỉ tiêu định lượng của đại lượng này phụ thuộc chủ yếu vào tính chất cơ lý đất đá dưới nền móng, đặc điểm kết cấu và vận hành công trình [6]

Có hai cách xác định yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch, cách thứ nhất là xác định theo giá trị chuyển dịch dự báo (được nêu trong bản thiết kế công trình), cách thứ hai là xác định theo các tiêu chuẩn xây dựng, vận hành công trình (được quy định trong các tiêu chuẩn ngành)

- Theo tiến độ dự báo, yêu cầu độ chính xác quan trắc được xác

Với: m q - Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ở thời điểm ti;

q - Giá trị chuyển dịch dự báo giữa hai chu kỳ quan trắc;

ε -Hệ số đặc trưng cho độ tin cậy của kết quả quan trắc chuyển dịch;

Đối với công tác quan trắc chuyển dịch, thường lấy P = 0.997 (tương

đương với ε = 3) và khi đó công thức tính độ chính xác của quan trắc chuyển dịch là:

q

Nếu công trình có giá trị chuyển dịch dự báo nhỏ thì m q tính theo công thức (1.2) sẽ rất nhỏ, trong một số trường hợp rất khó đạt được độ chính xác như vậy, đặc biệt là đối với công tác quan trắc chuyển dịch ngang

Yêu cầu này có thể được nêu ra trong đồ án thiết kế kỹ thuật hoặc theo tiêu chuẩn, quy chuẩn của các cơ quan Nhà nước Theo đó, yêu cầu độ chính xác quan trắc của các công trình dân dụng, công nghiệp được đưa ra trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch công trình

TT Loại công trình, nền móng Độ chính xác

quan trắc

1 Công trình bê tông xây trên nền đá gốc ±1mm

2 Công trình xây dựng trên nền đất sét, đất cát và

3 Các loại đập đất đá chịu lực cao ±5mm

4 Công trình xây dựng trên nền đất đắp, nền trượt ±10mm

5 Các loại công trình bằng đất đắp ±15.0mm

1.2.2 Chu kỳ quan trắc trong quan trắc chuyển dịch ngang

Khoảng thời gian t giữa 2 thời điểm quan trắc biến dạng (chu kỳ

quan trắc) mang ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật Nếu chuyển dịch công trình diễn ra chậm mà thời gian giữa 2 thời điểm quan trắc ngắn (chu kỳ đo dày) thì sẽ khó phát hiện được chuyển dịch, đồng thời rất lãng phí về thời gian

và công sức Ngược lại, nếu chuyển dịch của công trình diễn ra nhanh mà thời gian giữa 2 thời điểm quan trắc quá dài (chu kỳ đo thưa) nguy hiểm, vì khi đó công trình có thể đã bị biến dạng hoặc phá hủy Trong thực tế, thường phân chia các chu kỳ quan trắc chuyển dịch theo 3 giai đoạn: giai

đoạn thi công, giai đoạn đầu vận hành công trình và giai đoạn công trình đi

vào ổn định

- Chu kỳ 0: Được thực hiện khi công trình đã xây xong, các mốc đã

ổn định và chưa có áp lực ngang tác động lên công trình

- Chu kỳ 1: Được thực hiện ngay sau khi có áp lực ngang tác động lên công trình

- Các chu kỳ tiếp theo: Được thực hiện tùy theo mức tăng giảm áp lực ngang lên công trình, nếu mức tăng giảm này vượt quá 25% áp lực tính toán

- Đối với các công trình có biến dạng tuần hoàn (đập thủy điện…) cần tiến hành quan trắc theo mùa

Thời kỳ công trình đi vào ổn định: Thời gian quan trắc có thể từ 6 tháng đến 1 năm hoặc dài hơn Tuy nhiên, nếu phát hiện có những dấu hiệu chuyển dịch và biến dạng bất thường cần tiến hành các chu kỳ quan trắc bổ sung

1.3 Hệ thống lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình

1.3.1 Cấp lưới cơ sở

Gồm các điểm khống chế cơ sở bố trí ngoài công trình, nơi có điều kiện địa chất ổn định, có thể đảm bảo được lâu dài và thuận tiện cho việc quan trắc tới các điểm gắn trên công trình Các điểm của lưới cơ sở dùng làm gốc khởi tính tọa độ cho các điểm của lưới quan trắc, vì vậy thường có yêu cầu rất cao về độ ổn định vị trí mặt bằng Trong mỗi chu kỳ quan trắc cần phải kiểm tra độ ổn định của các mốc cơ sở Nếu phát hiện thấy mốc cơ

sở bị chuyển dịch thì phải tiến hành hiệu chỉnh vào kết quả đo các mốc kiểm tra [6]

1.3.2 Cấp lưới quan trắc

Gồm các điểm kiểm tra đặt tại những vị trí đặc trưng trên công trình

và chuyển dịch cùng với công trình

Đối với các công trình dân dụng, mốc kiểm tra được đặt theo chu vi

của công trình, các mốc cách nhau không quá 20m

Đối với các công trình công nghiệp, phân bố mốc tùy thuộc vào loại

móng công trình:

- Với móng băng liền khối: các mốc đặt cách nhau 10-15m

- Với móng cọc hoặc khối: trên mỗi khối móng cần có ít nhất 3 mốc

Đối với các đập thủy điện, mốc kiểm tra được bố trí dọc đường hầm,

dọc theo trục, trên các lớp cơ đập và đỉnh đập.Nếu là đập đất đá thì khoảng cách giữa các mốc khoảng 15-20m; Đập bê tông thì trên mỗi khối có từ 2 mốc trở lên

Hai cấp lưới này tại nên một hệ thống lưới thống nhất và trong từng chu kỳ quan trắc, chúng được đo đạc đồng thời

1.3.3 Yêu cầu độ chính xác của mỗi bậc lưới

Đối với lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình, độ chính xác

của mỗi bậc lưới cần phải được xác lập xuất phát từ yêu cầu độ chính xác cần thiết của việc quan trắc cho trong bảng 1.1 Theo đó chỉ tiêu độ chính xác của mỗi bậc lưới được xác định như sau [6]:

Giả sử i 1 và i 2 là hai bị trí của điểm i (điểm quan trắc) ứng với hai

thời điểm quan trắc t 1 và t 2 (hình 1.1) Khoảng cách Q i giữa chúng chính là lượng chuyển dịch của điểm i trong khoảng thời gian này Từ hình vẽ chúng ta có:

= (x 2 – x 1 ) 2 + (y 2 – y 1 ) 2 (1.3) Trong đó: x 1, y 1 , x 2, y 2 lần lượt là tọa độ của điểm i1, i2

Hình 1.1 Lượng chuyển dịch của điểm i giữa hai thời điểm quan trắc

Lấy vi phân 2 vế của (1.3) theo các biến là các thành phần tọa độ, sẽ có:

2Q i dQ i = 2(x 2 – x 1 )dx 2 - 2(x 2 – x 1 )dx 1 +2(y 2 – y 1 )dy 2 - 2(y 2 – y 1 )dy 1

Chuyển qua sai số trung phương:

Vì m k là sai số trung phương của một thành phần tọa độ, cho nên

m k sẽ tương ứng với sai số m P của vị trí điểm i 1, nghĩa là:

Từ (1.4) có thể nhận thấy rằng: khi tọa độ điểm quan trắc trong các chu kỳ đo được xác định độc lập và cùng độ chính xác thì sai số trung phương xác định chuyển dịch ngang đúng bằng sai số vị trí mặt bằng của một điểm Điều này cũng có nghĩa là nếu biết trước độ chính xác cần thiết xác định chuyển dịch ngang công trình (giá trị này thường được cho trước trong thiết kế kỹ thuật đo biến dạng) thì chúng ta có thể biết được độ chính xác cần thiết xác định vị trí điểm quan trắc trong mỗi chu kỳ

Trong công thức (1.4), m p là sai số trung phương tổng hợp vị trí điểm quan trắc trong hệ thống các bậc lưới khống chế dùng để quan trắc chuyển

dịch Như vậy, nếu gọi là m I và m II là thành phần ảnh hưởng của cấp lưới thứ nhất và cấp lưới thứ hai đến độ chính xác xác định vị trí điểm quan trắc, thì chúng ta có thể viết:

Gọi K là hệ số giảm độ chính xác giữa 2 bậc lưới, nghĩa là m II = Km I

Lúc đó:

= (1+K) 2

kết hợp với (1.5) sẽ có:

m I = và m II = (1.6)

Hệ số giảm độ chính xác K có thể chọn trong khoảng 1 2 tùy theo

đặc điểm của lưới được thiết kế và khả năng hiện có của máy móc thiết bị

đo Chẳng hạn, nếu sử dụng phương pháp tam giác để xác định chuyển dịch

ngang thì nên chọn K = 1, còn nếu sử dụng phương pháp hướng chuẩn hoặc phương pháp giao hội nên chọn K = 2

Đối với hệ thống lưới quan trắc gồm 2 cấp, chọn hệ số suy giảm độ

chính xác K = 2, từ yêu cầu độ chính xác quan trắc trong bảng 1.1, tính

được yêu cầu độ chính xác của mỗi cấp lưới như sau:

Bảng 1.2 Yêu cầu độ chính xác của các cấp lưới

Sai số trung phương

vị trí điểm (mm)

TT Loại công trình vào nền móng

Yêu cầu độ chính xác quan trắc (mm)

Lưới cơ

sở

Lưới quan trắc

1 Công trình bê tông xây dựng trên nền

2 Công trình xây dựng trên nền đất cát,

sét và các nền chịu nén khác ±3 ±1.3 ±2.6

3 Các loại đập đá chịu lực cao ±5 ±2.2 ±4.5

4 Công trình xây dựng trên nền đắp, nền

5 Các loại công trình bằng đất đắp ±15 ±6.7 ±13.4

1.4 Kết cấu và phân bố hệ thống mốc quan trắc

1.4.1 Mốc cơ sở

Yêu cầu cơ bản đối với các mốc cơ sở là phải đảm bảo ổn định, không

bị chuyển dịch Vì vậy các mốc cơ sở phải có kết cấu thích hợp được đặt ở ngoài phạm vi ảnh hưởng của chuyển dịch, biến dạng công trình, ở những nơi có điều kiện địa chất ổn định Trong mỗi chu kỳ quan trắc phải kiểm tra

sự ổn định của các mốc cơ sở Nếu phát hiện thấy mốc cơ sở bị chuyển dịch thì phải tiến hành hiệu chỉnh vào kết quả đo của các mốc kiểm tra [6]

Mốc trong quan trắc chuyển dịch ngang thường sử dụng các loại mốc có kết cấu định tâm bắt buộc, loại mốc này cho phép định tâm máy và bảng ngắm với độ chính xác cao Tuy nhiên cần có biện pháp để giữ cột không bị nghiêng do tác động của cơ học hoặc do bản thân của quá trình chuyển dịch công trình (hình 1.2 và 1.3)

Hình 1.2 Mốc khống chế mặt bằng dạng cột

Hình 1.3 Mốc khống chế cơ sở quan trắc chuyển dịch ngang đập thuỷ điện

1.4.2 Mốc quan trắc

Có hai loại: Mốc gắn nền, mốc gắn tường

Yêu cầu chung đối với cả hai loại mốc là một đầu phải được gắn chặt vào công trình, cùng chuyển dịch với công trình, đầu còn lại phải có

định tâm bắt buộc như hình 1.4:

Hình 1.4 Mốc quan trắc

Mốc kiểm tra được đặt ở những vị trí đặc trưng của công trình Mốc kiểm tra thường được đặt ở độ cao của nền công trình để giảm ảnh hưởng

do nhiệt độ và độ nghiêng công trình

Đối với công trình dân dụng, mốc kiểm tra được đặt theo chu vi của

công trình, các mốc cách nhau không quá 20m Ở những vị trí chịu ảnh hưởng lớn của áp lực ngang thì khoảng cách giữa các mốc là 10m-15m

Đối với công trình công nghiệp, phân bố mốc kiểm tra tuỳ thuộc vào

loại móng công trình

Móng bằng liền khối: các mốc đặt cách nhau 10-15m

Móng cọc hoặc khối: trên mỗi khối được đặt không ít hơn 3 mốc

Đối với các đập thuỷ lợi, thuỷ điện, mốc kiểm tra được bố trí dọc đường hầm thân đập, dọc theo đỉnh đập và các vai đập Nếu là đập đá

thì khoảng cách giữa các mốc 15-20m Nếu là đập bê tông thì tại mỗi khối bố trí hai mốc trở lên

1.4.3 Bảng ngắm phẳng

Phương pháp dùng bảng ngắm phẳng được ứng dụng rộng rãi trong quan trắc chuyển dịch ngang các công trình có dạng thẳng (như các tuyến đập thẳng, cầu vượt) khi công nghệ điện tử chưa phát triển

Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác

của bảng ngắm, để đảm bảo độ chính xác quan trắc thì bảng ngắm phẳng phải thoả mãn các điều kiện sau:

Đường vạch trên bảng ngắm có mầu sắc tương phản

Hình dạng đường vạch là những hình tròn đồng tâm, vạch đứng hoặc hình tam giác

Nếu là vạch đứng thì chiều rộng và chiều cao vạch khắc trên bảng ngắm phải được tính toán sao cho phù hợp với khoảng cách đo ngắm

Trong đó: u là giá trị góc nhìn giữa hai dây chỉ khép của lưới chỉ ''

l là khoảng cách trung bình từ máy đến bảng ngắm

Chiều cao của vạch khắc: h

b

Có hai loại bảng ngắm: bảng ngắm vi động và bảng ngắm cố định (hình 1.5)

- Bảng ngắm cố định là loại bảng ngắm mà vị trí tương đối giữa trục

đối xứng của bảng ngắm và trục quay bảng ngắm không thể thay đổi được

Yêu cầu về cấu tạo hình học đối với loại bảng ngắm này là ở những vị trí khác nhau của bảng ngắm, trục đối xứng của bảng ngắm phải luôn trùng với trục quay của nó Bảng ngắm cố định được sử dụng để đo độ lệch hướng về góc và khoảng cách trong phương pháp hướng chuẩn, cũng như

để sử dụng tại các điểm khống chế hoặc các điểm định hướng

Hình 1.5 Bảng ngắm cố định và bảng ngắm vi động (từ trái qua phải)

- Bảng ngắm vi động là loại bảng ngắm mà vị trí tương đối giữa trục

đối xứng của bảng ngắm và trục quay của nó có thể thay đổi được Sự thay đổi này được thực hiện thông qua núm vi động của bộ đo cực nhỏ gắn trên

bảng ngắm Yêu cầu về cấu tạo hình học của loại bảng ngắm này là khi trục

đối xứng của bảng ngắm trùng với trục quay của nó thì số đọc trên bộ đo

cực nhỏ phải bằng 0 Bảng ngắm vi động chủ yếu được sử dụng để đo trực tiếp độ lệch hướng của các điểm kiểm tra so với đường chuẩn trong phương pháp hướng chuẩn

Sự di chuyển của bảng ngắm so với trục đứng của nó có thể được xác định với độ chính xác trong khoảng 0,01÷ 0,1 mm tùy theo cấu tạo của từng loại bảng ngắm và với điều kiện mặt trước của bảng ngắm phải vuông góc với trục ngắm của máy Nếu mặt phẳng không vuông góc với trục ngắm sẽ sinh ra tác động một chiều của sai số độ nghiêng của bảng ngắm Giá trị giới hạn của độ nghiêng này được xác định theo công thức:

∆ là độ lệch khoảng cách so với hướng vuông góc với trục ngắm

1.5 Các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang công trình

Chuyển dịch biến dạng công trình thường có giá trị nhỏ và diễn ra

âm thầm theo thời gian Vì vậy, để có thể phát hiện được chuyển dịch biến dạng, cần phải sử dụng các phương pháp có kỹ thuật xử lý riêng phù hợp với bản chất của một lưới quan trắc biến dạng [6]

1.5.1 Phương pháp quan trắc mặt đất

Hoàn thiện và phát triển phương pháp trắc địa mặt đất truyền thống, tiến bộ nổi bật là sử dụng rộng rãi máy toàn đạc điện tử, nhất là máy toàn

đạc điện tử tự động quan trắc (RTS – Robotic Total Station), còn gọi là

người máy trắc địa (Georobot), đã cung cấp một biện pháp kỹ thuật rất tốt cho việc tự động quan trắc hoặc quan trắc trong phòng biến dạng công trình cục bộ, nó có thể tiến hành tự động quan trắc mọi hướng, suốt ngày đêm, không người trực tiếp trông giữ trong một phạm vi nhất định Ứng dụng kỹ thuật đo ảnh mặt đất, cùng với kỹ thuật quang, cơ, điện một số máy đặc thù

và chuyên dụng đã được chế tạo, có thể tự động quan trắc biến dạng, bao gồm cả cảm biến… Cụ thể các kỹ thuật quan trắc biến dạng phát triển dựa trên các phương pháp truyền thống:

1 Phương pháp tam giác

Phương pháp tam giác (hiện nay thường sử dụng đo cạnh hoặc đo góc - cạnh) thường được ứng dụng để quan trắc chuyển dịch ngang của các công trình xây dựng ở các vùng đồi núi như các đập thuỷ lợi - thuỷ điện, công trình cầu, đường… Các mốc quan trắc được bố trí ở những vị trí đặc trưng của công trình, có kết cấu thuận tiện cho việc đặt máy, gương hoặc bảng ngắm Để đo các yếu tố (góc, cạnh) Trong lưới sử dụng máy toàn đạc

điện tử chính xác cao Lưới quan trắc được tính toán bình sai theo phương

pháp chặt chẽ để đảm bảo độ tin cậy của kết quả

Lưới quan trắc được xây dựng theo hình thức tam giác thường là mạng lưới dày đặc với đồ hình rất chặt chẽ, cho phép xác định toạ độ các

điểm trong lưới với độ chính xác cao Tuy nhiên, do số lượng trị đo trong

lưới tam giác thường là lớn nên đo đạc trong mạng lưới cũng tốn nhiều thời gian, công sức và các chi phí khác Trên hình 1.6 nêu ví dụ về một mạng lưới quan trắc chuyển dịch công trình

Hình 1.6 Lưới tam giác trong quan trắc chuyển dịch

Trong đó:

A, B, D, E là các điểm khống chế, đặt ngoài công trình

1, 2, 3 là các điểm quan trắc gắn trên công trình

Lưới quan trắc thành lập theo hình thức tam giác thường là mạng lưới dày đặc với đồ hình rất chặt chẽ, cho phép xác định toạ độ các điểm trong lưới với độ chính xác cao Tuy nhiên, do số lượng trị đo trong lưới tam giác thường lớn nên việc xác định đo đạc trong mạng lưới cũng tốn nhiều thời gian, công sức và các chi phí khác

Dựa vào toạ độ các điểm quan trắc ở 2 chu kỳ đo khác nhau để tính giá trị và hướng chuyển dịch Nếu ký hiệu: , , , là tọa độ

điểm N tính được ở chu kỳ i và j ; là chuyển dịch của điểm N theo

trục OX, OY ; Q, là các giá trị và hướng của chuyển dịch toàn phần thì

các tham số chuyển dịch của điểm N được tính theo công thức (1.9):

(1.9)

Sai số trung phương xác định chuyển dịch toàn phần của điểm i được tính theo công thức:

(1.10)

2 Phương pháp lưới đường chuyền

Phương pháp đường chuyền (đa giác) được sử dụng để quan trắc chuyển dịch ngang của những công trình có dạng hình cung như các tuyến

đường, hầm giao thông, tuyến đập dạng vòm Trên mỗi tuyến quan trắc được xây dựng 1 đường chuyền qua các mốc gắn tại công trình, ở hai đầu được dựa trên hai điểm khống chế cơ sở và đo nối ít nhất 2 phương vị gốc

Đo góc, cạnh trong tuyến đa giác bằng máy toàn đạc điện tử chính xác

Hình 1.7 Sơ đồ tuyến đường chuyền

Tuyến đa giác để quan trắc chuyển dịch ngang công trình thường có dạng gần với đường chuyền duỗi thẳng Sai số vị trí các điểm của tuyến phụ thuộc vào sai số đo góc và sai số đo cạnh , điểm yếu nhất (sau bình sai) sẽ là điểm nằm ở giữa tuyến

3 Phương pháp giao hội

Phương pháp giao hội thường được áp dụng phổ biến để quan trắc chuyển dịch ngang cho các công trình thuỷ lợi - thuỷ điện, các tuyến tràn xả

lũ, các tuyến đập vòm Để quan trắc theo phương pháp này cần phải bố trí ít nhất ba điểm khống chế cơ sở tại các vị trí ổn định, thí dụ điểm T1, T2 và T3 (Hình 1.8) Trong các điểm cơ sở có một điểm tạo thành với các điểm kiểm tra (điểm 1, 2, 3) theo hướng vuông góc với hướng dự kiến chuyển dịch của công trình Các góc giao hội được bố trí không nhỏ hơn 300

Hình 1.8 Sơ đồ giao hội hướng

4 Phương pháp hướng chuẩn

Trong những năm đầu của thập kỷ 70 các nhà Trắc địa ở Nga đã đề xuất phương pháp hướng chuẩn để quan trắc chuyển dịch công trình dạng thẳng như đập chắn nước hồ chứa, đập thuỷ điện, cầu với nguyên tắc chủ yếu như sau:

Qua hai điểm khống chế A và B, thành lập một mặt phẳng thẳng

đứng (mặt này được gọi là hướng chuẩn) Giả sử điểm i thuộc công trình có

vị trí y 1 tại thời điểm t 1 và y 2 tại thời điểm t 2 (hình 1.9a) Chuyển dịch của

điểm i theo hướng thẳng góc với hướng chuẩn có thể xác định trên cơ sở so

sánh độ lệch hướng (khoảng cách từ điểm đó tới hướng chuẩn) của điểm i

tại các thời điểm t 1 và t 2, tức là:

Q Y = y 2 – y 1 (1.11)

trong đó: y 1 và y 2 là độ lệch hướng của điểm i tại 2 chu kỳ

Trong phương pháp hướng chuẩn thường nhận trục hoành trùng với hướng chuẩn (trục OX) và nhận trục vuông góc với hướng chuẩn làm trục

tung (trục OY), các giá trị độ lệch hướng trong các chu kỳ được xác định bằng phương pháp đo góc nhỏ hoặc bảng ngắm

Hình 1.9a Xác định chuyển dịch ngang theo phương pháp hướng chuẩn Phương pháp đo góc nhỏ:Để đo độ lệch của điểm i so với hướng

chuẩn AB, tại điểm A đặt máy kinh vĩ, tại điểm B và điểm quan trắc i đặt bảng ngắm Đo góc và khoảng cách ngang S (hình 1.9b)

Hình 1.9b Xác định chuyển dịch ngang theo phương pháp đo góc nhỏ Phương pháp bảng ngắm di động: Bảng ngắm di động là thiết bị

ngắm chuyên dùng, gồm có bảng ngắm được đặt và có khả năng trượt trên thước khắc vạch, vạch khắc mm bắt đầu từ “0” ở giữa, được đánh số tăng (giảm) dần về bên phải (trái) của thước Thước khắc vạch được đặt cố định lên đế

- Khi đo đặt máy tại A, bảng ngắm cố định tại B, thành lập hướng chuẩn A-B Đặt bảng ngắm di động tại điểm quan trắc (N) sao cho thước khắc vạch thẳng góc với hướng A-B Dùng vít vi động điều chỉnh bảng ngắm cho đến khi tia ngắm đi qua tâm bảng ngắm Độ lệch hướng y được xác định là hiệu số đọc trên thước khắc vạch tại điểm quan trắc và số đọc ban đầu của thước (hình 1.9c)

Hình 1.9c Xác định chuyển dịch ngang theo phương pháp bảng ngắm vi động

Phương pháp hướng chuẩn có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện và cho độ chính xác cao, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp quan trắc này là chỉ cho phép xác định chuyển dịch theo một hướng (hướng vuông góc với hướng chuẩn)

1.5.2 Phương pháp định vị vệ tinh - GPS

Lưới GPS nói chung không khác nhiều so với các mạng lưới trắc địa truyền thống Trong lưới GPS, các điểm được liên kết với nhau bằng các cạnh đo (baselines), nhờ các cạnh đo sẽ tính toán xác định tọa độ, độ cao các điểm trong cùng một hệ tọa độ thống nhất Sự ra đời và phát triển của công nghệ GPS đã mở ra một khả năng mới trong trắc địa công trình, đó là

ứng dụng công nghệ GPS để quan trắc chuyển dịch ngang công trình xây

dựng

1 Nguyên lý trong đo GPS

a Định vị tuyệt đối

* Nguyên lí định vị tuyệt đối

Định vị tuyệt đối là nguyên lí sử dụng ít nhất một máy thu, thu tín

hiệu về tinh, xác định ra tọa độ tương đối (B,L,H hoặc X,Y,Z) trong hệ tọa

độ WGS-84

Nguyên lí định vị tuyệt đối dựa trên việc đo các khoảng cách giả từ các vệ tinh đến máy thu Khoảng cách giả R từ các vệ tinh đến máy thu

được biểu diễn theo công thức:

Ta cần xác định chính xác tọa độ của điểm đặt máy thu tín hiệu GPS (chính xác là tâm anten)

Hình 1.10 Định vị GPS tuyệt đối Gọi : X P , Y P , Z P là tọa độ của điểm P cần xác định (điểm đặt máy)

X i , Y i , Z i là tọa độ của vê tinh thứ i (nhận được từ lịch vệ tinh)

Ta sẽ có khoảng cách hình học từ vệ tinh đến máy thu được tính theo công thức:

(1.13) Thay (1.13) vào (1.12) ta được:

(1.14)

Ta thấy trong phương trình (1.14) có 4 ẩn số là: tọa độ điểm đặt máy

X P , Y P , Z p và sai số đổng máy thu dT Để giải được 4 ẩn số này ta có ít nhất

4 phương trình như (1.14), nghĩa là ta phải quan sát được ít nhất 4 vệ tinh

Nếu quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4, thì bài toán này được giải theo nguyên lí số bình phương nhỏ nhất

Hiện nay phương pháp định vị GPS tuyệt đối đạt được độ chính xác cỡ

±3m đến ±10m khi định vị điểm đơn với thời gian ngắn Để nâng cao độ chính xác hơn nữa các nhà nghiên cứu đã đưa ra phương pháp định vị vi phân

* Đo vi phân

Theo phương pháp này, một máy thu GPS đặt tại điểm A đã biết tọa

độ chính xác trong hệ tọa độ WGS-84 (X A , Y A , Z A), gọi là trạm chủ Các máy thu GPS khác đặt tại các điểm P cần xác định tọa độ, gọi là trạm phụ (trạm này có thể cố định hoặc di chuyển) Cả trạm chủ và trạm phụ đồng thời thu tín hiệu vệ tinh và định vị theo nguyên lí định vị tuyệt đối Tại

điểm A ta xác định được tọa độ X’ A , Y’ A , Z’ A Tại điểm P ta xác định được

tọa độ X’ P , Y’ P , Z’ P

Do có sai số nên tọa độ điểm A đo được khác với tọa độ điểm A có trước, sai số này được tính như sau:

Coi các sai số ảnh hưởng đến điểm A và điểm P là như nhau Như

vậy, tọa độ điểm P cũng được hiệu chỉnh một lượng là AX, AY, AZ Ta

được tọa độ điểm P chính xác hơn:

X, Y, Z được gọi là các số hiệu chỉnh vị trí và được trạm chủ phát

đi đến các trạm phụ bằng sóng radio, trạm phụ thu được các số hiệu chỉnh

này và hiệu chỉnh vào kết quả đo của mình, được kết quả chính xác hơn

b Định vị tương đối

* Nguyên lí định vị tương đối

Phương pháp đo tương đối được áp dụng để xác định tọa độ của các

điểm so với một điểm khác dựa trên thành phần của các vectơ cạnh

(Baseline) giữa chúng, bằng cách sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm

quan sát khác nhau, để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian ( X,

Y, Z) hoặc hiệu tọa độ mặt cầu ( B, L, H) giữa chúng trong hệ tọa độ

WGS-84

Nguyên lí đo tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng trị đo pha sóng tải Để đạt được độ chính xác cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải để làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số như: sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu, lịch vệ tinh, số nguyên

đa trị

Hình 1.11 Định vị GPS tương đối

Đo GPS tương đối được chia làm ba phương pháp đo cơ bản là:

phương pháp đo tĩnh, phương pháp đo động, phương pháp đo giả động

* Phương pháp đo tĩnh (Static)

Định vị tương đối trạng thái tĩnh (Static Relative Positioning) gọi tắt

là đo tĩnh (Static) là phương pháp đo thực hiện theo nguyên lí định vị tương

đối Hai máy thu đặt cố định và đồng thời quan sát cùng số vệ tinh chung

trong thời gian dài từ vài trục phút đến vài giờ, thậm trí vài ngày

Đo tĩnh có độ chính xác cao, sai số tương đối đo cạnh có thể đạt cỡ

10-6 đến 10-9 trên chiều dài cỡ hàng nghìn Km Đo tĩnh chủ yếu được ứng dụng để xây dựng lưới khống chế

Đo tĩnh nhanh (fast static)là phương pháp đo có nguyên lí giống đo

tĩnh nhưng thời gian đo ngắn hơn (vài phút đến vài chục phút) Đo tĩnh nhanh có độ chính xác kém hơn đo tĩnh, thường được dùng vào các công việc có độ chính xác không cao lắm

* Phương pháp đo động (Kinematic)

Là phương pháp đo thực hiện theo nguyên lí định vị tương đối, sử dụng ít nhất hai máy thu, một máy đặt cố định tại điểm đã biết tọa độ gọi là trạm Base liên tục thu tín hiệu vệ tinh, một máy vừa di chuyển vừa thu tín hiệu vệ tinh gọi là trạm Rover

Kết quả đo động cho ta tọa độ tương đối giữa điểm trạm Base và nhiều điểm trạm Rover Độ chính xác của phương pháp đo động kém hơn phương pháp đo tĩnh và đo tĩnh nhanh, thường được dùng vào việc đo thành lập bản đồ hoặc những việc có độ chính xác tương tự

2 Ứng dụng GPS trong quan trắc biến dạng

Chia thành hai phương pháp: quan trắc theo chu kỳ và quan trắc liên tục

- Quan trắc biến dạng theo chu kỳ: Phương pháp quan trắc này

không khác nhiều so với quan trắc biến dạng truyền thống, vì biến dạng của một số công trình diễn ra rất chậm, trong thời gian ngắn có thể xem là ổn

định Vì thế chu kỳ quan trắc có khi đến mấy tháng, thậm chí đến hàng

năm; khi đó, dùng phương pháp định vị GPS tương đối tĩnh đo, xử lý và phân tích số liệu có thể phát hiện ra chuyển dịch biến dạng công trình

- Quan trắc biến dạng liên tục là dùng máy cố định quan trắc, thu

thập số liệu trong thời gian dài, nhận được dãy số liệu biến dạng Mặc dù phương pháp quan trắc liên tục cũng là tiến hành đo lặp đối với điểm đo, nhưng số liệu đo là liên tục, có độ phân giải thời gian tương đối cao Dựa vào đặc trưng khác nhau của công trình biến dạng, quan trắc GPS liên tục

có thể tiến hành theo hai cách xử lý số liệu: định vị tương đối tĩnh và định

vị tương đối động, nói chung yêu cầu tính tức thời của hiệu ứng biến dạng,

đối với giải toán và phân tích số liệu có cao hơn

Nhận xét:

Quan trắc biến dạng công trình là công tác không thể thiếu nhằm biết

được độ ổn định của các loại công trình và kết cấu địa chất, cung cấp thông

tin cần thiết để chuẩn đoán độ an toàn của công trình, kịp thời phát hiện vấn đề và có biện pháp xử lý; lý giải đúng đắn hơn về cơ chế biến dạng, nghiệm chứng lý thuyết liên quan đến thiết kế công trình và giả thuyết về vận động của vỏ trái đất để xây dựng mô hình dự báo hữu hiệu;

Việc ứng dụng, sử dụng các loại máy móc hiện đại trong quan trắc biến dạng để nâng cao độ tin cậy trong việc xác định trạng thái không gian

và đặc trưng thời gian của công trình dưới tác động của các yếu tố bên ngoài môi trường tự nhiên;

Xu thế của quan trắc biến dạng trong tương lai là ứng dụng nhiều loại máy cảm biến, chụp ảnh số gần, máy toàn đạc hoàn toàn tự động và GPS, phát triển theo hướng tức thời, liên tục, hiệu suất cao, tự động hóa, hệ thống quan trắc trạng thái động;

Chương 2

PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH MỐC LƯỚI CƠ SỞ

TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

Công tác trắc địa phục vụ thi công các công trình có độ chính xác cao đòi hỏi công tác xử lý số liệu phải tuân theo quy trình chặt chẽ với độ tin cậy cao Trong xử lý số liệu quan trắc biến dạng công trình, để có thể tính toán chính xác lượng chuyển dịch của các điểm quan trắc thì công việc quan trọng và không thể thiếu là phân tích độ ổn định các mốc lưới cơ sở Khi đó sẽ loại trừ được các điểm lưới cơ sở không ổn định, tránh được những kết luận sai lầm

2.1 Phương pháp bình sai lưới tự do

2.1.1 Một số khái niệm về lưới trắc địa tự do

Phụ thuộc vào tính chất số liệu gốc, lưới trắc địa được chia thành 2 loại: lưới phụ thuộc và lưới tự do Lưới trắc địa tự do được định nghĩa là loại lưới mà trong đó không có đủ số liệu gốc tối thiểu cần thiết cho việc

định vị [5], [6]

Nếu lưới trắc địa số liệu gốc có sai số vượt quá sai số đo thì mạng lưới cũng được coi là lưới tự do, trong trường hợp này số liệu gốc chỉ có tác dụng là cơ sở cho việc định vị lưới

Mỗi dạng lưới có một tập hợp số liệu gốc tối thiểu riêng biệt, cụ thể là: lưới độ cao có số liệu gốc tối thiểu là độ cao của một điểm gốc, lưới mặt bằng có số liệu gốc tối thiểu là một cặp toạ độ (X, Y), một phương vị và một cạnh đáy

Như vậy:

- Lưới độ cao tự do là lưới không có điểm độ cao gốc

- Lưới mặt bằng tự do là lưới thiếu toàn bộ hoặc thiếu một số trong nhóm yếu tố gốc tối thiểu là: một cặp toạ độ (X, Y), một góc phương vị, một cạnh đáy (Số lượng yếu tố gốc tối thiểu trong lưới mặt bằng là 4)

Số lượng các yếu tố gốc còn thiếu trong tất cả các mạng lưới được gọi là số khuyết của lưới và được ký hiệu bằng d, còn bản thân lưới được gọi là lưới tự do bậc d Đối với lưới độ cao tự do, số khuyết d = 1 và là lưới

tự do bậc 1 Đối với lưới mặt bằng tự do số khuyết d có thể nhận các giá trị (1, 2, 3, 4), tương ứng bậc lưới tự do của lưới là (1, 2, 3, 4) Để phân biệt mức độ và dạng tự do của lưới mặt bằng có thể dùng ký hiệu:

- Lưới (x, y, m, α) - tự do: nếu trong lưới thiếu cả 4 yêu tố gốc tối thiểu, số bậc tự do của lưới là 4

- Lưới (x, y) - tự do: nếu trong lưới thiếu một cặp toạ độ gốc (X, Y), (lưới tự do bậc 2)

- Lưới (x, y, ) - tự do: nếu trong lưới thiếu một cặp toạ độ (X, Y) và góc định hướng (lưới tự do bậc 3)

- Lưới (x, y, m) - tự do: nếu trong lới thiếu một cặp toạ độ (X, Y) và cạnh để xác định kích thước lưới (lưới tự do bậc 3)

Nếu lưới trắc địa có thừa yếu tố gốc tối thiểu thì được gọi là lưới trắc

địa phụ thuộc Như vậy sẽ có một trường hợp đặc biệt khi trong lưới có vừa

đủ số liệu yếu tố gốc tối thiểu Có thể xem mạng lưới này là lưới tự do bậc

0 (số khuyết d = 0)

Bình sai lưới tự do có bản chất là quá trình xử lý cấu trúc nội tại và

định vị mạng lưới Phương pháp bình sai này cho phép loại trừ đợc ảnh của

sai số số liệu gốc đến các yếu tố tơng hỗ và định vị mạng lưới theo tiêu chuẩn phù hợp với đặc điểm, nội dung của từng bài toán cụ thể

2.1.2 Mô hình toán học của phương pháp bình sai lưới tự do

Giả sử một mạng lưới tự do được bình sai theo phương pháp gián tiếp với ẩn số được chọn là gia số toạ độ của tất cả các điểm mốc trong l-

ưới, trình tự tính toán được tiến hành theo các bước sau:

Bước 1: Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh đối với tập hợp trị đo

có dạng:

Trong đó: A - Ma trận hệ số

X - Véc tơ ẩn số

V, L - Véc tơ số hiệu chỉnh và véc tơ số hạng tự do

Vì trong lưới tự do không có đủ các yếu tố định vị tối thiểu nên ma trận hệ số phương trình số hiệu chỉnh (2.1) có các cột phụ thuộc (số lượng cột phụ thuộc bằng số khuyết của lưới)

Bước 2: Lập hệ phương trình chuẩn:

Với: R = ATPA; b = ATPL

Do lưới thiếu số liệu gốc tối thiểu nên hệ phương trình (2.2) có những đặc điểm sau:

- Tổng các phần tử theo hàng hoặc theo cột đều bằng 0:

- Không tồn tại phép nghịch đảo ma trận R, do det(R) = 0