Nghiên cứu xây dựng mô hình chuyển dịch biến dạng công trình theo số liệu quan trắc

Quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình là một trong những công tác quan trọng nhằm mục đích xác định chuyển dịch biến dạng công trình, nghiên cứu tìm ra nguyên nhân gây ra chuyển dịc

***********
***********

NGÔ GIA LONG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH THEO SỐ LIỆU QUAN TRẮC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014

NGÔ GIA LONG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH THEO SỐ LIỆU QUAN TRẮC

Ngành: Kỹ thuật trắc địa – bản đồ

Mã số : 60.52.05.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Khánh

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số

liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

NGÔ GIA LONG

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

MỞ ĐẦU 7

Chương 1- NGUYÊN TẮC THỰC HIỆN CÔNG TÁC QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH 10

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG

CÔNG TRÌNH 10

1.1.1 Khái niệm 10

1.1.2 Nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình 10

1.1.3 Mục đích và nhiệm vụ quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình 11

1.2 NGUYÊN TẮC VÀ PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC LÚN 12

1.2.1 Nguyên tắc quan trắc độ lún 12

1.2.2 Các phương pháp quan trắc độ lún 13

1.3 NGUYÊN TẮC VÀ PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC

CHUYỂN DỊCH NGANG 18

1.3.1 Nguyên tắc quan trắc chuyển dịch ngang 18

1.3.2 Các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang 19

1.4 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ PHÂN BỐ MỐC QUAN TRẮC 26

1.4.1 Đặc điểm kết cấu mốc và phân bố mốc quan trắc lún 26

1.4.2 Đặc điểm kết cấu mốc và phân bố mốc quan trắc

chuyển dịch ngang 28

Chương 2 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG

CÔNG TRÌNH 32

2.1 NGUYÊN TẮC CHUNG 32

2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG

CÔNG TRÌNH THEO THỜI GIAN 34

2.2.1 Cơ sở lý thuyết 34

2.2.2 Mô hình chuyển dịch công trình theo hàm số mũ 35

2.2.3 Mô hình chuyển dịch công trình theo hàm đa thức 37

2.2.4 Mô hình chuyển dịch công trình theo hàm hàm tuần hoàn 39

2.2.5 Mô hình chuyển dịch công trình theo hàm kết hợp 42

2.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG

CÔNG TRÌNH TRONG KHÔNG GIAN 43

2.3.1 Mô hình độ lún công trình dạng thẳng 43

2.3.2 Mô hình độ lún công trình dạng vùng 47

2.3.3 Mô hình chuyển dịch công trình trong mặt phẳng ngang 50

2.4 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TOÁN THỐNG KÊ ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHUYỂN DỊCH CÔNG TRÌNH 53

2.4.1 Phân tích tương quan tuyến tính đơn 53

2.4.2 Xây dựng hàm hồi quy 54

Chương 3 - THỰC NGHIỆM THÀNH LẬP MÔ HÌNH LÚN VÀ

CHUYỂN DỊCH CÔNG TRÌNH 56

3.1 THỰC NGHIỆM THÀNH LẬP MÔ HÌNH CHUYỂN DỊCH CÔNG TRÌNH THEO THỜI GIAN 56

3.1.1 Thành lập mô hình chuyển dịch theo hàm đa thức 56

3.1.2 Thành lập mô hình chuyển dịch theo hàm tuần hoàn 60

3.2 THỰC NGHIỆM THÀNH LẬP MÔ HÌNH CHUYỂN DỊCH CÔNG TRÌNH TRONG KHÔNG GIAN 64

3.2.1 Thành lập mô hình lún công trình trong mặt phẳng 64

3.2.2 Thành lập mô hình chuyển dịch ngang công trình trong

mặt phẳng ngang 67

3.3 THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH CHUYỂN DỊCH CÔNG TRÌNH THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN 69

KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1- Hình 1.1- Tuyến đo cao hình học 13

2- Hình 1.2- Trạm đo cao hình học 13

3- Hình 1.3- Sơ đồ máy đo cao thủy chuẩn thuỷ tĩnh 14

4- Hình 1.4- Đo cao lượng giác 16

5- Hình 1.5- Chuyển dịch ngang công trình 19

6- Hình 1.6- Lưới tam giác trong quan trắc chuyển dịch ngang 19

7- Hình 1.7- Sơ đồ lưới quan trắc trong phương pháp đa giác 20

8- Hình 1.8- Đồ hình giao hội 21

9- Hình 1.9 - Xác định chuyển dịch ngang theo hướng chuẩn 23

10- Hình 1.10 - Kết cấu mốc khống chế chôn sâu 27

11- Hình 1.11- Mốc gắn tường 27

12- Hình 1.12- mốc gắn nền 27

13- Hình 1.13 - Sơ đồ cấu tạo mốc cơ sở 29

14- Hình 1.14 - Bản vẽ kết cấu mốc cơ sở 30

15- Hình 2.1- Mô hình đối tượng quan trắc 32

16- Hình 2.2- Đồ hình độ lún công trình dạng thẳng 44

17- Hình 2.3- Chuyển dịch giữa hai hệ tọa độ 50

18- Hình 3.1- Mô hình chuyển dịch theo hàm đa thức 59

19- Hình 3.2- Biểu đồ thể hiện chuyển dịch ngàn công trình 61

20- Hình 3.3- Mô hình chuyển dịch theo hàm tuần hoàn 62

21- Hình 3.4- Sơ đồ bố trí mốc và độ lún tại điểm quan trắc 64

22- Hình 3.5- Sơ đồ bố trí mốc quan trắc trên tuyến đập 67

23- Hình 3.6- Hàm hồi quy tuyến tính đơn 72

DANH MỤC CÁC BẢNG

1- Bảng 3.1: Kết quan trắc chuyển dịch điểm mốc M7 57

2- Bảng 3.2: Kết quả tính toán hệ số đa thức và sai số mô hình 58

3- Bảng 3.3: Kết quả xác định chuyển dịch ngang theo hàm đa thức 59

4- Bảng 3.4: Kết quả quan trắc chuyển dịch ngang điểm mốc M2 61

5- Bảng 3.5: Độ lún của các điểm quan trắc công trình… 66

6- Bảng 3.6: Tọa độ mốc quan trắc 66

7- Bảng 3.7: Kết quả xác định độ lún công trình trong mặt phẳng 67

8- Bảng 3.8:Giá trị chuyển dịch theo hướng và tọa độ mốc quan trắc 69

9- Bảng 3.9: Kết quả quan trắc chuyển dịch và mực nước 70

10- Bảng 3.10: Kết quả phân tích mối tương quan 71

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển kinh tế, Nhà nước cùng với các nhà đầu tư trong và ngoài nước đã và đang đầu tư xây dựng rất nhiều công trình lớn có quy mô hiện đại như: nhà máy xi măng, các công trình nhà cao tầng, nhà máy thuỷ điện, các công trình cầu… Để thi công được các công trình này đều phải tiến hành công tác trắc địa Quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình là một trong những công tác quan trọng nhằm mục đích xác định chuyển dịch biến dạng công trình, nghiên cứu tìm ra nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình, từ đó có biện pháp xử lý, đề phòng các tai biến có thể xảy ra trong quá trình xây dựng và vận hành công trình

Số liệu quan trắc là cơ sở quan trọng để khái quát hóa chuyển dịch biến dạng công trình bằng mô hình với mục đích dự báo chuyển dịch biến dạng công trình trong tương lai; đánh giá chuyển dịch công trình ở các vị trí khác nhau; đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh đến chuyển dịch biến dạng công trình

Ở nước ta có nhiều công trình đề cập đến kết quả quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình Bước đầu đã có một số công trình khảo sát về mức

độ chuyển dịch công trình Tuy nhiên cần có những khảo sát chi tiết hơn về vấn đề này để sử dụng một cách hiệu quả các kết quả quan trắc

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu xây dựng mô hình chuyển dịch biến dạng công trình theo

số liệu quan trắc:

- Mô hình chuyển dịch công trình trong không gian

- Mô hình chuyển dịch công trình theo thời gian

- Mô hình thống kê (Đánh giá mức độ phụ thuộc độ chuyển dịch công trình vào một số yếu tố ngoại cảnh)

3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu đề ra, nội dung chính của đề tài bao gồm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình chuyển dịch biến dạng công trình theo số liệu quan trắc

- Khảo sát xây dựng thuật toán và quy trình thành lập mô hình chuyển dịch công trình

- Tính toán thực nghiệm

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng mô hình chuyển dịch biến dạng công trình theo

số liệu quan trắc Đối tượng nghiên cứu của luận văn bao gồm vấn đề liên quan đến công tác xây dựng mô hình chuyển dịch biến dạng công trình

5 Phương pháp nghiên cứu

Trong luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết để giải quyết vấn đề xây dựng mô hình chuyển dịch công trình

Sử dụng phương pháp thống kê để thu thập tổng hợp và xử lý các thông tin, tài liệu liên quan

Xây dựng thuật toán và quy trình thành lập mô hình chuyển dịch công trình

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận văn đã khẳng định: Mô hình chuyển dịch biến dạng công trình được thành lập từ số liệu quan trắc là công đoạn rất quan trọng đối với công tác quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình Trên

cơ sở mô hình chuyển dịch biến dạng công trình giúp cho các nhà quản lý có biện pháp khắc phục và vận hành hợp lý công trình

7 Cấu trúc của luận văn

Các nội dung và kết quả nghiên cứu chủ yếu của luận văn được trình bày trong 3 chương gồm 75 trang, 24 hình vẽ và 10 bảng:

Chương 1: Nguyên tắc thực hiện công tác quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình

Chương 2: Xây dựng mô hình chuyển dịch biến dạng công trình Chương 3: Thực nghiệm thành lập mô hình lún và chuyển dịch công trình

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của

PGS.TS Trần Khánh, Bộ môn trắc địa công trình, Khoa trắc địa, Trường

Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học, người đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi hoàn thành các nội dung luận văn Tác giả xin cảm ơn các thầy, cô trong khoa Trắc địa, Trường Đại học Mỏ- Địa chất, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt là các thầy, cô trong Bộ môn Trắc địa công trình đã tạo điều kiện giúp đỡ và có những đóng góp quý báu cho tác giả hoàn thiện bản luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn tất cả những

sự giúp đỡ quý báu đó

Do thời gian và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót về nội dung và các thuật ngữ khoa học Tôi mong được những ý kiến đóng góp quý báu để bản luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 NGUYÊN TẮC THỰC HIỆN CÔNG TÁC QUAN TRẮC

CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

1.1.1 Khái niệm

Chuyển dịch công trình là sự thay đổi vị trí của công trình trong không gian so với vị trí ban đầu của công trình Có thể chia chuyển dịch công trình thành hai loại:

- Chuyển dịch ngang là chuyển dịch của công trình trong mặt phẳng ngang

- Sự trồi lún (chuyển dịch thẳng đứng) là chuyển dịch của công trình trong mặt phẳng thẳng đứng

Biến dạng công trình là sự thay đổi hình dạng và kích thước của công trình so với trạng thái ban đầu của nó Là hậu quả của sự chuyển dịch không đều của công trình Các biến dạng thường gặp: cong, vặn xoắn, rạn nứt

Nếu công trình bị chuyển dịch, biến dạng quá giới hạn cho phép thì có thể dẫn đến sự cố nghiệm trọng

1.1.2 Nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình

Các công trình bị chuyển dịch biến dạng là do tác động của hai loại yếu tố chủ yếu sau:

- Tác động của các yếu tố tự nhiên gồm có: khả năng lún, trượt của lớp đất đá dưới nền móng công trình và các hiện tượng địa chất công trình, địa chất thuỷ văn khác Sự co giãn của đất đá Sự thay đổi của các điều kiện thuỷ văn theo nhiệt độ, độ ẩm, và mực nước ngầm

- Các yếu tố liên quan đến quá trình xây dựng, vận hành công trình bao

gồm: ảnh hưởng của trọng lượng bản thân công trình Sự thay đổi các tính chất cơ lý đất đá do việc quy hoạch cấp thoát nước Sự sai lệch trong khảo sát địa chất công trình, địa chất thuỷ văn Sự suy yếu của nền móng công trình

do thi công các công trình ngầm dưới công trình Sự thay đổi áp lực ngang lên nền móng công trình do xây dựng các công trình khác ở gần, xây chen

Sự rung động của nền móng công trình do vận hành máy móc và hoạt động của các phương tiện giao thông

1.1.3 Mục đích và nhiệm vụ quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình

1.1.3.1 Mục đích

Quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình là để xác định mức độ chuyển dịch biến dạng công trình, nghiên cứu tìm ra nguyên nhân chuyển dịch từ đó có biện pháp xử lý, đề phòng tai biến trong quá trình xây dựng và

sử dụng công trình Cụ thể là:

- Xác định giá trị chuyển dịch biến dạng để đánh giá mức độ ổn định của công trình

- Kiểm tra việc tính toán thiết kế công trình

- Nghiên cứu quy luật biến dạng công trình trong những điều kiện khác nhau và dự đoán biến dạng của công trình trong tương lai

- Xác định các loại biến dạng có ảnh hưởng đến quá trình vận hành công trình để đề ra chế độ sử dụng và khai thác công trình một cách hợp lý

- Lập sơ đồ phân bố mốc khống chế và mốc quan trắc

- Thiết kế sơ đồ quan trắc

- Xác định yêu cầu độ chính xác và chu kỳ quan trắc ở những giai đoạn khác nhau

- Phương pháp và dụng cụ quan trắc

- Đo đạc ngoại nghiệp

- Xử lý số liệu quan trắc, tính toán các thông số chuyển dịch biến dạng công trình

1.2 NGUYÊN TẮC VÀ PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC LÚN

1.2.1 Nguyên tắc quan trắc độ lún

Do công trình có kết cấu phức tạp và tải trọng lớn được xây dựng trên nền địa chất phức tạp và có cấu trúc không đồng nhất Nên hiện tượng lún xảy ra khác nhau tại những vị trí khác nhau và được xác định trên nguyên tắc sau [2,3]:

- Độ lún công trình được xác định thông qua các mốc lún gắn tại những vị trí chịu lực của đối tượng quan trắc Số lượng mốc lún lắp đặt tại mỗi công trình phụ thuộc vào đặt điểm điều kiện nền móng, kết cấu, quy mô, kích thước của công trình đó Độ lớn của các mốc quan trắc đặc trưng cho độ lún công trình ở vị trí mà mốc được gắn

- Phương pháp quan trắc độ lún thông dụng là đo cao chính xác trong mỗi chu kỳ để xác định độ cao của các mốc quan trắc tại thời điểm đo, độ lún được tính biểu diễn theo công thức nguyên lý sau:

Trong đó: Sj

là độ lún của công trình ở thời điểm quan trắc thứ j

Hj,Hj-1 là độ cao công trình ở các thời điểm tương ứng Nếu S<0 thì công trình bị lún xuống, nếu S>0 thì công trình bị trồi lên

Độ cao của mốc lún ở các chu kỳ khác nhau phải được xác định trong cùng một hệ độ cao duy nhất, có thể là hệ độ cao quốc gia hay cục bộ giả định Nhưng yêu cầu bắt buộc là các mốc khống chế độ cao phải có độ ổn định trong suốt thời kỳ theo dõi độ lún công trình

1.2.2 Các phương pháp quan trắc độ lún

1.2.2.1 Quan trắc độ lún bằng đo cao hình học

Đo cao hình học dựa trên nguyên lý tạo tia ngắm nằm ngang của máy thuỷ chuẩn Để đạt được độ chính xác cao trong quan trắc độ lún công trình, chiều dài tia ngắm từ điểm đặt máy đến mia được hạn chế đáng kể (không vượt quá 20÷30m)

Nếu đặt máy thủy chuẩn giữa khoảng A,B Ký hiệu a,b là các số đọc tương ứng trên mia sau (tại A) và mia trước (tại B) Khi đó chênh cao giữa 2 điểm A,B tính theo công thức:

Phương pháp đo cao hình học cho độ chính xác rất cao; đơn giản trong quy trình thao tác tính toán Hiện nay, đây là phương pháp đo cao chủ yếu và được áp dụng rộng rãi nhất

Hình 1.1- Tuyến đo cao hình học Hình 1.2- Trạm đo cao hình học

1.2.2.2 Quan trắc độ lún bằng đo cao thuỷ tĩnh

Đo cao thuỷ tĩnh dựa trên định luật thuỷ lực: “Bề mặt chất lỏng trong các bình thông nhau luôn có vị trí nằm ngang (vuông góc với phương dây dọi) và có cùng một độ cao, không phụ thuộc và hình dạng mặt cắt cũng như khối lượng chất lỏng trong các bình”

d 1

d 2

s 1

1 t

AB h A

2 N

1 N

t11

s

2 d 1

d

+ Khi đo thuận: chênh cao h giữa hai điểm A, B được tính theo công thức:

hAB = (d1 - S1) - (d2 - t1) (1.3) Trong đó: S1, t1 - số đọc trên thang số tại các bình N1 và N2 tương ứng

d1, d2 - khoảng cách từ vạch “0” của thang số đến mặt phẳng đáy của bình

Công thức (1.3) được viết lại:

hAB = (t1 - S1) - (d1 - d2) (1.3.a) + Tương tự khi đo đảo: chênh cao được tính theo công thức:

hAB = (t2 - S2) - (d1 - d2) (1.3.b) Hiệu d1 - d2 gọi là sai số MO của máy

Từ công thức (1.3.a) và (1.3.b) tính được chênh cao theo 2 chiều đo thuận và đảo là :

(a)- Vị trí đo thuận (b)- Vị trí đo đảo

Hình 1.3- Sơ đồ máy đo cao thủy chuẩn thuỷ tĩnh

Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác đo cao thuỷ tĩnh gồm :

- Sự khác biệt tỷ trọng chất lỏng trong bình và ảnh hưởng của hiện tượng mao dẫn Nguồn sai số này được giảm thiểu nếu tăng đường kính của bình lên và thực hiện đo khi đã đặt máy khoảng 2÷3 phút

- Sai số do tiếp xúc đầu đo với bề mặt chất lỏng: khi di chuyển đầu đo với tốc độ chậm thì sai số này khoảng 1÷2μm

- Ảnh hưởng của biến thiên nhiệt độ, áp suất: cần tổ chức đo đạc ngoại nghiệp phù hợp (chọn tuyến và thời điểm đo có nhiệt độ áp suất ổn định)

Phương pháp đo cao thuỷ tĩnh cho độ chính xác đến 0.02÷0.03mm Tuy nhiên dụng cụ do cồng kềnh nên hiệu quả kinh tế thấp Phương pháp có thể được áp dụng trong điều kiện không thuận tiện cho quan trắc bằng phương pháp đo cao hình học, tại những nơi độc hại, môi trường không thuận lợi cho con người

1.2.2.3 Quan trắc độ lún bằng đo cao lượng giác

Tại những điều kiện không thuận lợi hay hiệu quả không cao đối với phương pháp đo cao hình học và yêu cầu độ chính xác không cao thì có thể

áp dụng phương pháp đo cao lượng giác tia ngắm ngắn

Khi đó xác định chênh cao giữa điểm đặt máy kinh vĩ A và điểm ngắm

B theo công thức sau:

AB

Trong đó: D là khoảng cách ngang; V là góc đứng; i là chiều cao máy;

l là chiều cao tiêu; r là bán kính trung bình trái đất và k là hệ số chiết quang đứng

Số hiệu chỉnh chiết quang đứng và tính theo công thức:

21

Các nguồn sai số trong đo cao lượng giác là sai số đo chiều dài mD, sai số đo góc thiên đỉnh mZ (hoặc sai số đo góc đứng mV), sai số đo chiều cao máy mi, sai số đo chiều cao tiêu ml, sai số chiết quang mf

Từ công thức (1.7) xác định được công thức tính sai số trung phương chênh cao trong thuỷ chuẩn lượng giác:

- Hạn chế chiều dài tia ngắm từ máy đến tiêu (<100m)

- Chọn thời điểm và phương pháp thích hợp để giảm ảnh hưởng chiết quang

- Nâng cao độ chính xác đo chiều dài, góc, chiều cao máy và chiều cao tia ngắm

1.2.2.4 Quan trắc độ lún bằng phương pháp đĩa từ

Hiện nay, công tác quan trắc độ lún công trình được thực hiện chủ yếu bằng các phương pháp và thiết bị trắc địa truyền thống, tuy nhiên một số công nghệ quan trắc khác cũng có thể được áp dụng một cách có hiệu quả để theo dõi quá trình chuyển dịch của những công trình có cấu trúc đặc biệt Đĩa

từ là loại thiết bị chuyên dùng để quan trắc lún theo lớp và bước đầu đã được

sử dụng để quan trắc nhiều loại công trình như: đập thủy điện, sân bay,

đường giao thông

Phương pháp đo độ lún bằng đĩa từ được dựa trên nguyên tắc cảm ứng

điện từ, trong đó độ cao điểm quan trắc được xác định như sau:

Tại điểm quan trắc Pi (i = 1, 2 n) đặt đĩa từ sao cho mặt phẳng của đĩa ở vị trí nằm ngang, trong mặt phẳng đĩa từ xuất hiện một từ trường, khi đưa khung dây điện dẫn kín (được đặt trong đầu dò của thiết bị) vào mặt phẳng đĩa từ thì trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng, dòng điện này lập tức kích thích hoạt động của các thiết bị ngoại vi (đèn báo, tín hiệu chuông), dựa vào đó người quan trắc xác định được thời điểm khung dây nằm trong mặt phẳng của đĩa từ Cuộn trước treo đầu dò với vạch khắc cho phép xác định được chênh lệch độ cao của điểm quan trắc Pi so với vạch chuẩn đọc

số tại điểm A hoặc so với một điểm bất kỳ nào khác (O) đã được đặt trong

1.3.1 Nguyên tắc quan trắc chuyển dịch ngang

Chuyển dịch của đối tượng bất kỳ trong mặt phẳng ngang giữa hai thời điểm quan trắc i và j được xác định thông qua các đại lượng sau:

- Chuyển dịch theo trục OX:

Chuyển dịch ngang công trình được xác định bằng cách đo và so sánh các điểm mốc quan trắc gắn tại những vị trí đặc trưng công trình ở các chu kỳ quan trắc khác nhau

1.3.2 Các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang

1.3.2.1 Quan trắc chuyển dịch ngang bằng phương pháp tọa độ

1 Phương pháp tam giác

Phương pháp tam giác thường được ứng dụng để quan trắc chuyển dịch ngang của các công trình được xây dựng ở vùng đồi núi như các đập thuỷ lợi - thuỷ điện…

Hình 1.6- Lưới tam giác trong quan trắc chuyển dịch ngang

Hình 1.5- Chuyển dịch ngang công trình

A, B, C, D, E là các điểm khống chế cơ sở

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

Để quan trắc chuyển dịch, một lưới đặc biệt được thành lập bao gồm các điểm cơ sở và các điểm quan trắc Các mốc quan trắc được bố trí ở những

vị trí đặc trưng của công trình Để đo đạc có thể sử dụng máy kinh vĩ hoặc toàn đạc điện tử chính xác cao và được đặt tại tất cả các điểm (hình 1.6)

2 Phương pháp đa giác

Phương pháp này thường được ứng dụng để quan trắc chuyển dịch ngang của các công trình có dạng hình cung như đường hầm cong, đập cong (hình 1.7)

Thành lập tuyến đa giác từ điểm cơ sở A, B qua các điểm kiểm tra 1, 2,

3, 4, 5 và đến điểm cơ sở C, D Ở hai đầu được dựa trên hai điểm khống chế

cơ sở và đo nối ít nhất hai phương vị gốc Đo đạc bằng máy toàn đạc điện tử chính xác

Hình 1.7- Sơ đồ lưới quan trắc trong phương pháp đa giác

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 đo cạnh, điểm yếu nhất (sau bình sai) là điểm nằm

ở giữa tuyến

3 Phương pháp giao hội

Các dạng lưới giao hội (góc, cạnh, góc-cạnh) được áp dụng để quan trắc chuyển dịch ngang công trình Loại lưới này phù hợp với nhiều dạng địa

hình, nhiều loại công trình, triển khai thuận tiện Trong lưới giao hội, máy đo được đặt tại các điểm khống chế cơ sở, tiêu ngắm đặt tại các mốc quan trắc

Từ các điểm lưới khống chế tiến hành đo các yếu tố cần thiết (góc hoặc cạnh) đến tất cả các điểm quan trắc trên tuyến

Xét điểm quan trắc P được xác định bằng một trong ba phương pháp giao hội đơn là giao hội góc, giao hội cạnh và giao hội góc cạnh

Ký hiệu sai số đo góc là mβ, sai số đo các cạnh S1, S2 tương ứng là mS1,

mS2. Khi đó công thức tính sai số vị trí điểm P như sau:

- Trương hợp giao hội góc:

m m m

Trong đó: m’P và m’’P là sai số vị trí điểm P, được tính riêng rẽ cho đồ hình giao hội góc và cạnh

Khi điểm P được xác định bằng phương pháp giao hội từ hơn 2 điểm khống chế cơ sở Ký hiệu N là số lượng tất cả các trị đo K là số trị đo tối thiểu (lưới giao hội K=2), khi đó có thể tính gần đúng sai số phương vị trí điểm giao hội theo công thức:

Nhiều kết quả khảo sát lý thuyết và thực nghiệm cho thấy tương quan

độ chính xác giữa các đồ hình lưới giao hội góc, cạnh và góc-cạnh như sau:

- Khi chiều dài cạnh ngắn thì độ chính xác của giao hội góc và cạnh là tương đương

- Khi chiều dài cạnh tăng lên, độ chính xác lưới giao hội góc giảm nhanh so với giao hội cạnh, đồng thời độ chính xác của giao hội góc-cạnh cũng tăng không nhiều so với giao hội cạnh

Từ những phân tích trên có thể nhận thấy: với các mạng lưới cỡ vừa và lớn (chiều dài trong lưới giao hội từ 300÷1500m) thì áp dụng giao hội cạnh

có lợi nhất

Trong các phương pháp đo tọa độ, lưới quan trắc được tính toán bình sai theo phương pháp chặt chẽ trong mỗi chu kỳ để tính tọa độ các điểm Dựa vào tọa độ tính được của các điểm quan trắc ở các chu kỳ khác nhau để xác định giá trị và hướng chuyển dịch Nếu ký hiệu: X(i)

, X(j), Y(i), Y(j) là tọa độ của điểm N tính được ở chu kỳ thứ i và j; Qx, Qy là chuyển dịch của điểm N theo trục OX, OY ; Q là giá trị chuyển dịch toàn phần; α là hướng của chuyển dịch toàn phần Thì các tham số chuyển dịch của điểm N tính theo công thức:

- Chuyển dịch theo trục OX:

Hình 1.9 - Xác định chuyển dịch ngang theo hướng chuẩn

Giả sử điểm i thuộc công trình có vị trí tại i1 thời điểm t1 và i2 tại thời điểm t2 (hình 1.9) Chuyển dịch của điểm i theo hướng thẳng góc với hướng chuẩn AB được tính theo công thức :

độ lệch hướng phải nhỏ)

1.3.2.3 Quan trắc chuyển dịch ngang bằng phương pháp GPS

1 Nguyên lý định vị tương đối

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng tối thiểu 2 máy thu GPS đặt

ở hai điểm khác nhau tạo thành cạnh đáy và động thời thu tín hiệu từ các vệ tinh để xác định hiệu tọa độ vuông góc không gian ( X,  Y, Z) hay hiệu tọa

độ mặt cầu ( B,  L,  H) giữa 2 đầu cạnh đáy trong hệ tọa độ WGS-84 Trong

đó GPS tương đối đại lượng đo trực tiếp là pha của sóng tải

2 Các nguồn sai số chủ yếu trong công nghệ GPS

- Sai số của đồng hồ khi đo thời gian là do đồng hồ trên vệ tinh và máy thu không đồng bộ

- Sai số của quỹ đạo vệ tinh là do tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút mặt trăng, mặt trời và các thiên thể khác… Sai số này được loại trừ trong phương pháp định vị tương đối

- Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu: để giảm sai số này thì quan sát

vệ tinh ở độ cao từ 15 độ trở lên so với mặt phảng chân trời

- Sai số đa đường dẫn của tín hiệu vệ tinh

- Ảnh hưởng của phân bố đồ hình vệ tinh

3 Tính toán bình sai tọa độ các điểm định vị bằng GPS cần chú ý

- Để xác định tọa độ điểm bằng GPS trong hệ tọa độ mặt đất cần chọn

số liệu khởi tính trong hệ tọa độ đó và cần đo nối thêm một số mốc lưới cấp cao hơn để tính chuyển

- Khi chuyển đổi vị trí các điểm GPS sang hệ tọa độ độc lập (hoặc hệ tọa độ giả định) thì cần tìm hiểu các thông số sau:

+ Elipsoid đã sử dụng

+ Kinh độ của kinh tuyến trục

+ Độ cao mặt chiếu của hệ tọa độ và vị trí trung bình của dị thường độ cao công trình

Lưới quan trắc được đo theo chu kỳ và bình sai phù hợp trên cơ sở coi các mốc khống chế cơ sở là ổn định Cũng có thể bình sai kết hợp lưới cơ sở

và lưới quan trắc

4 Những quy định trong quá trình đo GPS

Công tác lập lịch đo dựa trên kinh độ, vĩ độ của khu vực đo và các tiêu chuẩn đo:

- Số vệ tinh tối thiểu trong thời gian quan sát (với sự phân bố vệ tinh nhiều như hiện nay thì thông thường chọn số vệ tinh tối thiểu là 5)

- Thời gian tối thiểu thu tín hiệu cho một ca đo (do phụ thuộc vào điều kiện khách quan nên thường chọn thời gian đo từ 2 giờ đến 2 giờ 30 phút cho lưới quan trắc biến dạng)

- Hệ số suy giảm độ chính xác vị trí vệ tinh PDOP Giá trị PDOP càng nhỏ thì độ chính xác định vị càng cao Thông thường chon PDOP nhỏ hơn 4

Ưu điểm của công nghệ GPS là có thể thu tín hiệu ở mọi nơi, mọi lúc, không phụ thuộc thời tiết, không đòi hỏi thông hướng giữa các mốc, và có thể rút ngắn thời gian thi công do có thể dùng nhiều máy cùng một thời điểm

1.4 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ PHÂN BỐ MỐC QUAN TRẮC

1.4.1 Đặc điểm kết cấu mốc và phân bố mốc quan trắc lún

1 Kết cấu mốc trong quan trắc độ lún công trình

Mốc khống chế là phải ổn định, không bị ảnh hưởng của chuyển dịch công trình hoặc đặt ở tầng đất cứng Mốc quan trắc được gắn cố định vào công trình tại các vị trí đặc trưng cho quá trình lún và cùng trồi lún với công trình Tuỳ vào yêu cầu độ chính xác đo lún và điều kiện địa chất nền xung quanh khu vực đối tượng quan trắc, mốc cơ sở có thể được thiết kế theo 3 loại mốc chôn sâu, chôn nông, mốc gắn tường hoặc gắn nền

Mốc chôn sâu (hình 1.10) có thể được đặt gần đối tượng quan trắc nhưng đáy mốc phải đạt được độ sâu giới hạn lún của lớp đất nền công trình Điều kiện bắt buộc với mốc này là phải có độ ổn định trong suốt quá trình quan trắc Để đảm bảo được thì cần có biện pháp tính số hiệu chỉnh dãn nở lõi mốc do thay đổi nhiệt độ Trong thực tế thường có 2 kiểu kết cấu mốc chôn sâu điển hình là mốc chôn sâu lõi đơn và lõi kép[6]

Trường hợp đo lún với yêu cầu độ chính xác tương đương với đo cao hạng II, III có thể sử dụng loại mốc chôn nông hoặc gắn tường, gắn nền làm mốc cơ sở Các mốc này được đặt ở ngoài phạm vi lún của đối tượng quan trắc Cố gắng bố trí không quá xa đối tượng quan trắc để hạn chế sai số truyền độ cao Do độ ổn định của các mốc chôn nông là không cao nên các mốc loại này được đặt thành từng cụm, mỗi cụm không dưới 3 mốc Trong từng chu kỳ quan trắc thực hiện đo kiểm tra giữa các mốc nhằm mục đích phân tích, xác định mốc ổn định nhất làm cơ sở độ cao cho toàn công trình

Hình 1.10- Kết cấu mốc khống chế chôn sâu

Mốc quan trắc có 2 loại là mốc gắn tường hoặc mốc gắn nền Các mốc được bố trí ở những vị trí đặt trưng cho quá trình lún của công trình như nơi tiếp giáp của các khối bê tông, nơi có áp lực động lớn….và phân bố đều khắp mặt bằng công trình (hình 1.11 và 1.12),[6]

2 Phân bố mốc quan trắc

Mốc khống chế phải chọn cẩn thận sao cho mốc được bảo toàn lâu dài, thuận lợi do việc đo nối đến công trình và sự ổn định trong suốt quá trình quan trắc

Các mốc sơ sở được đặt tại những vị trí bên ngoài phạm vi ảnh hưởng lún của công trình (cách không dưới 1.5 lần chiều cao công trình quan trắc)

Để có điều kiện kiểm tra, nâng cao độ tin cậy của lưới khống chế thì xây dựng không dưới 3 mốc khống chế cơ sở Hệ thống mốc sơ sở có thể được phân bố thành từng cụm, các mốc trong cụm cách nhau khoảng 15÷20m hoặc đặt mốc rải đều xung quanh công trình.[2]

Mốc lún được đặt ở các vị trí đặc trưng cho quá trình lún của công trình và phân bố khắp mặt công trình

+ Đối với các toà nhà có kết cấu móng băng, tường chịu lực: mốc đặt theo chu vi tại vị trí giao của các tường ngang dọc, qua 10 ÷15m đặt 1 mốc

+ Đối với nhà dân dụng công nghiệp kết cấu cột, mốc lún đặt trên các cột chịu lực với mật độ không dưới 3 mốc trên mỗi hướng trục Nhà lắp ghép với mật độ 6 ÷ 8m một mốc

+ Đối với công trình dạng tháp, mốc được bố trí đều quanh chân đế công trình, tối thiểu là 4 mốc

1.4.2 Đặc điểm kết cấu mốc và phân bố mốc quan trắc chuyển dịch ngang

1 Kết cấu mốc mặt bằng trong quan trắc chuyển dịch công trình

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

Hình 1.13- Sơ đồ cấu tạo mốc cơ sở

Mốc quan trắc được gắn trên công trình tại những vị trí cần theo dõi chuyển dịch công trình Kết cấu mốc đảm bảo độ bền vững, bảo quản lâu dài

và thuận lợi cho việc đặt thiết bị lâu dài

Trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình thường sử dụng loại cột mốc có kết cấu định tâm bắt buộc Khi áp dụng loại mốc trên phải có biện pháp giữ cột mốc không bị nghiêng do các tác động cơ học hoặc do bản thân của công trình chuyển dịch tác động Trên hình 1.13 là mốc cơ sở dạng cột bê tông [5] và hình 1.14 là bản vẽ kết cấu mốc cơ sở [2]

Đối với công trình yêu cầu độ chính xác quan trắc không cao, có thể dùng các loại mốc chôn chìm với loại mốc bằng hợp kim thép và có khắc vạch chữ thập để đánh đấu vị trí tim mốc

9- Tường gạch bảo vệ 600x600x600 mm; 10- Lớp gạch lót đáy mốc;

Hình 1.14 – Bản vẽ kết cấu mốc cơ sở

2 Phân bố mốc quan trắc

Đối với công trình dân dung, mốc quan trắc 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 10÷15m

220 150

300

1000

200 18

100 100 230

220

150 300

Bê tông M50 dày 10cm

Đất tự nhiên Mặt bích =18, D=230

i = 3 %

1000

55 110 1670

110 5

Mặt bằng hố mốc

Đối với công trình công nghiệp, phân bố mốc quan trắc tùy thuộc vào loại móng công trình, móng băng liền khối: các mốc cách nhau 10÷15m, móng cọc hoặc khối: trên mỗi khối móng không được đặt ít hơn 3 mốc

Tại các đập thủy điện, thủy lợi, mốc quan trắc được đặt trong đường hầm thân đập, dọc theo các tuyến cơ va đỉnh đập, nếu là đập đất đá thi khoảng cách giữa các mốc 10÷50m, còn đối với đập bê tông thì tại mỗi khối

bố trí từ 2 mốc trở lên [3]

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

2.1 NGUYÊN TẮC CHUNG

Có ba nhóm yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định của công trình là:

1- Các yếu tố thuộc nhóm nguyên nhân chủ đạo gây nên chuyển dịch

và biến dạng công trình (x1, x2, xn) Ví dụ: mức tăng tải trọng công trình,

sự thay đổi mực nước trong hồ, sự thay đổi mực nước ngầm…

2- Sự thay đổi của các điều kiện ngoại cảnh do tác động của con người (u1,u2, um) Những yếu tố này có thể kiểm soát được và điều khiển được

3- Tác động nhiễu (z1, z2, zk), do nhiều nguyên nhân gây ra mà không kiểm soát được

Tham số đầu ra là các giá trị định lượng (Y) đặc trưng cho mức độ chuyển dịch và biến dạng công trình Thực tế, các tham số đầu ra (Y) còn chịu ảnh hưởng của sai số đo (w)

Xây dựng mô hình chuyển dịch là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong công tác quan trắc biến dạng công trình Mô hình chuyển dịch được chia làm ba loại chủ yếu: mô hình chuyển dịch công trình theo thời gian, mô hình chuyển dịch công trình trong không gian và ứng dụng phương pháp toán thống kê để xây dựng mô hình chuyển dịch

Sơ đồ mô tả mối quan hệ tương hỗ giữa các yếu tố trong quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình được đưa ra trong hình 2.1 [3]:

Đối tượng quan trắc Y

Các nhiệm vụ được đặt ra trong khi phân tích, đánh giá chuyển dịch, biến dạng công trình bao gồm:

- Xác định xu hướng chuyển dịch chung của công trình trong không gian, theo thời gian

- Xác định và đánh giá mức độ phụ thuộc độ chuyển dịch công trình vào một số yếu tố ngoại cảnh

Để giải quyết nhiệm vụ trên cần xây dựng mô hình chuyển dịch công trình, thực chất là mô tả quá trình chuyển dịch công trình bằng một số hàm toán học nào đó Mô hình chuyển dịch công trình được thể hiện thông qua hàm số:

và đến thời kỳ sau yếu tố chính có thể là áp lực nước trong hồ (đối với đập dâng nước) hoặc sự thay đổi nước ngầm (đối với công trình dân dụng)…

F2(u)- ảnh hưởng của các yếu tố có thể kiểm soát được nhưng không thể thay đổi chúng được (điều kiện môi trường)

F3(z)- ảnh hưởng của các yếu tố tức thời, không thể xác định trước được mức độ tác dụng của chúng tới công trình (gió, bão…)

w- ảnh hưởng của sai số đo đạc

Thông thường khi xây dựng mô hình chỉ quan tâm đến yếu tố chủ đạo

F1(x)

2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHUYỂN DỊCH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH THEO THỜI GIAN

2.2.1 Cơ sở lý thuyết

Dựa trên tập số liệu đo chuyển dịch công trình trong n chu kỳ quan trắc với dãy thời gian và giá trị chuyển dịch tương ứng thu được bằng các vector T=(t1, t2,…,tn) và Q = (Q1, Q

n.1

n

v v V

.1

k k

z z Z z

n.1

n

l l L l

Với Z0 là trị gần đúng của vector tham số Z

- Xác định sai số trung phương trọng số đơn vị:

n và k là số lượng chu kỳ đo và số lượng tham số của mô hình

Giá trị µ tính theo công thức (2.8) thể hiện độ lệch trung phương của

mô hình so với kết quả quan trắc thực tế Ký hiệu µ= m MH đặc trưng cho độ chính xác của mô hình và gọi là sai số trung phương mô hình

Mô hình chuyển dịch theo thời gian cho phép thực hiện tính toán, dự báo chuyển dịch công trình trong thời gian tương lai Dạng của hàm số mô hình được chọn dựa trên cơ sở phân tích trực quan đồ thị chuyển dịch

2.2.2 Mô hình chuyển dịch công trình theo hàm số mũ

Khi sử dụng hàm số mũ để mô tả độ lún công trình dân dụng được thể hiện dưới dạng:

TP

t

Trong đó:

STP là độ lún toàn phần của công trình

α là hệ số nén tương đối của nền

t là khoảng thời gian với mốc tính là chu kỳ đầu tiên

Để xác định độ lún công trình theo công thức (2.8) cần xác định các tham số STP, α

Coi (2.8) là phương trình trị đo Nếu đã thực hiện n≥2 chu kỳ quan trắc thì hai tham số trên được xác định theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất theo trình tự sau:

- Phương trình số hiệu chỉnh đối với chu kỳ quan trắc thứ i có dạng: