Khảo sát phương pháp xử lý số liệu lưới khống chế cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình

Tính cấp thiết của đề tài Trong công tác quan trắc chuyển dịch ngang công trình, mức độ chuyển dịch của công trình có được phản ánh khách quan hay không phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN VĂN LINH

KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ TRONG QUAN TRẮC

CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN VĂN LINH

KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI KHỐNG CHẾ 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: PGS.TS Nguyễn Quang Phúc

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất

kỳ công trình khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn:

Nguyễn Văn Linh

MỤC LỤC

Lời cam đoan… ……… 1

Mục lục……… 2

Danh mục các bảng……… ……… 3

Danh mục các hình vẽ……….……… 4

MỞ ĐẦU……… 5

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH……… 8

1.1 Những vấn đề chung về quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình……… ……… 8

1.2 Lưới khống chế trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình 16

1.3 Các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang công trình……… 17

1.4 Kết cấu và phân bố mốc quan trắc chuyển dịch ngang………… 33

Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP BÌNH SAI LƯỚI TỰ DO VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH……… 36

2.1 Tiêu chuẩn ổn định của các mốc khống chế cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình……… 36

2.2 Phương pháp bình sai lưới tự do……… 38

2.3 Ứng dụng phương pháp bình sai lưới tự do để phân tích độ ổn định mốc lưới cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình 57

Chương 3 - KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 60

3.1 Đặt vấn đề 60

3.2 Nội dung và các kết quả thực nghiệm 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 1… 75

PHỤ LỤC 2… 96

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Yêu cầu độ chính xác quan trắc lún công trình 13

2 Bảng 1.2 Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang công trình 13

3 Bảng 1.3 Sai số cho phép xác định độ nghiêng công trình 13

5 Bảng 2.2 Vector nghiệm ứng với các lựa chọn ma trận C 53

6 Bảng 2.3 Vector số hiệu chỉnh với các lựa chọn ma trận C 54

8 Bảng 2.5 Vector độ cao bình sai với sự lựa chọn vector độ cao gần đúng 54

9 Bảng 2.6 Vector số hiệu chỉnh với sự lựa chọn vector độ cao gần đúng 54

13 Bảng 3.1 Tính toán trường hợp lưới 6 điểm 62

14 Bảng 3.2 Tính toán trường hợp lưới 7 điểm 65

15 Bảng 3.3 Tổng hợp các kết quả tính toán trường hợp lưới 6 điểm 69

16 Bảng 3.4 Tổng hợp các kết quả tính toán trường hợp lưới 7 điểm 69

5 Hình 1.5 Lưới tam giác trong quan trắc chuyển dịch ngang 26

6 Hình 1.6 Dạng của ellipse sai số trong các phương án giao hội 28

7 Hình 1.7 Sơ đồ lưới quan trắc trong phương pháp đường chuyền 29

8 Hình 1.8 Mốc khống chế cơ sở dạng cột bê tông 33

9 Hình 1.9 Mốc khống chế cơ sở quan trắc chuyển dịch ngang 34

10 Hình 2.1 Chuyển dịch của điểm i giữa 2 thời điểm quan trắc 36

11 Hình 2.2 Biến đổi tọa độ giữa hai hệ tọa độ phẳng 44

14 Hình 2.5 Quy trình phân tích độ ổn định các mốc khống chế cơ sở 59

15 Hình 3.1 Sơ đồ các mạng lưới khống chế cơ sở thực nghiệm 61

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong công tác quan trắc chuyển dịch ngang công trình, mức độ chuyển dịch của công trình có được phản ánh khách quan hay không phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ chính xác quan trắc, phương pháp xử lý số liệu…, trong đó

độ ổn định của các mốc lưới khống chế cơ sở có ý nghĩa rất quan trọng, quyết định tính đúng đắn của kết quả quan trắc Hiện nay phương pháp phù hợp để

xử lý số liệu lưới cơ sở và được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam là phương pháp bình sai lưới tự do Việc ứng dụng phương pháp bình sai lưới tự do dựa trên thuật toán bình sai gián tiếp kèm điều kiện, với một quy trình tính toán phù hợp đã cho phép giải quyết bài toán phân tích độ ổn định của mạng lưới khống chế cơ sở Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này vẫn còn là vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu Vì vậy, khảo sát phương pháp xử lý số liệu lưới khống chế cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình, trên cơ sở đó đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng nó trong thực tế là rất cần thiết

2 Mục đích của đề tài

Khảo sát, đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của phương pháp bình sai lưới tự do theo mô hình bình sai gián tiếp kèm điều kiện để xử lý số liệu lưới khống chế cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình Trên

cơ sở đó, rút ra các kết luận và kiến nghị cần thiết

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu thuật toán và đặc điểm của phương pháp bình sai lưới tự do; ứng dụng của phương pháp bình sai lưới tự do để giải quyết bài toán phân tích

độ ổn định các mốc lưới khống chế cơ sở quan trắc chuyển dịch ngang công trình Tiến hành khảo sát thực nghiệm để thấy được hiệu quả và khả năng ứng dụng của phương pháp này trong thực tế

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

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

- Nghiên cứu các nguyên tắc và các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang công trình

- Phương pháp bình sai lưới tự do và ứng dụng để phân tích độ ổn định mốc lưới khống chế cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình

- Khảo sát thực nghiệm, đánh giá hiệu quả của phương pháp trên để rút

ra các kết luận

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu đi từ lý thuyết đến thực tiễn và kiểm chứng các kết quả nghiên cứu bằng các tính toán thực nghiệm, cụ thể là:

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về công tác quan trắc chuyển dịch ngang công trình

- Nghiên cứu phương pháp bình sai lưới tự do dựa trên thuật toán bình sai gián tiếp kèm điều kiện để phân tích độ ổn định các mốc lưới khống chế

cơ sở quan trắc chuyển dịch ngang

- Thực nghiệm phân tích độ ổn định các mốc lưới cơ sở theo phương pháp bình sai lưới tự do với các trường hợp lưới có số lượng mốc khác nhau

Từ đó đánh giá những mặt tích cực và hạn chế của phương pháp

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Góp phần làm sáng tỏ một số vấn đề lý luận về phân tích độ ổn định các mốc khống chế cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình nói riêng cũng như trong quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình nói chung

- Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo tốt đối với các tổ chức và cá nhân có quan tâm đến công tác quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình xây dựng ở nước ta

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm 3 chương, phần Mở đầu và Kết luận, được trình bày trong 74 trang nội dung (không kể Phụ lục) với 16 bảng biểu và 15 hình vẽ Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, cán bộ giảng dạy 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 đã tận tình hướng dẫn Xin cảm ơn các thầy, cô trong khoa Trắc địa, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt là các thầy, cô trong bộ môn Trắc địa công trình đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn !

1.1.1 Khái niệm chung

1.1.1.1 Phân loại chuyển dịch biến dạng công trình

Chuyển dịch công trình được định nghĩa là sự thay đổi vị trí của công

trình trong không gian so với vị trí ban đầu của nó Có thể chia chuyển dịch công trình thành hai loại [8]:

- Chuyển dịch thẳng đứng: là sự thay đổi vị trí của công trình theo

phương dây dọi Chuyển dịch hướng lên trên gọi là trồi, theo hướng xuống dưới gọi là lún Trong thực tế, để đơn giản và tiện lợi người ta vẫn quen gọi chuyển dịch thẳng đứng hay sự trồi lún công trình là độ lún và thường được

ký hiệu bằng chữ S Giá trị S có thể mang dấu (+) nếu công trình bị trồi hoặc dấu (-) nếu công trình bị lún xuống

- Chuyển dịch ngang: là sự thay đổi vị trí của công trình trong mặt phẳng nằm ngang Chuyển dịch ngang có thể diễn ra theo một hướng xác định (hướng áp lực lớn nhất) hoặc theo hướng bất kỳ và thường được ký hiệu bằng

chữ Q

Biến dạng công trình là sự thay đổi hình dạng và kích thước của công

trình so với trạng thái ban đầu của nó Biến dạng công trình là hậu quả tất yếu của sự chuyển dịch không đồng đều của công trình Các biểu hiện thường gặp

là sự cong vênh, vặn xoắn, các vết rạn nứt

1.1.1.2 Nguyên nhân gây ra chuyển dịch và biến dạng công trình

Có nhiều nguyên nhân gây ra chuyển dịch và biến dạng công trình, nhưng ta có thể chia ra làm 2 nhóm nguyên nhân chính [8]:

- Nguyên nhân do điều kiện tự nhiên

- Nguyên nhân liên quan đến quá trình xây dựng và vận hành công trình

a, Nguyên nhân do điều kiện tự nhiên, bao gồm:

- Khả năng lún, trượt của các lớp đất đá dưới nền móng công trình và các

hiện tượng địa chất công trình, địa chất thuỷ văn

- Do sự co giãn của các lớp đất đá

- Do sự thay đổi theo mùa của các chế độ thuỷ văn như : Nước mặt, nước ngầm

- Do ảnh hưởng của khí hậu và thời tiết: Nhiệt độ, gió

b, Nguyên nhân liên quan đến quá trình xây dựng và vận hành công trình, bao gồm:

- Do sự tăng tải trọng của công trình trong quá trình xây dựng

- Sự thay đổi tính chất cơ lý của các lớp đất đá dưới nền móng công trình

do khai thác nước ngầm

- Sự suy yếu của nền móng công trình do việc thi công các công trình

ngầm dưới móng công trình

- Sự thay đổi áp lực lên nền móng công trình do các hoạt động xây chen

- Do những sai lệch trong khảo sát địa chất công trình, địa chất thuỷ văn

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

1.1.1.3 Mục đích và nhiệm vụ của quan trắc chuyển dịch biến dạng

a, Mục đích quan trắc

Quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình nhằm mục đích xác định mức độ chuyển dịch biến dạng, nghiên cứu tìm nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng, từ đó có biện pháp xử lý, đề phòng các tai biến có thể xảy ra trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình, cụ thể là [8]:

- Xác định giá trị chuyển dịch và biến dạng tại thời điểm quan trắc để đánh giá mức độ ổn định của công trình

- Kiểm tra việc tính toán thiết kế công trình dựa vào kết quả quan trắc

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

- Xác định các loại biến dạng 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 hồ sơ phân bố các mốc khống chế, 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 phương tiện dùng trong quan trắc

- Đo đạc ngoại nghiệp

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

1.1.2 Nguyên tắc chung thực hiện quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình

Quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình được thực hiện dựa trên

chu kỳ, lần đo đạc đầu tiên gọi là chu kỳ “0”

2 Chuyển dịch biến dạng công trình được so sánh tương đối so với một

“đối tượng” khác được xem là ổn định Đối tượng được xem là ổn định trong

quan trắc có thể là công trình liền kề ổn định hoặc các mốc khống chế có độ

ổn định rất cao Do đó, trong quan trắc biến dạng công trình thường thành lập

cơ sở Vì vậy, cần phải có biện pháp và kỹ thuật xử lý riêng phù hợp với đặc điểm và bản chất của lưới quan trắc biến dạng

1.1.3 Yêu cầu độ chính xác và chu kỳ quan trắc

Cũng như đối với bất kỳ dạng công tác trắc địa nào, trước khi tiến hành

đo đạc ngoài thực địa cũng đều phải thiết kế ước tính độ chính xác , trên cơ sở

đó lựa chọn máy móc thiết bị và chương trình đo ngắm hợp lý Một trong những nội dung của công tác thiết kế là phải xác lập được yêu cầu độ chính xác của công tác trắc địa sẽ được triển khai ngoài thực địa Đối với công tác quan trắc biến dạng, việc xác lập yêu cầu độ chính xác quan trắc, chu kỳ quan trắc và mối quan hệ hợp lý giữa độ chính xác và chu kỳ quan trắc còn có ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật rất sâu sắc

1.1.3.1 Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình

Xác lập hợp lý yêu cầu độ chính xác quan trắc mang ý nghĩa kỹ thuật Nếu chuyển dịch của công trình diễn ra chậm chạp (tốc độ dịch chuyển nhỏ)

mà quan trắc với độ chính xác thấp thì sẽ không phát hiện được chuyển dịch

vì sai số đo có khi còn lớn hơn cả giá trị chuyển dịch Ngược lại, nếu chuyển dịch của công trình xảy ra nhanh (tốc độ chuyển dịch lớn) thì vẫn có thể phát hiện được chuyển dịch ngay cả khi quan trắc với độ chính xác thấp Mâu thuẫn là ở chỗ, chỉ khi quan trắc được một số chu kỳ mới biết được tốc độ chuyển dịch của công trình từ đó mới có thể đề ra được độ chính xác quan trắc hợp lý Tuy nhiên, độ chính xác cần thiết quan trắc lại được đề ra ngay từ khi lập đề cương quan trắc Vì vậy, cần đưa ra yêu cầu về độ chính xác quan trắc theo 2 giai đoạn

a, Giai đoạn thi công xây dựng công trình: Trong giai đoạn này, yêu

cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch thường được xác định dựa vào tính chất cơ lý đất đá dưới nền móng công trình và phụ thuộc vào đặc điểm kết cấu, vận hành công trình:

* Đối với quan trắc lún:

Bảng 1.1- Yêu cầu độ chính xác quan trắc lún công trình

T.T Loại công trình, nền móng quan trắc (mm) Độ chính xác

1 Công trình bê tông xây trên nền đá cứng 1

2 Công trình xây dựng trên các loại nền chịu nén 3

* Đối với quan trắc chuyển dịch ngang:

Bảng 1.2- Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang công trình

T.T Loại công trình, nền móng quan trắc (mm) Độ chính xác

1 Công trình bê tông xây trên nền đá cứng 1

2 Công trình xây dựng trên các loại nền chịu nén 3

* Đối với quan trắc độ nghiêng công trình:

Bảng 1.3- Sai số cho phép xác định độ nghiêng công trình

b, Giai đoạn khai thác sử dụng và vận hành công trình: Trong giai

đoạn này thì độ chính xác quan trắc cần thiết được xác định tùy thuộc vào mức độ chuyển dịch thực tế của công trình và biểu diễn theo công thức [1]:

1.1.3.2 Chu kỳ quan trắc biến dạng công trình

Khoảng thời gian t giữa 2 chu kỳ quan trắc biến dạng mang ý nghĩa kinh

tế và kỹ thuật Nếu chuyển dịch công trình diễn ra chậm mà thời gian giữa 2 chu kỳ 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 chu kỳ quan trắc quá dài (chu kỳ đo thưa) sẽ rất nguy hiểm, vì khi đó công trình có thể đã bị biến dạng hoặc bị phá huỷ Trong thực tế, thường phân chia các chu kỳ quan trắc chuyển dịch theo 3 giai đoạn: giai đoạn thi công, giai đoạn vận hành công trình và giai đoạn công trình đi vào ổn định

a, Giai đoạn thi công

* Đối với quan trắc lún:

- Chu kỳ “0”: được quan trắc khi các mốc đã đi vào ổn định, công trình

đã xây dựng xong tầng nền đầu tiên

- Các chu kỳ tiếp theo được quan trắc tuỳ theo mức tăng của tải trọng công trình, thường chọn lúc công trình đã xây dựng đạt 25%, 50%, 75% và 100% tải trọng

* Đối với quan trắc chuyển dịch ngang:

- Chu kỳ “0”: đƣợc quan trắc ngay sau khi công trình đã xây dựng xong,

các mốc đã đi vào ổn định và chƣa có áp lực ngang tác động lên công trình

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

b, Giai đoạn sử dụng và vận hành công trình

Chu kỳ quan trắc đƣợc xác định dựa vào tốc độ chuyển dịch thực tế của công trình

- Mối quan hệ giữa các chu kỳ quan trắc, độ chính xác và tốc độ chuyển dịch thực tế của công trình đƣợc biểu diễn theo công thức [1]:

c, Giai đoạn công trình đi vào ổn định

Công trình đi vào ổn định nếu chuyển dịch không vƣợt quá ± 2mm/năm Chu kỳ quan trắc có thể là 6 tháng đến 1 năm/ 1lần Tuy nhiên nếu phát hiện

có những chuyển dịch, biến dạng bất thường thì cần tiến hành các chu kỳ quan trắc bổ sung

1.2 LƯỚI KHỐNG CHẾ TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

1.2.1 Nguyên tắc xây dựng lưới khống chế trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình

Như chúng ta đã biết, để xác định được chuyển dịch ngang công trình cần phải tìm cách xác định tọa độ các điểm đặc trưng trên công trình tại nhiều thời điểm khác nhau trong cùng một hệ thống tọa độ đã chọn ngay từ chu kỳ đầu tiên, so sánh để tìm ra giá trị chuyển dịch Chính vì vậy mà trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình thường thành lập hệ thống lưới khống chế mặt bằng gồm 2 cấp độc lập:

- Cấp lưới cơ sở: Bao gồm các điểm khống chế cơ sở bố trí ngoài công

trình, nơi có điều kiện địa chất ổn định, có thể đảm bảo quản lý được lâu dài

và thuận tiện cho việc quan trắc tới các điểm gắn trên công trình Các điểm của lưới khống chế 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 đều bắt buộc phải tiến hành kiểm tra, đánh giá 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

- Cấp lưới quan trắc: Bao gồm các điểm kiểm tra được gắn trên công

trình và chuyển dịch cùng công trình Việc bố trí mốc kiểm tra tùy thuộc vào loại công trình, dạng kết cấu nền móng của công trình

Hai cấp lưới này tạo nên một hệ thống lưới thống nhất, được đo đạc đồng thời trong từng chu kỳ

1.2.2 Phương pháp xây dựng lưới khống chế cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình

Trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình, ta thấy rằng đồ hình của lưới khống chế cơ sở thường được thiết kế dưới dạng mạng lưới tam giác dày đặc Trong trường hợp quan trắc các công trình dạng thẳng thì lưới cơ sở được thiết kế sao cho có ít nhất một cạnh trong lưới trùng hoặc song song với hướng chuẩn

Với cấu trúc hình học của lưới khống chế để đảm bảo độ chính xác của công tác quan trắc, đồ hình của lưới khống chế được thiết kế dưới dạng tam giác dày đặc và có các hình thức lập lưới như sau:

- Phương pháp thành lập lưới tam giác đo góc

- Phương pháp thành lập lưới tam giác đo cạnh

- Phương pháp thành lập lưới tam giác đo góc- cạnh

Trước đây, khi phương tiện đo chiều dài còn hạn chế, các mạng lưới khống chế thường được xây dựng dưới dạng lưới tam giác đo góc với một số cạnh đáy được xác định bằng thước invar

Lưới tam giác đo góc có một số nhược điểm, cụ thể là khó chọn vị trí để

đo cạnh đáy, lưới có độ chính xác không cao, thời gian thi công lâu

Hiện nay, nhờ những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ đo dài điện tử nên mạng lưới khống chế thường xây dựng dưới các hình thức lưới tam giác

đo cạnh hoặc đo góc- cạnh

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

Có nhiều phương pháp quan trắc trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình Tùy thuộc vào đặc điểm và yêu cầu độ chính xác của từng công

trình mà áp dụng các phương pháp quan trắc khác nhau Dưới đây là một số

phương pháp hay được sử dụng trong quan trắc chuyển dịch ngang [5]

1.3.1 Quan trắc chuyển dịch ngang bằng phương pháp hướng chuẩn

1.3.1.1 Các khái niệm

a, Hướng chuẩn

- Hướng chuẩn: là hướng được tạo nên bởi mặt phẳng thẳng đứng đi qua

2 điểm cố định (điểm cố định được gọi là điểm chuẩn)

Tùy thuộc vào cách thức tạo lập hướng chuẩn mà có thể chia ra:

+ Hướng chuẩn cơ học: được tạo nên bởi sợi dây căng đi qua 2 điểm cố

định Nó được sử dụng trong công trình công nghiệp khi lắp đặt và điều chỉnh các thiết bị kỹ thuật

+ Hướng chuẩn quang học: được tạo nên bởi mặt phẳng thẳng đứng nhờ

các máy kinh vĩ hay toàn đạc điện tử

+ Hướng chuẩn laze: được tạo nên nhờ tia laze từ điểm đặt máy đến

điểm đặt tiêu ngắm

Trong đó hướng chuẩn quang học có khả năng tạo hướng dài Như vậy, hướng chuẩn quang học được ứng dụng chủ yếu trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình

Phương pháp hướng chuẩn chủ yếu được sử dụng quan trắc chuyển dịch ngang các công trình dạng thẳng, hướng chuẩn trùng hoặc song song với trục công trình và vuông góc với hướng chuyển dịch

b, Độ lệch hướng chuẩn

- Độ lệch hướng chuẩn: khoảng cách từ các điểm kiểm tra tới đường chuẩn

- Có 2 độ lệch hướng chuẩn:

+ Độ lệch hướng chuẩn chung: là khoảng cách từ các điểm kiểm tra tới hướng chuẩn chung và kí hiệu là yi

+ Độ lệch hướng chuẩn riêng: là khoảng cách từ các điểm kiểm tra tới hướng chuẩn thành phần và kí hiệu là qi

c, Quan trắc hướng chuẩn

Quan trắc hướng chuẩn là định kỳ xác định khoảng cách từ các điểm kiểm tra đến đường chuẩn, so sánh để tìm ra chuyển dịch Các điểm tra gắn

lên công trình và lân cận với đường chuẩn

1.3.1.2 Các phương pháp quan trắc hướng chuẩn

Trong phương pháp hướng chuẩn quang học có 2 cách đo độ lệch hướng chuẩn: phương pháp đo góc nhỏ và phương pháp bảng ngắm vi động

- Lần lượt đặt bảng ngắm cố định tại các điểm kiểm tra (i)

- Tiến hành đo góc β và khoảng cách S

- Độ lệch hướng chuẩn của các điểm kiểm tra được xác định gián tiếp theo công thức:

(1.4) Tiến hành quan trắc theo 2 chiều thuận nghịch Độ lệch hướng chuẩn của các điểm được xác định theo công thức trung bình qua hàm trọng số

- Đặt bảng ngắm cố định tại B, xác lập hướng chuẩn AB

- Đặt bảng ngắm vi động tại các điểm kiểm tra (i)

- Dùng ốc vi động điều chỉnh cho trục đối xứng của bảng ngắm trùng với hướng AB Xác định độ lệch hướng chuẩn của điểm i trên núm vi động của bảng ngắm

Thực hiện quan trắc đo theo 2 chiều thuận nghịch

* Độ chính xác:

Độ chính xác quan trắc của phương pháp này phụ thuộc vào 3 nguồn sai

số chủ yếu:

- Sai số do xác lập hướng chuẩn:

- Sai số do điều quang:

Sai số trung phương của độ lệch hướng yi được tính theo công thức:

( ) ( ) (1.7) Nếu lấy ; ( V là độ phóng đại của ống kính)

Sẽ thu được: √

1.3.1.3 Các sơ đồ quan trắc hướng chuẩn

Vì sai số xác định chuyển dịch ngang bằng phương pháp hướng chuẩn tỷ

lệ thuận với khoảng cách từ máy đến các điểm quan trắc, cho nên đối với các hướng chuẩn có chiều dài lớn, cần phải tìm cách rút ngắn hướng chuẩn Từ

đó, hình thành các sơ đồ quan trắc hướng chuẩn khác nhau

a, Sơ đồ hướng toàn phần

Hình 1.2- Sơ đồ hướng toàn phần

* Phương pháp đo: Trong sơ đồ hướng toàn phần, độ lệch hướng của các

điểm quan trắc (1,2,3,…,n) được xác định trực tiếp so với hướng chuẩn gốc

AB theo 2 chiều thuận nghịch

* Thao tác:

- Đo theo chiều thuận:

+ Đặt máy tại A, bảng ngắm cố định tại B, xác lập hướng chuẩn AB

+ Lần lượt đặt bảng ngắm cố định hoặc vi động tại các điểm kiểm tra, xác định các giá trị độ lệch hướng chuẩn chung: y’1, y’2, y’3,…, y’n

- Đo theo chiều nghịch:

+ Đặt máy tại B, định hướng về A, đo độ lệch hướng của các điểm quan trắc n,(n-1),…, 1, kết quả xác định các giá trị lệch hướng: y”n, y”n-1,…, y”1

* Tính độ lệch hướng chuẩn của các điểm:

Gọi y’i và y”i lần lượt là độ lệch hướng chuẩn của điểm i theo chiều đo thuận và nghịch

P’i và P”i là trọng số của các giá trị độ lệch hướng chuẩn theo chiều thuận và nghịch

b, Sơ đồ hướng từng phần (phân đoạn)

* Phương pháp đo: Trong sơ đồ phân đoạn, chia hướng chuẩn ban đầu

AB thành những đoạn nhỏ hơn để tạo thành một số hướng chuẩn phụ, các điểm chia gọi là điểm nút (trên hình 1.3, hướng AB được chia làm 2 đoạn với

k là điểm nút)

Độ lệch hướng các điểm nút được xác định trực tiếp so với hướng chuẩn

AB Độ lệch hướng của các điểm quan trắc khác nằm trong đoạn nào thì được

so với hướng chuẩn phụ tương ứng (kí hiệu độ lệch hướng này là q), sau đó tính chuyển về độ lệch hướng so với hướng chuẩn gốc AB

Hình 1.3- Sơ đồ phân đoạn

Ví dụ như trên hình 1.3, trình tự đo được triển khai như sau:

* Tính độ lệch hướng và sai số trung phương:

Ký hiệu độ lệch hướng của các điểm quan trắc so với hướng chuẩn AB là

y và độ lệch hướng đo được so với hướng chuẩn phụ là q Dựa vào mối quan

hệ đồng dạng của các tam giác để nội suy độ lệch hướng chuẩn:

Từ công thức (1.14), áp dụng cách tính sai số trung phương của hàm số

sẽ xác định được công thức sai số trung phương độ lệch hướng:

c, Sơ đồ hướng nhích dần

Hình 1.4- Sơ đồ nhích dần

(1.16)

* Thao tác:

- Đo theo chiều thuận:

+ Đặt máy tại A, định hướng về B, đo độ lệch hướng điểm 1, kết quả q1+ Đặt máy tại điểm 1, định hướng về B, đo độ lệch hướng điểm 2, kết quả đo là q2

+ Đặt máy tại điểm 2, định hướng về B, đo độ lệch hướng điểm 3, kết quả đo là q3

+ Cứ thực hiện tiếp tục như thế cho đến điểm đo cuối cùng: đặt máy tại điểm (n-1), định hướng về B, đo độ lệch hướng điểm n, kết quả đo là qn

- Đo theo chiều nghịch: được thực hiện theo chiều ngược lại từ B đến A với trình tự sau:

+ Đặt máy tại B, định hướng về A, đo độ lệch hướng điểm n, kết quả đo

* Tính độ lệch hướng và sai số trung phương:

Theo chiều thuận, từ hình 1.4 xác định được độ lệch hướng:

………

- -

độ lệch hướng đó cũng được xác định theo nguyên tắc trung bình trọng số Trong cùng một điều kiện, sơ đồ nhích dần có độ chính xác cao hơn các sơ đồ khác và điểm giữa tuyến vẫn là yếu nhất

1.3.2 Quan trắc chuyển dịch ngang công trình bằng lưới đo góc- cạnh

Bằng các trị đo mặt đất nhờ các máy toàn đạc điện tử chính xác hoặc chính xác cao, tùy theo tổ hợp đo góc- cạnh Theo đó có thể có các phương pháp sau đây:

1.3.2.1 Phương pháp tam giác

Phương pháp tam giác (với các đồ hình đo góc, đo cạnh hoặc đo góc -

cạnh) thường được ứng dụng để quan trắc chuyển dịch ngang của các công trình ở vùng đồi núi như các đập thủy lợi - thủy điện, công trình cầu, đường

A, B, C, D – điểm lưới cơ sở

1, 2,… - điểm kiểm tra gắn trên công trình

Hình 1.5- Lưới tam giác trong quan trắc chuyển dịch ngang

Trong phương pháp này sẽ đứng máy tại tất cả các điểm cơ sở và điểm quan trắc Do đó chỉ áp dụng để quan trắc những công trình có số lượng điểm kiểm tra ít

Sau mỗi chu kỳ quan trắc sẽ tiến hành bình sai mạng lưới, vừa kết hợp phân tích sự ổn định của các mốc cơ sở, vừa đồng thời xác định tọa độ bình sai các mốc kiểm tra So sánh với chu kỳ trước để tìm ra sự dịch chuyển

- Chuyển dịch của các điểm theo các hướng trục tọa độ:

Trong đó: , , - , - là toạ độ của điểm i tính được ở chu kỳ j và (j-1)

1.3.2.2 Phương pháp giao hội

Phương pháp này được áp dụng chủ yếu để quan trắc các công trình có dạng bất kì: cầu cong, cầu vòm…

Trong phương pháp giao hội:

- Lưới cơ sở vẫn được đo theo phương pháp tam giác

- Lưới quan trắc được đo theo phương pháp giao hội Theo đó, có thể có các phương án giao hội sau đây [8]:

+ Giao hội thuận góc

Từ các kết quả này có thể rút ra những nhận xét sau:

- Phương án giao hội thuận góc- cạnh cho độ chính xác cao nhất, các ellipse sai số nhỏ, tròn đều

- Phương án giao hội thuận góc cho độ chính xác thấp nhất, các ellipse sai số lại nằm theo hướng bất lợi (bán trục lớn nằm dọc theo hướng áp lực)

Hướng áp lực

Giao hội nghịch góc- cạnh Giao hội thuận góc- cạnh

Hình 1.6- Dạng của ellipse sai số trong các phương án giao hội

- So sánh phương án giao hội nghịch góc- cạnh với phương án giao hội cạnh có thể thấy việc đo thêm góc tại các điểm giao hội không mang lại hiệu quả rõ rệt (hai phương án cho kết quả ellipse sai số gần như nhau cả về hướng

và độ lớn)

Vì vậy thường sử dụng giao hội thuận góc- cạnh để lập lưới quan trắc Trong các chu kỳ quan trắc, lưới được bình sai như một lưới phụ thuộc với số liệu gốc là tọa độ các điểm cơ sở Từ kết quả tọa độ bình sai của các điểm quan trắc, sẽ tính các đại lượng chuyển dịch theo các công thức từ (1.18) đến (1.21)

1.3.2.3 Phương pháp đường chuyền

Phương pháp chỉ áp dụng cho những đối tượng quan trắc ở đó không có điều kiện để quan trắc theo phương pháp tam giác và phương pháp giao hội (ví dụ: tuyến đường, trục hầm giao thông …) Trong trường hợp này người ta đặt đường chuyền đi qua các điểm kiểm tra và gối đầu lên các điểm khống chế cơ sở

Hình 1.7- Sơ đồ lưới quan trắc trong phương pháp đường chuyền

1.3.3 Quan trắc chuyển dịch ngang công trình bằng công nghệ 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 đó sẽ tính toán xác định được tọa độ, độ cao các điểm trong cùng một hệ thống 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

1.3.3.1 Thành lập lưới quan trắc bằng công nghệ GPS

a, Yêu cầu về độ chính xác

Lưới khống chế quan trắc biến dạng các công trình thủy lợi- thủy điện được xây dựng nhằm phát hiện những biến dạng rất nhỏ (từ 1mm đến 10mm) tùy theo hạng mục quan trắc và yêu cầu độ chính xác quan trắc

Lưới thường được thiết kế từ 2 đến 3 bậc và được chia làm 2 loại là hệ thống lưới khống chế cơ sở và hệ thống lưới quan trắc

- Lưới khống chế cơ sở được lấy làm gốc cho việc tính toán các điểm quan trắc gắn trên công trình, vì vậy nó có yêu cầu rất cao về độ chính xác và tính ổn định lâu dài

- Lưới quan trắc được gắn trên công trình và được bố trí ở các vị trí đặc trưng của công trình Tọa độ các mốc của lưới quan trắc được xác định theo các mốc ổn định của bậc lưới khống chế cơ sở bằng phương pháp bình sai thích hợp

Độ chính xác chiều dài cạnh giữa các điểm GPS lân cận trong lưới được tính theo sai số trung phương:

b, Hệ quy chiếu và tính toán bình sai

Trong giai đoạn quan trắc biến dạng, phạm vi quan trắc chuyển dịch chỉ tập trung vào một số hạng mục chính và lưới quan trắc biến dạng cũng có thể được chọn hệ quy chiếu khác so với giai đoạn thi công sao cho phù hợp với

khu vực cần nghiên cứu

Công nghệ GPS cho phép xác định vector đường đáy tức là gia số tọa độ trong hệ tọa độ không gian WGS-84, còn thực tế cần tìm là tọa độ các điểm trong hệ tọa độ nhà nước hoặc hệ tọa độ giả định Do vậy, khi thiết kế lưới GPS cần xác định rõ kết quả đo GPS đã dùng hệ tọa độ nào, tức thiết kế gốc của lưới Các đại lượng gốc trong đo GPS bao gồm: vị trí gốc, phương vị gốc

- Khi chuyển đổi vị trí các điểm GPS sang hệ tọa độ độc lập (hoặc hệ tọa

độ giả định công trình) thì cần tìm hiểu các tham số sau:

+ Elipsoid đã sử dụng

+ Kinh độ của kinh tuyến trục

+ Độ cao mặt chiếu của hệ tọa độ và trị trung bình của dị thường độ cao khu vực công trình

Lưới quan trắc được đo theo các chu kỳ và tiến hành bình sai phụ thuộc trên cơ sở coi các mốc khống chế cơ sở là ổn định

c, Những quy định trong quá trình đo GPS

Quá trình đo đạc lưới khống chế bằng công nghệ GPS cần tuân thủ các quy định sau:

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

- Số vệ tinh tối thiểu trong thời gian quan sát

- Thời gian tối thiểu thu tín hiệu cho một ca

- Hệ số suy giảm độ chính xác vị trí vệ tinh PDOP

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

1.3.3.2 Ước tính độ chính xác lưới GPS

Khi thiết kế lưới GPS cần phải xem xét, tính toán dựa vào các tính năng các thiết bị hiện có và các điều kiện khác để đánh giá lưới thiết kế có đạt về mặt kỹ thuật cũng như độ chính xác theo yêu cầu đặt ra hay không tức là phải tiến hành ước tính độ chính xác của lưới

Công tác ước tính độ chính xác của lưới GPS được thực hiện dựa trên cơ

sở thuật toán bình sai gián tiếp, theo trình tự các bước sau đây:

- Chọn ẩn số là tọa độ các điểm của lưới

- Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh các trị đo

- Xác định trọng số các trị đo và lập hệ phương trình chuẩn

- Tính ma trận nghịch đảo Q của ma trận hệ số phương trình chuẩn

- Tính sai số trung phương theo tọa độ Xi, Yi và sai số trung phương vị trí của các điểm trong lưới theo các công thức:

√ ; √ (1.23)

Trong đó: µ là sai số trung phương trọng số đơn vị

1.4 KẾT CẤU VÀ PHÂN BỐ MỐC QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG 1.4.1 Mốc cơ sở

Yêu cầu cơ bản đối với các mốc cơ sở là phải đảm bảo tính ổn định, không bị chuyển dịch Vì vậy các mốc cơ sở phải có kết cấu thích hợp được đặt ở ngoài phạm vi chuyển dịch ngang công trình, tại 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 quan trắc

Mốc trong quan trắc chuyển dịch ngang thường sử dụng các loại mốc cột

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 khi áp dụng loại mốc trên cần có các biện pháp để giữ cột mốc không bị nghiêng đi do tác động của cơ học hoặc do bản thân của quá trình chuyển dịch công trình (hình 1.8 và 1.9)

1- Lớp vỏ cách nhiệt 2- Lớp đệm

3- Nắp bảo vệ 4- Mặt bích 5- Cột bê tông 6- Đế mốc 7- Lớp gạch lót đáy mốc

Hình 1.8- Mốc khống chế cơ sở dạng cột bê tông

Hình 1.9- Mốc khống chế cơ sở quan trắc chuyển dịch ngang

1.4.2 Mốc quan trắc

Mốc quan trắc được gắn trên công trình tại những vị trí cần theo dõi chuyển dịch Kết cấu mốc phải được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo độ bền vững, có thể bảo quản lâu dài và thuận lợi cho việc đặt thiết bị quan trắc 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 cấu trúc thuận tiện cho việc đặt máy - đối với phương pháp tam giác hoặc đặt bảng ngắm - đối với phương pháp hướng chuẩn và phải có định tâm bắt buộc

Mốc quan trắc được đặt ở những vị trí đặc trưng của công trình Mốc quan trắc 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 10÷ 15m

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

- Móng băng 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 và dọc theo đỉnh 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

PHƯƠNG PHÁP BÌNH SAI LƯỚI TỰ DO VÀ ỨNG DỤNG

ĐỂ XỬ LÝ LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ QUAN TRẮC

CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

2.1 TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH CỦA CÁC MỐC KHỐNG CHẾ CƠ SỞ TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

Để đánh giá mức độ ổn định của các mốc cơ sở trong quan trắc chuyển dịch ngang, cần phải có một tiêu chuẩn ổn định bằng số thống nhất cho tất cả các mốc trong lưới và phù hợp với độ chính xác cần thiết quan trắc chuyển dịch ngang công trình Theo đó, tiêu chuẩn ổn định của các mốc khống chế cơ

sở trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình được đề xuất xây dựng như sau [6]:

Giả sử i1 và i2 là hai vị trí của điểm i ứng với hai thời điểm quan trắc t1 và

t2 (hình 2.1)

Hình 2.1- Chuyển dịch của điểm i giữa 2 thời điểm quan trắc

Trong đó: x1, y1, x2, y2 lần lượt là toạ độ của các điểm i1 và i2 Khoảng cách Qigiữa chúng chính là lượng chuyển dịch của điểm i trong khoảng thời gian này

Từ hình vẽ chúng ta có:

Lấy vi phân hai vế của công thức (2.1) theo các biến là thành phần toạ

mQ- thường biết trước (tùy thuộc vào giai đoạn thi công hoặc sử dụng công trình)

Như vậy, trong mỗi chu kỳ quan trắc, các điểm khống chế cơ sở được xem là ổn định nếu lượng dịch chuyển vị trí của chúng so với chu kỳ trước

đó không vượt quá giá trị giới hạn xác định chúng, nghĩa là cần phải thỏa mãn bất đẳng thức sau đây:

Trong đó: t là hệ số chuyển từ sai số trung phương sang sai số giới hạn (thông thường chọn t = 2÷3) Giới hạn được chọn làm tiêu chuẩn ổn định cho các điểm khống chế cơ sở

2.2 PHƯƠNG PHÁP BÌNH SAI LƯỚI TỰ DO

2.2.1 Khái niệm chung về lưới trắc địa tự do

Phụ thuộc vào tính chất số liệu gốc (số lượng và chất lượng của số liệu

gốc), lưới trắc địa được chia làm 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 mạng lưới đó [5]

Mỗi dạng lưới có một tập hợp số liệu gốc tối thiểu riêng biệt, cụ thể:

- Lưới độ cao: số liệu gốc tối thiểu là độ cao của 1 điểm gốc

- Lưới mặt bằng: số liệu gốc tối thiểu là 4 yếu tố (1 cặp tọa độ (X, Y), 1 phương vị và 1 cạnh đáy)

- Lưới trắc địa không gian: số liệu gốc tối thiểu là 7 yếu tố (3 tọa độ X,

Y, Z, 3 góc xoay và 1 cạnh đáy)

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 là d và lưới được gọi là lưới tự do bậc d Như vậy, lưới tự do có thể chia ra 2 trường hợp: