Nghiên cứu phương pháp quan trắc xử lý số liệu và phân tích biến dạng công trình công nghiệp dân dụng trong điều kiện việt nam

Mục đích của đề tài Nghiên cứu mô hình hình học của biến dạng và áp dụng các phư ng pháp phân t ch th ng kê, từ đó đề xuất ứng dụng phư ng pháp Hồi quy để đánh giá biến dạng công trình

ĐINH XUÂN VINH

NGHI N C U PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC,

XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP - DÂN DỤNG

TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

ĐINH XUÂN VINH

NGHI N C U PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC,

XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP- DÂN DỤNG

TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Tôi cam đoan Luận án này do tôi nghiên cứu và thực hiện Các số liệu và phương pháp tính, kết quả thực nghiệm nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố

Tác giả

Đinh Xuân Vinh

Tên MỤC LỤC Trang

Mục lục i

Danh sách các hình ii

Danh sách bảng và biểu đồ iii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt iii

Mở đầu 1

Chương 1 Tổng quan về quan trắc biến dạng c ng tr n d n d ng-công ng i 3

1.1 Sự phát triển của quan trắc biến dạng công trình 3

1.2 lý liệu và u hư ng nghi n c u 5

1.3 h n t ch biến dạng và u hư ng nghi n c u 8

1.4 nh hư ng nghi n c u của đ tài 14

Chương 2 K t u t quan trắc biến dạng 15

2.1 Khái quát 15

2.2 c th c ng tr nh d n dụng-c ng nghiệp tại iệt am 15

2.3 M h nh biến dạng của c ng trình 17

2.4 uan trắc biến dạng c ng tr nh tại ăn uán, Hà ng, Hà ội 22 2.5 Quan trắc biến dạng b ng S 35

Chương 3 Nghiên c u ng d ng ng i qu để n t c biến dạng c ng tr n 51

3.1 Khái quát v các phương pháp ph n t ch biến dạng 51

3.2 Kiểm tra liệu đ hiện trư ng 51

3.3 Hồi qu 52

3.4 Hồi qu từng bư c 61

3.5 ng dụng Hồi qu từng bư c ph n t ch ngu n nh n g biến dạng c ng tr nh tại Hà ội 63

Chương 4 g i n c u ng d ng c a an để n t c v

i u quan trắc GPS i n t c biến dạng c ng tr n 74

4.1 Khái niệm và cơ ở 74

4.2 hương pháp b nh phương nhỏ nhất và lọc b nh phương nhỏ nhất 78

4.3 Lọc Kalman dạng đa th c 83

4.4 ng dụng lọc Kalman 95

Kết lu n và kiến ngh 117

Danh mục các c ng tr nh của tác giả 118

ài liệu tham khả 119

Hình DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang

2.1 M h nh h nh học của v t thể biến dạng 18

2.2 M h nh biến dạng điển h nh d ngu n nh n ảnh hưởng biến dạng 21 2.3 M h nh v n động và gia t c biến dạng 22

2.4 uan trắc l n tại khu nhà thấp tầng M ăn uán 24

2.5 H nh chụp m c chu n đ l n c ng tr nh 24

2.6 Sơ đồ lư i kiểm tra l n, các điểm chu n, điểm thu S ăn uán 27

2.7 Mô hình lún công trình tại ăn uán 28

2.8 Sơ đồ m t cắt ngang t à nhà và hệ th ng quan trắc t ng h p 32

2.9 Nhà TT 19A bên trong 33

2.10 Nhà TT 19A bên ngoài 33

2.11 iếng quan trắc nư c ngầm tại ăn uán 34

2.12 rư t chu kỳ của tr đ pha 39

2.13 hành phần t ạ độ tr ng chu kỳ đ đ i v i cạnh ngắn 41

2.14 ạ độ điểm 1 c đ nh nh n từ vệ tinh S 16 ( Surve .35) 45

2.15 Sơ đồ lư i S tại ăn uán 46

2.16 Hệ th ng d ch chu ển anten tại C 3 46

2.17 iểm C 3 tr ng thực nghiệm S th hai 46

2.18 Ảnh chụp một đ ạn tr ng r ject Rep rt của thực nghiệm S1 48 3.1 ng b nh phương độ lệch t ng thể hồi qu 58

3.2 iá tr dự đ án độ l n c ng tr nh tr ng giai đ ạn đầu 60

3.3 M t cắt l n c ng tr nh từ tháng 10/ 005 đến tháng 10/ 2006 64

3.4 Biểu đồ mực nư c ngầm qua th i gian năm 005-2009 64

3.5 Biểu đồ nhiệt độ kh ng kh các chu kỳ đ l n th i gian năm 64

3.6 hần m m ph n t ch Hồi qu 68

3.7 Giá tr độ l n đ đư c hồi qu the nư c ngầm 69

3.8 Giá tr độ l n đ đư c hồi qu the th i gian b c 1 70

3.9 Giá tr độ l n đ đư c hồi qu the th i gian b c 2 71

3.10 Giá tr độ l n đ đư c hồi quy t ng h p theo th i gian 72

4.1 Biến động thành phần t ạ độ au b nh ai của điểm 1 96

4.2a ạ độ biến động của điểm C 3 lấ từ M dul ave 97

4.2b Biểu di n tr đ au b nh ai Surve , tr thực của hệ th ng động 97

4.3 Kết quả lọc Kalman b c 0 ánh v i tr đ và tr thực 99

4.4 Kết quả lọc Kalman b c 1 ánh v i tr đ và tr thực 101

4.5 n t c chu ển động của điểm C 3 tr ng kết quả lọc Kalman b c1 101 4.6 SS hư ng điểm C 3 sau lọc Kalman b c 1 101

4.7 S ánh SS hư ng điểm C 3 trư c và au lọc Kalman b c 1 102

4.8 r đ , tr thực và v tr điểm C 3 au lọc Kalman b c 104

4.9 SS hư ng điểm C 3 au lọc Kalman b c 104

4.10 Lọc Kalman b c 1, tr đ và tr thực tr n Matlap 105

4.11 h n dạng m h nh ng u nhi n của hệ th ng [27] 105

4.12 hực nghiệm của Kuhlmann, 003 [ 7] 105

4.13 r đ , tr thực của hệ th ng và lọc Kalman[27] 106

4.14 hành phần t ạ độ Y au b nh ai của điểm 1 107

4.15 hành phần t ạ độ X au b nh ai của điểm 1 107

4.16 hành phần t ạ độ Y au b nh ai của điểm C 3 108

4.17 hành phần t ạ độ au b nh ai của điểm C 3 108

4.18 Sai hư ng trư c và sau lọc Kalman điểm C 3 111

4.19 Sai hư ng trư c và sau lọc Kalman điểm C 3 111

4.20 Lọc Kalman thành phần t ạ độ điểm C 3 112

4.21 r đ và v tr điểm C 3 au lọc Kalman hư ng thực nghiệm 112

4.22 Lọc Kalman thành phần t ạ độ ( 000) điểm CT3 113

4.23 r đ và v tr điểm C 3 au lọc Kalman hư ng thực nghiệm 113

4.24 Biến dạng t ng h p tại điểm C 3 ăn uán, Hà ng 114

4.25 hiệt độ kh ng kh tr ng gi thực nghiệm 114

4.24b uỹ đạ v n động của điểm quan trắc tr n nóc nhà C 3 114

4.26 Dự bá biến dạng b ng lọc Kalman, kh ảng dự bá từ nét gạch dọc ang phải (thực nghiệm GPS 01) 116

DA MỤC CÁC Ý IỆU VÀ T U T G Kh ng gian Euclid thực m chi u Kh ng gian tự nhi n Kh ng gian ngu n E(x) Kỳ vọng t án của biến ng u nhi n P(c k ) ác uất của trạng thái c k là một biến ng u nhi n ph n ph i chu n Bảng DA SÁC CÁC BẢ G VÀ BIỂU ĐỒ Trang 2.1 Phân l ại mô hình biến dạng của Heiner Kuhlmann, Pelzer (1997) 19

2.2 Lư ng d ch chu ển tr ng một th i đ ạn (period) quan trắc S 40

2.3 Sai trung phương ch phép quan trắc chu ển d ch ngang nhà và công trình 43

4.1 Biểu đồ kh i quá tr nh lọc ai kh ng ng u nhi n có giá tr l n 93

4.2 S ánh lọc Kalman-b nh ai Surve .35 (thực nghiệm S01) 104 4.3 h ng k các giá tr t ạ độ đư c hiệu chỉnh bởi lọc Kalman 109

4.4 S ánh SS của lọc K và Surve .35 thực nghiệm GPS 02 111

4.5 Sai của dự bá v i tr ư c lư ng Kalman và tr đ 114

T, Tp,Tv H ng th i gian, chu kỳ biến đ i và th i gian ké dài của m h nh biến

Ma tr n đ i ng hiệp phương ai của tr đ l

Sai trung phương của v tr điểm i the hư ng Sai trung phương của t p h p n tr đ ,

rung b nh t ch luỹ ( ai tu ệt đ i trung b nh), Tr(.) ết của ma tr n (t ng các phần t n m tr n đư ng ché )

Rank(.) Hạng của ma tr n (các cột và các hàng độc l p của ma tr n)

Diag(.) hần t đư ng ché của ma tr n

hương ai trọng đơn v tr ng , là ma tr n hiệp nh n

(h c ma tr n hiệp trọng đả của n tr ng b nh ai)

T ch ch p của f và g

Biến đ i F urier của f

“Cycle”: Chu kỳ trong thu t ngữ Cycle slips n u hiện tư ng trư t chu kỳ tr ng đ

GPS Bản chất là hiện tư ng nhảy s ngu n đa tr làm gián đ ạn tín hiệu khiến cho

bộ đếm phải khởi đầu lại, tạo ra một bư c nhảy trong pha t ng h p t c th i b ng một s nguyên của chu kỳ đ

Điểm chuẩn : (reference point)- điểm kh ng chế để ác đ nh giá tr biến dạng

Điểm kiểm tra : (object point) – điểm kiểm tra biến dạng gắn tr n c ng tr nh

Hệ thống Fuzzy : Hệ th ng t án m -ph n b dữ liệu the cách nghĩ của c n

ngư i

h u nghiệm : nh chất một tham đầu ra của quá tr nh ư c lư

posteriori [57]

kh ng ai : Lý thu ết ư c lư ng đ kháng các tr đ có ai l n- resistant

ha còn gọi là lý thu ết th ng k vững- Robust Statistics [ 7]

Ma tr n vô hướng : (scalar matrix) Ma tr n vu ng có các phần t n m tr n đư ng

ché ch nh b ng 1 còn các phần t n m ng ài đư ng ché ch nh b ng 0

Mô hình hình học : M tả h nh dạng và k ch thư c cũng như ự d ch chu ển và

qua của v t thể (A.Chrzanowski, 1994)

Mô hình nhân quả : M h nh ph n t ch biến dạng the qu lu t h n- uả

Mô hình có tính cơ học liên tục : M h nh ph n t ch biến dạng the qu lu t của

cơ học (A.Chrzanowski, 1994)

Period : h i đ ạn Bản chất là kh ảng th i gian nội bộ thu t n hiệu S đư c cài

đ t tr ng má thu S ương đương thu t ngữ epoch of time

Trị đo dị thường : (outliers) – các tr đ có ai l n

tiên nghiệm : nh chất một tham đầu và của một quá tr nh ư c lư

priori

Thống kê vững -Robust Statistics: hương pháp th ng k nh m l ại bỏ các nguồn

ai kh ng ng u nhi n tồn tại tr ng kết quả ph n t ch

u tr ng phương tr nh lọc Kalman: vect r đi u chỉnh ha còn gọi là vect r kiểm

át

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Quan trắc biến dạng là phần việc đi sau công tác thiết kế quy hoạch, b tr công trình và hoàn công xây lắp, nhưng t nh chất phức tạp và đ i h i đ ch nh xác cao của

nó lại đặt ra những yêu cầu khắt kh Do t nh chất phức tạp của sự vận đ ng gây biến dạng công trình, các kỹ thuật quan trắc cũng như xử lý s liệu và phân t ch biến dạng hiện nay trên thế giới phát triển với sự kết hợp chuyên sâu của nhiều ngành khoa học khác nhau Tại Việt Nam, các tiêu chuẩn quan trắc biến dạng nói chung chưa đề cập đến quan trắc các yếu t vật lý, quan trắc kết hợp nhiều kỹ thuật cho

m t mục tiêu; đề cập đến phân t ch biến dạng và xử lý kết quả đo biến dạng bằng các phư ng pháp phân t ch th ng kê c n t, đặc biệt các phư ng pháp như: Hồi quy, lọc Kalman, t ch chuỗi th i gian, hệ th ng xám hay mạng N ural nhân tạo, mà thế giới đã ứng dụng t t Hiện nay, quan trắc biến dạng bằng GPS vẫn thư ng sử dụng phư ng thức chu kỳ, phư ng thức này không khác nhiều so với quan trắc biến dạng truyền th ng M t s công trình với đặc th riêng, thế giới đã áp dụng kỹ thuật quan trắc liên tục, nhằm phát hiện sự vận đ ng liên tục của điểm quan trắc (công trình) trong môi trư ng Việc xác định mô hình hình học của công trình biến dạng dẫn tới phư ng án quan trắc biến dạng ph hợp là điều cần thiết Phư ng án quan trắc biến dạng th o chu kỳ hay quan trắc liên tục được đề xuất tuỳ thu c quá trình biến dạng

và nhiệm vụ quan trắc Ứng dụng các phư ng pháp phân t ch Hồi quy để phân t ch

mô hình có t nh Nhân – Quả gây biến dạng, phư ng pháp lọc Kalman để phân t ch

mô hình hình học của biến dạng có t nh c học liên tục nhằm đưa ra m t bức tranh

rõ nét về quá trình biến dạng công trình là những trọng tâm của luận án này

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu mô hình hình học của biến dạng và áp dụng các phư ng pháp phân

t ch th ng kê, từ đó đề xuất ứng dụng phư ng pháp Hồi quy để đánh giá biến dạng công trình theo mô hình nhân-quả, phư ng pháp lọc Kalman để phân t ch biến dạng

th o mô hình có t nh c học liên tục

hứng minh hiệu quả của phư ng pháp Hồi quy từng bước và phư ng pháp lọc Kalman bằng các t nh toán thực nghiệm tại công trình khu đô thị V n Quán,

Hà N i

3 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu các phư ng pháp phân t ch biến dạng mà thế giới sử dụng ề xuất ứng dụng phư ng pháp ph hợp với từng loại hình quan trắc biến dạng công trình Tập trung nghiên cứu các phư ng pháp Hồi quy từng bước và lọc Kalman với các ứng dụng xử lý s liệu quan trắc và phân t ch biến dạng

i tượng và phạm vi nghiên cứu là biến dạng các công trình dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam

4 Luận điểm bảo vệ

Luận điểm thứ nhất: Trong quan trắc biến dạng hiện đại, đồng th i với quan

trắc hình học biến dạng, cần quan trắc các yếu t vật lý ảnh hư ng đến biến dạng để giải th ch vật lý biến dạng Ứng dụng phư ng pháp Hồi quy để phân t ch s liệu quan trắc biến dạng và giải th ch vật lý biến dạng là biện pháp th ch hợp

Luận điểm thứ hai: Ứng dụng phép lọc Kalman đ i với quan trắc GPS liên tục

biến dạng để xử lý s liệu, phân t ch và dự báo biến dạng là biện pháp t i ưu

5 Điểm mới của luận án

Nghiên cứu và ứng dụng phư ng pháp phân t ch th ng kê Hồi quy từng bước

để phân tích lún công trình và giải th ch quan hệ giữa mực nước ngầm với đ lún công trình tại khu đô thị V n Quán, Hà N i

Nghiên cứu và ứng dụng thành công lọc Kalman đ i với quan trắc GPS liên tục biến dạng trong xử lý s liệu, phân t ch và dự báo biến dạng tại Việt Nam

6 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu, đề xuất và ứng dụng phư ng pháp phân t ch th ng kê Hồi quy và lọc Kalman vào quá trình xử lý s liệu quan trắc và phân t ch biến dạng công trình ước đầu ứng dụng công nghệ GPS quan trắc biến dạng với dữ liệu liên tục được thực hiện trong phần mềm GPSurv y 2.35

Góp phần hoàn thiện kỹ thuật quan trắc biến dạng, quy trình xử lý s liệu, phân

t ch và dự báo biến dạng công trình

7 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả thực hiện đề tài minh chứng cho phạm vi ứng dụng của phư ng pháp Hồi quy từng bước, quy trình lọc Kalman cho dãy trị đo GPS quan trắc liên tục biến dạng công trình; ứng dụng lọc Kalman hiệu chỉnh trị đo dị thư ng, đánh giá đ n định của điểm quan trắc, phân t ch và nhận dạng mô hình vận đ ng của công trình Công nghệ hiện đại GPS phục vụ quan trắc biến dạng công trình được nâng cao hiệu quả khi quan trắc th o hướng tức th i, liên tục đ i với m t s công trình Phục vụ công tác giảng dạy và đào tạo chuyên ngành trắc địa ứng dụng

8 L i cảm n

in bày t l ng biết n chân thành tới PGS TS Phan V n Hiến và PGS TS ặng Nam hinh đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này ồng th i, xin chân thành cảm n các nhà giáo, đồng nghiệp và ph ng ào tạo Sau đại học đã tận tình

gi p đ tôi trong quá trình làm luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG - CÔNG NGHIỆP 1.1 ự phát t iển của uan t c biến ạng công trình

1.1 T nh h nh chung t ên thế giới

Sự phát triển của nền kinh tế qu c dân và sự tiến b của nhân loại đã đẩy nhanh tiến trình xây dựng công trình Từ đó, quy mô, k ch thước và đ phức tạp của công trình xây dựng ngày càng gia t ng Luận án tập trung nghiên cứu các phư ng pháp xử lý và phân t ch biến dạng dựa trên tập dữ liệu quan trắc biến dạng công trình i sâu vào các phư ng pháp ước lượng t i ưu s liệu đo, nhằm đánh giá các nguyên nhân gây biến dạng, lọc dữ liệu và dự báo biến dạng công trình i tượng nghiên cứu của luận án là các công trình dân dụng và công nghiệp nói chung, các v

dụ được phân t ch trong luận án chủ yếu là công trình dân dụng tại khu đô thị mới

V n Quán, Hà ông, Hà N i

Hiện nay, quan trắc và đề phòng tai họa ngày càng được toàn xã h i quan tâm, các cấp ch nh quyền, ngành chủ quản và t chức học thuật qu c tế như Hiệp h i trắc địa thế giới (IAG), Liên hiệp h i các nhà trắc địa thế giới (FIG), Hiệp h i c học đất

đá thế giới (ISRM), Ủy ban đập thế giới (I OLD), Hiệp h i trắc địa m thế giới (ISM), thư ng định kỳ họp h i nghị chuyên ngành nhằm giao lưu học thuật và nghiên cứu đ i sách Phân t ch và dự báo m t cách khoa học, chuẩn xác, kịp th i tình trạng biến dạng của công trình xây dựng là cực kỳ quan trọng đ i với thi công

và vận hành quản lý công trình, công việc này thu c phạm tr quan trắc biến dạng

Vì phân tích và dự báo biến dạng liên quan đến nhiều ngành khoa học như trắc địa, địa chất công trình, thủy v n, kết cấu xây dựng, vật lý địa cầu, công nghệ thông tin nên nó là m t lĩnh vực nghiên cứu liên ngành, phát triển th o hướng khoa học liên ngành và đã tr thành lĩnh vực hợp tác nghiên cứu của những nhà trắc địa với các chuyên gia các ngành khoa học khác

Kết quả nghiên cứu biến dạng công trình là cực kỳ quan trọng đ i với phòng tránh tai họa và nghiên cứu c lý biến dạng i với công trình xây dựng, quan trắc biến dạng là tai mắt để phán đoán an toàn công trình đồng th i là biện pháp quan trọng để kiểm nghiệm thiết kế và thi công công trình

Thiết kế hợp lý phư ng án quan trắc biến dạng là công việc đầu tiên, đ i với lưới quan trắc cần quan tâm tới: tiêu chuẩn chất lượng lưới, phư ng pháp đo, thiết

kế t i ưu lưới và b tr t t vị tr điểm quan trắc

Hiện nay kỹ thuật quan trắc biến dạng được chia thành quan trắc th o chu kỳ

và quan trắc liên tục biến dạng Quan trắc biến dạng th o chu kỳ là kỹ thuật truyền

th ng với xu hướng là sử dụng r ng rãi máy toàn đạc điện tử, nhất là t hợp toàn đạc điện tử tự đ ng th o dõi biến dạng công trình ([18], [36]) Sự phát triển của công nghệ mới đã phát triển hệ th ng máy quét laz r liên kết hệ th ng truyền tin hiện đại

đã tạo ra c h i mới cho công tác tự đ ng quan trắc biến dạng công trình ([18], [20], [25], [34], [36], [54]) Hệ th ng định vị toàn cầu GPS đã tr thành m t kỹ thuật hiện đại dần thay thế cho các máy quang học và điện tử truyền th ng ([16], [34]) Phư ng pháp GPS ban đầu có đ ch nh xác thấp thì ngày nay đã có đ ch nh xác khá cao nh ứng dụng nhiều phư ng pháp như sai phân bậc 2, lọc Kalman, Từ ứng dụng để quan trắc biến dạng th o chu kỳ đã tr thành quan trắc tự đ ng, tức th i, liên tục và đạt đ ch nh xác cao ([31], [41], [56])

Quan trắc biến dạng liên tục là d ng máy quan trắc c định, thu thập s liệu trong th i gian dài, nhận được dãy s liệu biến dạng có kh i lượng lớn Mặc d phư ng thức quan trắc liên tục vẫn là tiến hành đo lặp đ i với điểm đo, nhưng s liệu đo là liên tục và có đ phân giải th i gian tư ng đ i cao (có báo cáo khoa học gọi là ‘chuỗi th i gian’) Thế giới đã nghiên cứu đầy đủ về mặt c s lý thuyết hai phư ng pháp: ịnh vị tư ng đ i tĩnh và định vị tư ng đ i đ ng, nói chung là giải bài toán có t nh tức th i của nguyên nhân và hậu quả” đ i với biến dạng, loại này

có lượng phân t ch s liệu cao [46] V dụ, khi đập ng n nước vượt mức t ch lũ, cần phải quan trắc tình trạng biến dạng của nó từng gi từng ph t, yêu cầu hệ th ng quan trắc phải có khả n ng truyền s liệu, xử lý và phân tích s liệu tức th i để phán đoán rủi ro của hệ th ng đập ng n Còn như đo dao đ ng của cầu, công trình dạng tháp thì xử lý s liệu và phân tích biến dạng có thể tiến hành sau

i với quan trắc trạng thái đ ng, trước đây thư ng d ng gia t c kế, máy giao thoa laz r để xác định đặc t nh chấn đ ng của kết cấu xây dựng, nhưng đ cao của các công trình xây dựng ngày càng t ng, yêu cầu về t nh liên tục, t nh tức th i, mức đ tự đ ng hóa quan trắc ngày càng cao, nên kỹ thuật trắc địa truyền th ng ngày càng hạn chế Sử dụng phư ng pháp GPS với sự phát triển và hoàn thiện cả phần cứng và phần mềm, đã chứng t t nh ưu việt của công nghệ này Phần mềm GPSurv y 2.35 th o đánh giá của các nhà khoa học trên thế giới vẫn là phần mềm

ưu việt [37] Kỹ thuật định vị tư ng đ i tĩnh trong quan trắc GPS liên tục là sử dụng

l i giải lặp (Coordinate repeatability) để xác định vị tr điểm thu GPS liên tục th o

th i gian thực [45] mà không sử dụng l i giải h i tụ (Solution convergence) như khi

xác định điểm kh ng chế trắc địa Kỹ thuật định vị tư ng đ i đ ng là chủ đ ng cài đặt máy thu GPS với tần s th ch hợp để thu nhận chuỗi s liệu quan trắc th o th i đoạn, sau đó d ng phần mềm tư ng th ch để phân t ch quỹ đạo chuyển đ ng của điểm quan trắc Phư ng pháp lọc Kalman được ứng dụng chủ yếu để loại b trị đo dị

thư ng và t nh toán quỹ đạo chuyển đ ng của điểm GPS th o th i gian ch nh xác của kỹ thuật quan trắc liên tục ngày nay đã tiến gần tới đ ch nh xác của kỹ thuật quan trắc truyền th ng Tư ng lai, kỹ thuật này là tiêu chuẩn để quan trắc dao

đ ng hay chấn đ ng của kết cấu

1.1 Thực tế ản uất tại Việt Nam

Thực trạng công tác quan trắc biến dạng công trình tại Việt Nam hiện nay vẫn

là quan trắc th o chu kỳ, thể hiện trong các T DVN 271:2002, TCXDVN 351:2005, TCXDVN 357:2005 Phư ng án quan trắc m t đ i tượng biến dạng chưa

áp dụng t ng hợp nhiều kỹ thuật đo đạc khác nhau ác tiêu chuẩn này chưa quy định quá trình quan trắc phải tiến hành lấy mẫu vật lý các tham s môi trư ng Trong quan trắc biến dạng bằng công nghệ GPS, chưa áp dụng kỹ thuật quan trắc tự

đ ng, liên tục, tức th i để kiểm tra biến dạng đ i với m t s công trình Ứng dụng GPS chủ yếu vẫn là để xác định toạ đ điểm kh ng chế

1.1.3 Mục đích và nghĩa của uan t c biến ạng c ng t nh

ảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng là vấn đề hết sức quan trọng và hiện đang là vấn đề nhạy cảm của xã h i Mục đ ch của quan trắc biến dạng là: ác định giá trị biến dạng, nghiên cứu quy luật biến dạng, nắm vững tình trạng thực tế của vật thể biến dạng, cung cấp thông tin cần thiết để phán đoán đ an toàn của nó nghĩa của quan trắc biến dạng có hai mặt:

- Trước hết là ý nghĩa ứng dụng thực tế, chủ yếu là để nắm vững đ n định của công trình xây dựng, tìm hiểu kết cấu địa chất, cung cấp thông tin cần thiết để chẩn đoán đ an toàn công trình, kịp th i phát hiện vấn đề và có biện pháp xử lý;

- Thứ hai là ý nghĩa khoa học, bao gồm giải th ch đ ng đắn h n về c chế biến dạng, kiểm chứng lý thuyết liên quan đến thiết kế công trình và giả thiết về sự vận

đ ng của địa tầng nhằm đưa lại cho thiết kế và xây dựng mô hình dự báo biến dạng hữu hiệu

1.2 X l liệu và u h ớng nghiên cứu

1.2 T nh h nh chung t ên thế giới

hịu ảnh hư ng của điều kiện đo, bất kỳ s liệu quan trắc biến dạng nào cũng

có sai s với đ lớn và t nh chất khác nhau (Galileo Galilei 1564-1642) Trong trắc địa thư ng chia sai s đo thành 3 loại: 1) Sai s thô; 2) Sai s hệ th ng; 3) Sai s ngẫu nhiên

Trong quan trắc biến dạng, không cho phép tồn tại sai lầm (sai s thô), thông qua trình tự và phư ng pháp đo nhất định để loại trừ hoặc giảm thiểu sai s hệ

th ng Nếu trong s liệu quan trắc tồn tại sai s thô hoặc sai s hệ th ng, sẽ khó

kh n cho việc phân t ch và giải th ch biến dạng, thậm ch có kết luận sai ồng th i,

vì bản thân lượng biến dạng tư ng đ i nh , xấp xỉ bằng giới hạn của sai s đo nên

để phân biệt biến dạng và sai s , nhận được biến dạng đặc trưng, phải có biện pháp loại trừ sai s tư ng đ i lớn (vượt quá sai s đo) và nâng cao đ ch nh xác đo, từ đó giảm thiểu ảnh hư ng của sai s đo đ i với phân t ch biến dạng Liên quan đến quá trình xử lý s b s liệu đo, ngoài việc so sánh kết quả đo với các chu kỳ trước, c n phải so sánh với các điểm lân cận trong c ng công trình biến dạng, s b nhận định đặc trưng biến dạng để phát hiện sai lầm

Phư ng pháp th ng kê vững (Robust Statistics) được phát triển b i John Tukey

và Peter Huber [48], c ng các phư ng pháp phân t ch Hồi quy, biến đ i sóng nh và

lọc Kalman, đã góp phần phát hiện và hiệu chỉnh trị đo dị thư ng (outlier), th ng

nhất các trị đo trong m t môi trư ng phư ng sai đồng nhất [26] để đánh giá chất lượng phép đo và loại trừ (hiệu chỉnh) trị đo xấu Những phư ng pháp tiên tiến đó ngày nay là chủ đề tranh luận sôi n i trên các diễn đàn học thuật của H i nghị FIG

ử lý kết quả đo bằng các phư ng pháp bình sai và đánh giá chất lượng của các trị đo là vô c ng quan trọng, chất lượng của các trị đo liên quan trực tiếp đến đ

ch nh xác và đ tin cậy của lượng biến dạng iều này liên quan đến các n i dung: chất lượng của các trị đo, g c bình sai, xử lý sai s thô, khả n ng có thể phân biệt

của biến dạng và các dạng sai s không ngẫu nhiên (outlier) N m 1968, W aarda

đề xuất phư ng pháp nhận dạng s liệu trong m t bài báo nhan đề A testing procedure for use in geodetic networks” đ ng trên tạp ch Trắc địa s 2-Ủy ban trắc địa Hà Lan của ại học D lf, nghiên cứu nhận dạng sai s thô và khả n ng có thể phân biệt biến dạng từ s liệu đo đã đạt được nhiều thành quả Trên c s bình sai kinh điển có g c c định, các học giả hu Giang V n, 1980; ào ản Tảo, [13], [14] đã phát triển bình sai lưới tự do với g c trọng tâm và bình sai quasi-stable” với

g c giả định n định”

Th o truyền th ng, phân tích hình học biến dạng chủ yếu bao gồm phân tích

tính n định của các điểm chuẩn (reference point), nếu bản thân điểm chuẩn đã chọn

không n định hoặc không đồng nhất giữa các chu kỳ, thì từ đó giá trị biến dạng nhận được không thể phản ánh biến dạng đ ng ý nghĩa của nó Do đó điểm chuẩn để

so sánh biến dạng là vấn đề đầu tiên cần phải x m xét khi xử lý s liệu quan trắc biến dạng Trước đây, nghiên cứu phân t ch t nh n định của điểm chuẩn chủ yếu giới hạn lưới quan trắc có t nh chu kỳ, v dụ A hrzanowski và Y.Q.Chen (1983) thu c trư ng đại học N w runswick, anada đã phát triển 2 phư ng pháp: Phư ng pháp T ng tuyệt đ i nh nhất” (LAS) và Phư ng pháp Tuần tự thay thế xác định trọng s ” (IWST) trong m t bài báo nhan đề “Analysis of Deformation

Surveys - A Generalized Method” ả hai phư ng pháp này đều dựa trên c s biến

đ i S, được phát triển b i W.Baarda (1973), trong m t bài báo nhan đề

S-transformation and crit rion matric s” đ ng trên tạp ch Netherlands Geodetic Commission Publications on Geodesy, vol 5 Phư ng pháp Hannov r (H P lz r,

1971) lấy phân t ch phư ng sai làm c s tiến hành kiểm định t ng thể, tức d ng Phư ng pháp chênh lệch trung bình”; n m 2008 H.Kuhlmann đã ứng dụng lọc

Kalman để kiểm nghiệm biến dạng các điểm chuẩn (reference point) và điểm kiểm tra (object point) trong lưới quan trắc biến dạng

Ứng dụng lọc Kalman để kiểm định điểm chuẩn trong lưới quan trắc biến dạng

là m t đề tài khá hấp dẫn gần đây H i nghị chuyên đề về quan trắc và phân t ch biến dạng lần thứ 13 t chức tại Lisbon, ồ đào nha, từ ngày 12 đến 15 tháng 5 n m

2008, các nhà khoa học trắc địa thế giới đã báo cáo nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến phân t ch đ n định của điểm kh ng chế trong lưới quan trắc và các phư ng pháp ứng dụng, trong đó lọc Kalman được đánh giá cao Từ việc xác định

mô hình ngẫu nhiên của trị đo GPS, với mô hình nhiễu của hệ th ng GPS không tuân th o phân ph i Gauss, Mohid r S.Gr wal và Angus P.Andr ws (2008) đã phát

triển m t mô hình lọc ịnh hình (Shaping Filters) dựa trên các khái niệm được giới

thiệu trong các tác phẩm của H ndrik Wade Bode (1905–1982), Claude Elwood Shannon (1916–2001), Lotfi Ask r Zad h và John Ralph Ragazzini (1912–1988) về các b lọc trong trư ng quang ph phẳng (quy trình nhiễu trắng) được định hình để

đại diện cho quang ph của hệ th ng thực tế lọc ịnh hình (Shaping Filters) kết hợp với lọc Kalman tiêu chuẩn (standard Kalman filter) đã xử lý các thành phần

nhiễu thô trong quan trắc GPS ó nhiều thuật toán để hiệu chỉnh các trị đo dị thư ng này, phư ng pháp của H.Kuhlmann là can thiệp vào hàm trọng s hay là hàm hiệu ch của lọc Kalman Kết quả là các trị đo GPS dị thư ng được phát hiện và hiệu chỉnh trong quá trình thực hiện lọc Kalman

1.2 Thực t ạng l liệu uan t c biến ạng công trình tại Việt Nam

Tại Việt Nam, q a trình xử lý s liệu chủ yếu vẫn sử dụng các phư ng pháp được giới thiệu trong T DVN 271:2002, T DVN 351:2005, T DVN 357:2005 và các giáo trình [5], [10] Việc xử lý s liệu chủ yếu tiến hành trên m t s phần mềm ứng dụng được viết tại Việt Nam, xử lý s b và kiểm tra s liệu quan trắc biến dạng chưa được quan tâm đ ng mức, khiến cho kết quả quan trắc đôi khi không phản ánh thực tế biến dạng ặc biệt xử lý s liệu và đánh giá đ n định của

m c chuẩn vẫn c n nhiều vấn đề cần nghiên cứu thêm

Việc nghiên cứu và áp dụng lý thuyết th ng kê vững [48], [51], [52] chưa ph biến Việc xử lý các trị đo dị thư ng (các trị đo có sai s lớn) chưa ứng dụng các

phư ng pháp kiểm định th ng kê như hồi quy, lọc Kalman, , mà thế giới đã ứng dụng thành công [19], [24], [56] Việc xử lý s liệu và phân t ch đ n định của m c chuẩn trong lưới quan trắc biến dạng được thế giới nghiên cứu nhiều, đặc biệt trong các H i nghị của FIG có nhiều bài tham luận được quan tâm Vấn đề sử dụng các phư ng pháp th ng kê mới như Ước lượng R của Rob rt Duchnowski ( ại học Warmia và Mazury tại Olsztyn, a Lan), nhận dạng sự thay đ i của phư ng sai trong chuỗi s liệu quan trắc biến dạng của Hans N un r ( ại học Hanov r, ức)

s lý thuyết của các phư ng pháp này là nguyên lý th ng kê vững và lý thuyết iến đ i sóng nh Những vấn đề này c n tư ng đ i mới trong các nghiên cứu khoa học của Việt Nam

1.3 Ph n tích biến ạng và u h ớng nghiên cứu

Quan sát hiện tượng tự nhiên, con ngư i luôn ch trọng tới phần có biến đ ng

và biến đ ng không quy luật, c n với phần tĩnh hoặc biến đ ng có quy luật thì tư ng

đ i dễ ứng phó Làm thế nào để từ trong hiện tượng tìm ra biến đ ng, từ trong biến

đ ng tìm ra quy luật, từ quy luật dự đoán tư ng lai, đó là quá trình tư duy biện chứng của con ngư i khi nhận thức thế giới tự nhiên iến đ i càng nhiều, phản ứng càng nhanh thì hệ th ng càng phức tạp, từ đó phát sinh hệ th ng phi tuyến Tư duy của con ngư i cũng tư ng tự m t hệ phi tuyến t nh, không phải là phản ứng đ n giản đ i với hiện tượng bên ngoài, thông qua hiện tượng để cấu thành bản chất, từ trong phức tạp và hỗn loạn tìm ra quy luật phát triển, sau đó hành đ ng th o quy luật

n i tại ó ch nh là bản chất của phân t ch biến dạng

Nghiên cứu phân t ch biến dạng liên quan đến xử lý và phân t ch s liệu thu thập được trong quá trình lấy mẫu thể biến dạng, đồng th i giải th ch vật lý biến dạng và dự báo biến dạng, bao gồm phân t ch hình học và giải th ch vật lý Phân t ch hình học là miêu tả trạng thái không gian và đặc t nh th i gian của thể biến dạng Giải th ch vật lý biến dạng là xác định quan hệ giữa biến dạng và nguyên nhân biến dạng của vật thể lấy mẫu V dụ như: mực nước trong hồ chứa lên hay xu ng có ảnh

hư ng tới mức đ biến dạng nhiều hay t của đập ng n chứa nước của nhà máy thuỷ điện, mức nước ngầm xu ng thấp ảnh hư ng tới đ l n công trình xây dựng, gió mạnh và bức xạ nhiệt mặt tr i ảnh hư ng tới biến dạng công trình cao tầng dạng

tháp,

1.3 Ph n tích đặc t ng kh ng gian và th i gian của mô hình biến ạng

N m 1978, ủy ban Trắc địa công trình thu c FIG đã thành lập m t ban đặc biệt: Ủy ban chuyên môn phân t ch quan trắc biến dạng” với sự tham gia của 5 trư ng ại học lớn nhằm th c đẩy nghiên cứu biến dạng N m 1996, A

hrzanowski đã đánh giá, vấn đề chủ yếu của phân t ch hình học biến dạng đã được giải quyết [55]

Về thực chất, từ những n m 90 của thế kỷ trước, việc nghiên cứu phân t ch hình học biến dạng đã tư ng đ i hoàn thiện với mô hình hình học của biến dạng (bảng 2.1), d ng kỹ thuật trắc địa mặt đất truyền th ng tiến hành quan trắc th o chu

kỳ, nhưng chỉ mới nghiên cứu trạng thái không gian của công trình biến dạng tại những th i điểm quan trắc khác nhau mà chưa thành lập được m i liên hệ giữa các trạng thái, càng chưa nghiên cứu phân t ch biến dạng của hệ th ng tự đ ng hóa quan trắc biến dạng Vì vật thể biến dạng giữa các trạng thái khác nhau có t nh tư ng quan về th i gian Gần đây, nhiều nhà nghiên cứu trắc địa đã xây dựng mô hình phân tích theo chuỗi th i gian của biến dạng; kỹ thuật lọc s dựa trên xử lý t n hiệu

s để tách thành phần hiệu ứng th i gian c ng với sự phát triển của lý thuyết biến

đ i nhanh chuỗi Fouri r tiến tới lý thuyết iến đ i sóng nh ; phư ng pháp lọc Kalman để phân t ch biến dạng,

Phân t ch biến dạng theo mô hình nhân-quả có thể tiến hành trong trư ng th i gian, cũng có thể tiến hành trong trư ng tần s Phư ng pháp phân t ch ph tần là đưa dãy s liệu trong trư ng không gian thông qua biến đ i cấp s Fouri r hoặc biến

đ i sóng nh [59] chuyển đ i vào trư ng th i gian để tiến hành phân t ch, nó có lợi cho việc xác định chu kỳ chuẩn xác của chuỗi th i gian và phân biệt s liệu chu kỳ

có t nh ẩn và phức tạp M t s học giả [24], [26], [28], [46] đã ứng dụng phư ng pháp phân tích ph tần nghiên cứu nhân t nhiễu của s liệu quan trắc th o th i gian

để nhận được thông tin biến dạng thực và đã thu được kết quả nhất định D ng phư ng pháp phân t ch ph tần để xác định đặc trưng biến dạng trạng thái đ ng (tần

s và biên đ ) là m t phư ng pháp thư ng d ng, nhất là trong quan trắc chấn đ ng kết cấu công trình xây dựng Nhưng điều kiện hà khắc của phư ng pháp phân t ch

ph tần là yêu cầu giãn cách th i gian của dãy s liệu, điều đó làm t ng thêm khó

kh n cho thực tế phân t ch quan trắc m t s công trình, vì việc tiến hành xử lý b sung và làm tr n dãy gián cách th i gian không đều tất nhiên sẽ mang lại ảnh hư ng của yếu t nhân tạo Gần đây đã phát triển phư ng pháp iến đ i sóng nh , phư ng pháp đã khắc phục được nhược điểm của biến đ i Fouri r và đang được nghiên cứu

áp dụng trong trắc địa và địa đ ng lực [59]

Hiện nay, việc nghiên cứu phân t ch s liệu quan trắc biến dạng đã thu h t nhiều chuyên gia quan tâm, ngoài phư ng pháp truyền th ng phân t ch Hồi quy đa

biến, phư ng pháp phân t ch th o chuỗi th i gian (Time Series), phư ng pháp phân

t ch ph tần và kỹ thuật lọc sóng ( Sóng nh -Wavelets), lý thuyết hệ th ng xám

nhân tạo (Aftificial Neural Network) đã được ứng dụng mức đ nhất định V dụ

ứng dụng phư ng pháp hệ th ng xám để nghiên cứu vấn đề biến dạng từ nhiều nguyên nhân dẫn tới phát sinh nhiều hệ quả [24]; ứng dụng lý thuyết toán m

(Fuzzy) xây dựng mô hình dự đoán sự c tai họa sập hầm (Andreas Eichhonrn-H i

nghị 13 của FIG tại Lisbon, 2008); ứng dụng mạng neural nhân tạo xây dựng mô hình tiến hành dự t nh biến dạng chu kỳ ngắn; ứng dụng phân t ch sóng nh r i rạc

để tách thông tin nhiễu và giải quyết bài toán ước lượng sự thay đ i của phư ng sai các trị đo bằng hai phư ng pháp [26]: phư ng pháp t ng t ch lũy các bình phư ng của phư ng sai dựa trên c s lý thuyết kiểm định th ng kê của Inclan và Tiao (1994, Tạp ch của Hiệp h i th ng kê Hoa kỳ, Vol.89, No.427) và phư ng pháp hàm

tư ng phản để ước lượng toàn b cấu hình điểm thay đ i c ng th i điểm được phát triển b i Lavi ll (1998, ử lý t n hiệu truyền tải IEEE, Vol.46, No.5)

Trong nghiên cứu biến dạng, nghiên cứu kết hợp nhiều phư ng pháp cũng đã

phát triển V dụ, kết hợp nguyên lý toán m (Fuzzy) và lý thuyết xám, phư ng pháp

phân t ch hệ th ng xám tiến hành xây dựng mô hình nhiều điểm đo [18]; kết hợp toán m và mạng neural nhân tạo, ứng dụng phư ng pháp này để xây dựng mô hình

dự báo biến dạng đập; phư ng pháp phân t ch Hồi quy xử lý vấn đề sai s thô trong

dãy s liệu, từ đó đề xuất lý thuyết ước lượng kháng sai” (resistant) nhằm cải tiến

mô hình Hồi quy đa biến kháng sai” [48]

Vì t nh chất phức tạp của biến dạng nên có thể x m nó là m t hệ th ng Hệ

th ng phức tạp này gồm nhiều yếu t phi tuyến, không xác định và các đặc t nh

đ ng lực học phức tạp hình thành b i tác dụng tư ng hỗ giữa ch ng Nhìn chung, các phư ng pháp phân t ch biến dạng hiện th i phần nhiều đều tiến hành sau giai đoạn quan trắc, không thể tiến hành giám sát liên tục tức th i điểm quan trắc, không thể cung cấp tư vấn quyết sách tức th i ngay khi phát sinh tai họa Do đó nghiên cứu phư ng pháp phân t ch và giám sát tức th i tr thành vấn đề mấu ch t của kỹ thuật quan trắc hiện đại ngày nay M t trong những lý thuyết được ứng dụng ph biến hiện nay cho vấn đề giám sát tức th i biến dạng là lý thuyết lọc Kalman Mặc d ứng dụng đầu tiên của lọc Kalman là điều khiển đ ng học trong chư ng trình Apolo của Hoa kỳ, ngày nay lọc Kalman được ứng dụng ph biến trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế qu c dân Nhiều nhà khoa học thế giới đã tiếp cận lọc Kalman thông qua các phư ng trình cụ thể gắn với lĩnh vực được ứng dụng Từ chuỗi dữ liệu quan trắc liên tục công trình biến dạng hay chuỗi dữ liệu của hệ th ng điểm trên thị trư ng chứng khoán, ngư i ta đã xây dựng các phư ng trình dựa trên lý thuyết lọc Kalman nhằm xác định quỹ đạo chân thực của điểm quan trắc hay t i ưu hoá danh mục đầu

tư của m t công ty Tài ch nh i vì quỹ đạo của điểm quan trắc không phải là tuân

th o m t đư ng cong xác định, cũng như sự phát triển của kinh tế thị trư ng không phải được xác định bằng các tham s c định mà nhiều n m nay m t s nhà kinh tế học vẫn thư ng vin vào đó để phân t ch ác phư ng trình Kalman xây dựng m t quỹ đạo vận đ ng của điểm quan trắc sau khi phát hiện và hiệu chỉnh các trị quan trắc dị thư ng Quỹ đạo ấy có thể là m t đư ng phức hợp phụ thu c vào chuyển

đ ng thực tế của điểm quan trắc

Lọc Kalman được phát triển b i nhiều nhà khoa học như R L Eubank [50],

M S Grewal [40], A P Andrews, Simon Haykin [57], Greg Welch [22], Gary Bishop ác phư ng trình của Gr g W lch, Gary ishop và M S Grewal, A P Andrews phân chia b lọc thành hai nhóm: nhóm cập nhật th i gian và nhóm cập nhật trị đo Simon Haykin vận dụng phư ng pháp ình phư ng nh nhất kinh điển

và phát triển thành kỹ thuật lọc Kalman m r ng ( xt nd d Kalman filt r-EKF), đó

là m t thủ tục đệ quy để t i ưu hoá m t tập hợp các quan trắc có nhiễu, đồng th i dự báo mô hình đ ng đã biết

Những phát triển mới nhất của lọc Kalman là hệ th ng unscented Kalman filt r-UKF” sẽ cung cấp m t giải pháp ch nh xác h n cho b lọc bậc 2 mà không

t ng những t nh toán phức tạp

Trong hệ th ng quan trắc GPS, việc phân t ch s liệu đo chủ yếu là xử lý s liệu và giải toán s liệu quan trắc, tìm nghiệm sai phân GPS, bình sai lưới quan trắc GPS để cung cấp thông tin vị tr có đ ch nh xác, đ tin cậy cao ác phần việc này

đều được thực hiện dựa trên các phần mềm xử lý s liệu đo GPS như: GPSurvey 2.35 được phát triển b i Trimble Navigation, Gamit được phát triển b i Học viện MIT, Bernese được phát triển b i ại học rn, Geodyn được phát triển b i NASA

[37], Còn công việc của trắc địa viên là xác định điểm chuẩn của lưới quan trắc biến dạng, phân biệt ch nh xác giá trị biến dạng và tách sai s , r t ra đặc trưng biến dạng và giải th ch các nguyên nhân biến dạng

có ưu điểm và nhược điểm

Phư ng pháp giải th ch vật lý biến dạng có thể chia thành 3 loại: Phư ng pháp phân t ch th ng kê, phư ng pháp xác định hàm và phư ng pháp mô hình hỗn hợp

Phư ng pháp phân t ch th ng kê thông qua phân t ch tư ng quan giữa các tham

s (gồm tham s nguyên nhân và tham s biến dạng), trong đó tham s biến dạng là

sự dịch chuyển nhận dạng được Từ đó xây dựng mô hình quan hệ toán học giữa hai tham s có t nh chất hậu xét, tức là m i quan hệ đó được xây dựng sau khi sự việc

đã xảy ra ây là phư ng pháp khá ph biến để phân t ch nhân - quả biến dạng Vì

t nh chất đa dạng và khó xác định của các nguyên nhân gây biến dạng, sự hữu hạn của bản thân các dữ liệu thu thập được nên đã hạn chế nhiều đến việc xây dựng mô hình phân tích Hồi quy (Andreas Eichhonrn-H i nghị 13 của FIG tại Lisbon, 2008) Phư ng pháp xác định hàm s là xây dựng mô hình hàm s của phụ tải và dịch chuyển nhận dạng được thông qua quan hệ lực tác đ ng-biến dạng”, dựa vào t nh chất vật lý của thể biến dạng và dựa trên nguyên tắc c học liên tục để xây dựng phư ng trình vi phân mô tả trạng thái cân bằng lực, từ đó xây dựng mô hình hàm s

xác định trước quá trình biến dạng Mô hình xác định trước có t nh chất giả định

th o các yếu t tác đ ng nên thư ng có kh i lượng t nh toán lớn [18], trong m t s trư ng hợp có thể vô nghiệm Mục đ ch của mô hình xác định trước là để phát triển

mô hình dự báo biến dạng, từ đó sử dụng phân t ch phản hồi để kiểm tra t nh đ ng đắn của bản thiết kế công trình Trong thực tế, việc lựa chọn các mẫu đất nền móng công trình khác nhau từ những v ng khác nhau có thể gây r i cho việc xây dựng mô hình, điều kiện tiến hành trong thực nghiệm có thể khác với điều kiện thực tế cũng khiến cho tỷ lệ thành công trong dự báo biến dạng bằng phư ng pháp này khó đạt

Mô hình hỗn hợp và nghiên cứu phân t ch ngược được ứng dụng khá t t trong quan trắc kiểm tra an toàn công trình (Adam Chrzanowski, 1993, báo cáo tại H i

nghị kỹ thuật dân dụng và xã h i hàng n m anada) Mô hình hỗn hợp là dùng phư ng pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Methode) để t nh trị s đ i với

đại lượng nguyên nhân (như thành phần nước) có quan hệ tư ng đ i rõ ràng với đại lượng biến dạng của đập, c n đ i với các đại lượng nguyên nhân (như nhiệt đ , th i gian) không có quan hệ rõ ràng với các đại lượng biến dạng thì d ng lý thuyết vật lý

tư ng ứng để t nh thành quả, nên khó mà xác định được quan hệ hàm s giữa ch ng Thông thư ng vẫn d ng phư ng pháp th ng kê, sau đó tiến hành ph hợp với giá trị thực tế mà xây dựng mô hình Phân t ch ngược là lý thuyết phân t ch hệ th ng mô

ph ng, lấy kết quả phân t ch ch nh làm c n cứ, thông qua phân t ch lý thuyết nhất định, ngược lại tìm vật kiến tr c và tham s dữ liệu xung quanh nó để tìm quy luật

và thông tin, đưa tr lại vào thiết kế và thi công công trình Thực tế, phân t ch ngược bao gồm phân t ch diễn biến ngược, phân t ch đưa tr lại Vì giải th ch vật lý biến dạng liên quan đến nhiều môn học, nhân viên trắc địa khó l ng mà đ c lập hoàn thành nhiệm vụ mà thư ng phải hợp tác c ng các chuyên gia khác

1.3.3 Xu h ớng phát t iển của nghiên cứu ph n tích biến ạng

Nhìn lại kết quả nghiên cứu và thực tế ứng dụng phân t ch biến dạng, triển vọng và xu thế phát triển thể hiện những hướng sau:

a - ử lý và phân t ch biến dạng th o hướng tự đ ng hóa, hệ th ng hóa, internet hóa, ch trọng nghiên cứu mô hình th i gian - không gian, phân t ch tần suất

th i gian trạng thái đ ng và kỹ thuật xử lý t n hiệu s

b - T ng cư ng nghiên cứu t nh ứng dụng của các phư ng pháp phân t ch biến dạng cả hai mô hình: mô hình hình học và mô hình nhân quả, khai thác phần mềm

hệ th ng quan trắc biến dạng, nghiên cứu phư ng pháp mới phân t ch biến dạng

c - Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết hệ th ng, lý thuyết điều khiển, lý thuyết thông tin, lý thuyết kết cấu, lý thuyết tư ng quan, đ ng lực học trong phân t ch biến dạng sẽ được t ng cư ng

d - Nghiên cứu t ng hợp phân t ch biến dạng hình học và giải th ch vật lý sẽ được đi sâu phát triển, xây dựng hệ th ng quan trắc tự đ ng an toàn, tập hợp dữ liệu quan trắc th ng nhất để sử dụng chung, ứng dụng truyền thông đa phư ng tiện làm phư ng hướng phát triển tư ng lai, bài toán hệ th ng phi tuyến t nh của biến dạng là chủ đề nghiên cứu lâu dài

ó thể t ng kết về nhiệm vụ quan trắc biến dạng hiện nay như sau: Lấy kỹ thuật quan trắc là công cụ, lấy phân t ch biến dạng là biện pháp và dự báo biến dạng

là mục đ ch cu i c ng nhằm đảm bảo an toàn cho con ngư i và công trình xây dựng

1.3 Thực t ạng ph n tích biến ạng tại Việt Nam

Việt Nam, phân t ch biến dạng chủ yếu là phân t ch hình học biến dạng và

d ng kỹ thuật quan trắc biến dạng th o chu kỳ (các tiêu chuẩn quan trắc biến dạng hiện hành như T DVN 271:2002, T DVN 351:2005, T DVN 357:2005) Do

đó, các phư ng pháp phân t ch như: Mạng N ural nhân tạo, huỗi th i gian, Biến

đ i sóng nh , lọc Kalman c n chưa được áp dụng

ác tiêu chuẩn quan trắc biến dạng chưa quy định quan trắc các tham s vật lý của công trình biến dạng, m t s nghiên cứu gần đây có đề cập đến giải th ch vật lý biến dạng bằng phư ng pháp Phân t ch tư ng quan Phư ng pháp phân t ch Hồi quy,

lý thuyết Hệ th ng xám (Grey system), lý thuyết toán m (Fuzzy) còn chưa được

ứng dụng để phân t ch các tham s môi trư ng ảnh hư ng đến biến dạng công trình

Do đặc điểm quan trắc th o chu kỳ, trong m a mưa bão hay trong th i điểm nước lũ, đập thuỷ công có nguy c mất an toàn khi biến dạng vượt mức cho phép

ã có H i thảo t chức tại Việt Nam đề cập đến vấn đề nước ngầm có ảnh hư ng tới

đ l n công trình xây dựng Tuy nhiên, chưa có công trình khoa học nào được công

b Luận án đã sử dụng kết hợp kết quả đo l n công trình và đo mực nước ngầm

c ng chu kỳ để cung cấp dữ liệu cho giải th ch vật lý biến dạng

1.4 Đ nh h ớng nghiên cứu của đề tài

Sau khi nghiên cứu những tài liệu và lý thuyết về quan trắc biến dạng công trình đã có, đ i chiếu với thực tế sản xuất tại Việt Nam, ch ng tôi nhận thấy đề tài luận án cần tập trung nghiên cứu giải quyết những vấn đề sau:

a) Phư ng pháp Hồi quy được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, khoa học kỹ thuật và xã h i Luận án cần nghiên cứu t ng hợp và đề xuất lý thuyết cũng như ứng dụng thực hành, nhằm giải quyết bài toán phân t ch biến dạng và xử lý s liệu quan trắc biến dạng

b) Lọc Kalman đã được chứng minh là phư ng pháp ước lượng t i ưu và hiện đang có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của khoa học kỹ thuật và kinh

tế xã h i Luận án cần làm sáng t các phư ng trình lọc Kalman về mặt lý thuyết, đồng th i ứng dụng lọc Kalman trong thực tế quan trắc biến dạng công trình tại Hà

N i ước đầu tiến hành xử lý s liệu quan trắc nhằm hiệu chỉnh trị đo dị thư ng, sau đó tiến hành phân t ch và dự báo biến dạng công trình

c) Thông qua nghiên cứu ứng dụng phân t ch Hồi quy nhằm giải th ch vật lý biến dạng công trình th o phân loại mô hình biến dạng của P lz r Tiến hành lấy mẫu vật lý các biến môi trư ng như nhiệt đ , mức nước ngầm tại công trình Hà

N i đồng th i với các chu kỳ đo biến dạng công trình, cung cấp tham s đầu vào cho

mô hình Hồi quy

ông nghệ GPS hiện nay đang rất ph biến Trong quá trình làm Luận án,

ch ng tôi t chức quan trắc GPS kỹ thuật tư ng đ i-tĩnh, quá trình xử lý trên GPSurvey 2.35 tách ra từng th i đoạn, tạo thành tập dữ liệu liên tục, bước đầu phân

t ch biến dạng liên tục của công trình bằng lọc Kalman

g h n n ng h h h ng ng nh [12] Ứng ụng hương h h n h n ng h h h hương h n

hể : H hống (Grey system) M ng ne nh n (Aftificial Neural Network) Ch ỗ h g n (Time Series) K n ể nh n ư ả n

ng hự nh nh g ư ng ên nh n g n ng n h ả

ả n n ng nh h h [32], [40], [48]

Mộ hự ngh n ng n ộ h ng nh h ng n

n H ng H ộ nhằ G ả h h ý n ng Qu n n ng nh cùng gh h nh ộ ư ng n ự nư ng h ự ả

h nh êng ẻ hen ng như n n n nh ng n n

n “hố ử h n” ng ả h nh hố Hồ Ch M nh g n

ư nh h h h ên g ng h n h ể ng ên nh n

ư g ả h h hụ C ngh ên n KHK H ộ

ng n n ng n h nh hễ h h nư ng

h ả ả n n hư ng òn ơn g ản nh ên

n g n ng h n nhồ h ng ể :

- ả ng ng n ở h n ộ nh

- h ng nh ả ộ n n h n ẽ g ộng n n ự ng hể n ộ nh

- h ng khi ựng ng h ự ng n ư ộ nh ẵn h dày, thì n hống ng ộng hống n ể ả ả n n h ng nh

n n ộ ể hả ư ý ng ựng nh n

ố h hị H ộ Ch ư hư ng n nh n

ự n ê n n ng ị h g ả ố h ể ( ng

ng nh hư ng ò hỏ h h n ng h h n h ng h ư h ng trình h n h n) M h nh ng ng h ng ự n hư ng ng

hể h n h ng ố n ư he h h ên ụ ể C

ể ể ên nh h ng ư ng h nh h : h ảng h g hênh ( òn g ố ên ) n ộng ương ố hể n ng ư

h g ên ể ư ị ộ ố h ể “ ”

ể “ ” h ể gố nh “gố ” hể g nh ẫn gố n ng

hể g ên như :

Bảng 2 1 Phân mô hình n ng Pelzer (1997)[27]

ô hình hình học ô hình nhân quả

Mộ hể ị n ng ố ảnh hưởng n ng n he h

g n ư ng n ng h ể t h ng nh ng hụ h ộ ộ n ố ảnh hưởng n ng h ể t mà còn hụ h ộ ộ n ố ảnh hưởng

n ng h ể ư B ể h n h ng hình n ng ộng như :

()

ở ( ) ư ng n ng h ể ; x(tτ) ộ n ( ư ng )

ố ảnh hưởng n ng h ể (tτ); g(τ) h ng ố ả ố ương n g x(tτ) ố ( ); τ h ảng h g n hản hồ ; g(τ) hụ

h ộ ố ảnh hưởng n ng hể n ng nên h ựng mô hình Trong lún h h ỏ n n n móng ng ả ng ng trình,

H dt

dy

o t

t t t

x H y t

t exp 1 t

x H y )

Δx H t t dt

Hình 2.2 Mô hình n ng ển hình do nguyên nhân ảnh hưởng n ng

ể ựng h ố ương n L hể ng h nh n ộng ể ê ả

n ng hể e n ng h ố h g n

2

)tt()t(y)tt)(

t(y)t(y)

t

(

y

2 o o

o o

tThêi gian

 h g n n ộ h δt ng ẽ h nh nên ng h h hương n n n ư ý e

g hênh h g n n nh ộ ư ng ., ngoài ra còn thu

h các ố hể liên n n ng ể n ng như: ự nư c

ng ư ư ng nư n g n ng n n, H ng h ng ựng ộ g ng h n h ò ự nư ng n 200 h ự ng

nh ị n nh ộ g ng 30 hả n ng h ị h n

h ng hể h n 150 ( ộ h h nư ng h nh hố H

ộ ) ồng h ng ng nh h ng ng ngh ên hỉ 3 5

ng ( h ự n nh ) h ng n ng ( h ng e n ố h )

n ng ộ hỉ ê n ng ộ nh ư Mụ h

n n ng h ng nh ư n ng rõ trên hể n ng h không, thông hể n ng he h ên ộ hư ng nh ịnh

D ộ nh ư n n ng ư ịnh nghĩ ‘giá ị hỏ hấ

ủ ve o biế dạ g ó hể phá hiệ đượ khi kiểm đị h giả hiế hố g kê kế ả

nh n “Optimization of Geodetic Networks” ng ên h Bollentino

e ngư ên ngh ên h ố ư ng ị g ễn ng h (200 ) ngư ên hự h n h ố ư ên nh ố

h ị hị ự h nh nh h h ảng 50 Mố ể n ằng òn ể ể nh h n ư ng e n

ư , n h h n h n hư ng h ộ ố ể h

hư ng hả ư ý ể h ể

 ỗ h n hả g n h ộ ngư h nh n ộ nhằ ể nh n ngư gh h n ư ng e nh ẫn

2.4.3 Xác định số chu ỳ quan tr c và thời gian quan tr c trong một chu ỳ

n h nh n ị h h h nh ý nghĩ n ng

h ễ n h hể nh ng n hể n ng

h g n n ộ h hả ư h n h nh ng h ảng h g n cho phép δt n ẽ h g ị n ng ể ể :

Ứng ụng ý h h n h h nh n ng ng nh Ch ng

h n n ng nh ên h hị n n H ng he

ng hương n ụ hể h ng ng nh ng g n ựng h nh

ố ng nh h ng n n, có 500 ể ể ún ng h ự nhưng hông hả ể ún liên ụ ng n ả 500 ể ố ư ng ể

ể h ù he g n h nh Ch ư h n h nh h h

h ộ ố ể n h ng hả nằ ị h hố ên n n ộ n công trình G n 1: 5/9/2005 n 30/12/2005 ỗ n n 1 h

gồ 16 h ng h n 500 ố 12 h hỉ

n 10 ố G n 2: 08/1/2006 n 11/3/2006 n 8 h

128 ố G n 3 : 11/ /2006 n 11/3/2007 n 12 h G n : h ng n 2007 n h ng 5 n 2009 255 ố G n h h g n

nư ư ỉnh ể ng ộng nh ụ ịnh g ị

n ng h ể nên ụng hương h n ên ụ

Ch n hương h n n ng h h ộ n ị

h ng trình n ư ng ng nh ng trình nộ ng n khác nhau ương ng hương h n h nh

3 hương h n :

- h nh n n ằng hương h h ỷ h ẩn h nh h ng

ng n Á ụng ê h ẩn CXD 271:2002 M 00 007 n

- h h hương h h ỷ h ẩn h ỷ ĩnh ng ống nhự ẫn nư h ống hư h h n h n h bên trong công

trình

- h n ngh êng ng nh ằng n n ử h ng gương ự ịnh ộ ngh êng ng nh h n n (Le TCR 705, Trimble 5602 DR 300+) Á ụng ê h ẩn CXD 357:2005 Hình

n n ngh êng ộ ố ể ằng n n ử h ộ h ng gương MLE 5602 D 300+ (hình 2.8) ng nh h ng 01 n