Quan trắc biến dạng công trình có ý nghĩa thực dụng là: đảm bảo an toàn vận hành công trình xây dựng, thiết bị cơ khí; phát hiện kịp thời các biến đổi dị thường, đưa ra phán đoán về tính
Trang 1MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH
Ths Đinh Xuân Vinh
Công ty cổ phần Tư vấn đầu tư và xây dựng HUD-CIC
ABSTRACT:
In the practical application we prefer using the
observations for the definition of the deformation
model of structure However, we have to include
an identification of the model as a preliminary step
in our monitoring deformation By this model, we
can estimate the value and the time series of
deformation, quantity of iterative time, the
allowing time in section and the time between two
sections The important thing is that the model is
used in a realistic way
Email: dinhvinhcic@yahoo.com.vn
Đọc phản biện: PGS.TS Phan Văn Hiến
A CƠ SỞ
Quan trắc biến dạng là một công việc bắt buộc
trong xây dựng công trình Quan trắc biến dạng
công trình có ý nghĩa thực dụng là: đảm bảo an
toàn vận hành công trình xây dựng, thiết bị cơ khí;
phát hiện kịp thời các biến đổi dị thường, đưa ra
phán đoán về tính ổn định, tính an toàn của chúng
để tìm biện pháp xử lý, phòng ngừa sự cố phát
sinh Ý nghĩa khoa học của quan trắc biến dạng là:
tích lũy tư liệu quan trắc phân tích, có thể giải
thích đúng đắn hơn về nguyên nhân biến dạng,
kiểm chứng giả thiết biến dạng, phục vụ cho
nghiên cứu lý thuyết và phương pháp dự báo tai
biến, kiểm nghiệm lý thuyết thiết kế công trình có
chính xác không, cung cấp cơ sở cho sau này chỉnh
sửa thiết kế như cải thiện tham số vật lí của công
trình, tham số cường độ nền móng nhằm phòng
ngừa sự cố phá hoại công trình, nâng cao năng lực
chống tai biến
Nội dung quan trắc biến dạng chủ yếu bao gồm
quan trắc chuyển dịch ngang, chuyển dịch thẳng
đứng (lún), đo độ nghiêng, độ lệch, độ vênh Riêng
độ lệch và độ vênh có thể xem là chuyển dịch
ngang trên một hướng nào đó Độ nghiêng có thể
tính chuyển thành chuyển dịch ngang và chuyển
dịch thẳng đứng Thông qua việc đo chuyển dịch
thẳng đứng (lún) và đo khoảng cách để có được
Ngoài ra cần thiết quan trắc các đại lượng vật lý
liên quan đến biến dạng như ứng lực, ứng biến,
nhiệt độ, áp suất không khí, mực nước, dòng thấm,
áp lực thấm, áp lực trương
Đặc điểm của quan trắc biến dạng là quan trắc chu kỳ Đó là quan trắc lặp lại nhiều lần thể biến dạng Phương án quan trắc của mỗi chu kỳ như đồ hình lưới quan trắc, máy móc sử dụng, phương pháp đo, người đo đều phải như nhau Phân bố khoảng thời gian giữa các chu kỳ đo lặp, thời gian
đo trong một chu kỳ, số chu kỳ cần quan trắc, bắt
đầu quan trắc từ khi nào và kết thúc khi nào là mô
hình xác định biến dạng.
B MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến biến dạng công trình như vận động của vỏ trái đất, biến dạng nền móng, khai thác nước ngầm, biến đổi mực nước ngầm, tác động của các loại tải trọng của công trình kiến trúc, lắp đặt thiết bị lệch so với thiết kế Các nguyên nhân dẫn đến biến dạng có đặc trưng thời gian biểu hiện ở nhiều trạng thái Có trạng thái gần tuyến tính, trạng thái theo chu kỳ hay trạng thái đột xuất và ngẫu nhiên
Biểu thức toán học tổng quát của mô hình biến dạng như sau:
∫
∞
−
= 0
) ( ) ( ) ( t g t x t τ d τ
trong đó: y(t) là lượng biến dạng tại thời điểm t;
) ( t − τ
x là độ lớn (trị đo) của nguyên nhân biến dạng tại thời điểm ( t − τ );
g(t) là hàm trọng số tương ứng với ảnh hưởng của x ( t − τ )đối với y(t);
τ là khoảng thời gian giữa các chu kỳ đo lặp
Ta thấy lượng biến dạng của công trình biến đổi theo thời gian, không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của trị đo tại thời điểm t mà còn chịu ảnh hưởng của các thời điểm trước t Hình 1 biểu diễn mô hình biến dạng theo các nguyên nhân gây biến dạng Trong hình, xo và xE là giá trị của nguyên nhân gây biến dạng tại thời điểm đầu và cuối; yo và
Trang 2yE làlượng biến dạng tại thời điểm đầu và cuối;
∞
H là hằng số truyền dẫn; T là hằng số thời gian;
Tp là chu kỳ biến đổi; Tv là thời gian kéo dài của biến dạng
x
t
x E
∆x
xO
Nguyªn nh©n biÕn d¹ng
y
t
yE
∆ y=Hoo∆x
yO
BiÕn d¹ng
67% 95% 100%
T
tO+T tO+3T
x
t
x E
∆x xO
y
t
yE
yO
BiÕn d¹ng
∆ t
tO+∆ t
tO+∆ t
∆ t
x
t
x
Thêi gian
y
t y
Thêi gian
BiÕn d¹ng
T v
T p
Nguyªn nh©n biÕn d¹ng Nguyªn nh©n biÕn d¹ng
Hình 1 Mô hình biến dạng theo các nguyên nhân gây biến dạng
1/ Biến dạng phi chu kỳ, mô hình ngẫu nhiên
và đột biến (hình 1 (a)):
Mô hình hàm số có dạng
−
T
t t H
t
Tốc độ biến dạng lớn nhất tại thời điểm to
x T
H dt
dy
o
t
∆
=
(3) Lượng biến dạng tại thời điểm cuối
x H y x x H
y
2/ Biến dạng phi chu kỳ, mô hình tiệm
tiến(hình 1(b)):
Mô hình hàm số có dạng
( )
−
−
−
∆
∆
+
T
t t T
t t t
x H
y
t
o
)
đối với to ≤ t ≤ to + ∆ t
hoặc
− − +
∆
∆
∆ +
T
t t T t T
t t
x H y t
đối với t > to + ∆ t
Biến dạng tại thời điểm tocó kéo dài, tốc độ biến dạng tại thời điểm to + ∆ t đạt cực đại, ta có:
= ∞ − −
+
T
Δt Δt
Δx H Δt o t dt
dy
exp
3/ Biến dạng chu kỳ (hình 1(c)):
Nguyên nhân ảnh hưởng biến dạng biến đổi theo chu kỳ, sự tương ứng giữa nguyên nhân biến dạng x(t) với biến dạng y(t) theo thời gian được biểu thị:
+
p
T
t x
t
Trang 3= + y
p
T
t y
t
Trong đó: xˆ và ϕxlà biên độ và pha đầu của
nguyên nhân gây biến dạng
yˆ và ϕy là biên độ và pha đầu của biến dạng
Độ trễ thời gian cũng là một nguyên nhân gây
biến dạng và được định nghĩa:
2 2
1 ˆ
ˆ
+
=
p
T t
H x
y
H
Do vậy thời gian kéo dài của biến dạng là
=
−
=
p
p x y
p
v
T
t T
T
π π
ϕ
ϕ
2 arctan 2
Từ (9) và (10) thấy rằng Tv và H∞ không liên
quan đến nhau, nhưng Tv và H∞ đều liên quan
đến
p
T
t
Hệ quả là:
t
T p ≥ thì Tv → 0 và H → H∞
t
T p ≤ thì
4
p v
T
Phát biểu: Thời gian quan trắc thể biến dạng
phải lớn hơn chu kỳ biến dạng của thể đó và thời
gian kéo dài biến dạng sẽ bằng 1/4 chu kỳ biến
dạng
Có trường hợp nguyên nhân ảnh hưởng biến
dạng không đo được, hoặc nếu đo được cũng khó
lập mô hình hàm số tương quan Ta có thể xem
biến dạng là hàm số của thời gian:
2
) ( ) ( ) )(
( )
(
)
(
2
o o o o o
t t t y t t t y
t
y
t
Trong hình 2, gia tốc biến dạng y cần được
quan tâm Nếu y ≥ 0 tức là biến dạng đang vận
động, công trình mất ổn định Nếu y< 0 tức là
biến dạng đang giảm dần, công trình đi vào ổn
định theo thời gian
t Thêi gian
y(t)=0 y(t)<0 y(t 0 )
t 0
Hình 2 Mô hình gia tốc biến dạng
C PHÂN TÍCH MÔ HÌNH BIẾN DẠNG
Vì khuôn khổ bài báo có hạn, chúng ta chỉ phân tích mô hình biến dạng phi chu kỳ
Việc xác định trạng thái hoặc miêu tả biến dạng có liên quan tới độ chính xác đo đạc σy Vì việc dự tính chuẩn xác lượng biến dạng của công trình khó chính xác, nếu lấy mức 10% thì độ chính xác đo đạc σy phải thoả mãn:
y ≤ ∆ y = y − y
50
1 50
1
5
1
Trong đó: ∆ y là lượng biến dạng lớn nhất dự tính
y
δ là lượng biến dạng nhỏ nhất giữa hai chu kỳ quan trắc trong khoảng xác suất nhất định (như P = 95%), hay còn gọi là độ phân giải quan trắc biến dạng,
y
y =10.δ
Xét trường hợp biến dạng phi chu kỳ mô hình ngẫu nhiên và đột biến
Tại thời điểm tA bắt đầu gia tăng tải trọng, tiến hành quan trắc tại thời điểm t0 nhận được giá trị biến dạng yA Chu kỳ quan trắc cuối phải được tiến hành tại thời điểm biến dạng có xu thế bình ổn
T t
T là hằng số thời gian liên quan đến thể biến dạng,
có thể dựa vào kinh nghiệm hoặc số liệu thực nghiệm để xác định
Trang 4t
yE
BiÕn d¹ng lín nhÊt
∆y
yA
BiÕn d¹ng
t A
δt
t i+1
δy BiÕn d¹ng nhá nhÊt
Thêi gian quan tr¾c
1 chu kú
Thêi gian gi÷a 2 chu
kú quan tr¾c =∆t
Hình 3 Phân tích biến dạng phi chu kỳ với mô hình
đột biến và ngẫu nhiên
Trong khoảng thời gian t0 đến tE phải quan trắc
nhiều chu kỳ, giả thiết ∆ t = ti+1 − ti
thì ∆ t liên quan đến tốc độ biến dạng y và độ
phân giải quan trắc biến dạng δy tại thời điểm
quan trắc Ta có:
y
δ
≥
Nói cách khác biến dạng thực tế phải không
nhỏ hơn độ phân giải quan trắc biến dạng
Lưu ý (13) và (15) ta có:
y
σ
5
=
Nhận xét: Ở các chu kỳ đầu, tốc độ biến dạng
y khá lớn và không chính xác nên ∆t tương đối
nhỏ Các chu kỳ sau tốc độ biến dạng y càng
chính xác và càng nhỏ nên khoảng thời gian ∆ t
ngày càng lớn Giả thiết tốc độ biến dạng lớn nhất
trong chu kỳ quan trắc là ymax thì thời gian quan
trắc trong một chu kỳ phải là:
max
y
y t
σ
do vậy
5
t t
∆
≤ δ
Tức là: Nếu thời gian giữa hai chu kỳ quan trắc
là 30 ngày, thì thời gian quan trắc trong một chu kỳ
phải ít hơn 6 ngày
D ỨNG DỤNG
Xét công trình xây dựng là một tòa nhà cao 12 tầng Từ khi bắt đầu thi công san nền khu vực này, các nhà tư vấn đã khảo sát địa chất công trình tại đây Kết quả khảo sát đã chỉ ra địa tầng đặt móng tòa nhà này là tầng sỏi cuội ở độ sâu 50 m Xử lí móng bằng cọc đóng tiết diện 35cm x 35cm Vậy nên mô hình biến dạng sẽ tuân theo quy luật tiệm tiến
Khi thi công xong cột tầng 1, ta bắt đầu gắn mốc quan trắc lún Mốc được gắn ở những vị trí chịu lực chính của công trình và ở nơi thông thoáng, cao độ đặt mốc từ + 200 đến + 500 Sau khi gắn xong mốc có thể tiến hành quan trắc ngay Giá trị quan trắc nhận được lúc ban đầu rất quan trọng, đó là gốc để tính lún cho công trình sau này Tương ứng với thời điểm t0 ta có y0 – tức lượng biến dạng tại thời điểm tải trọng là nhỏ nhất
Xét nguyên nhân gây biến dạng Tại thời điểm
t0 ta có ảnh hưởng của nguyên nhân gây biến dạng
x0 là nhỏ nhất Do quá trình tăng tải của công trình, với 12 sàn là 12 lần tăng tải trọng lên móng Giá trị
x sẽ tăng dần từ x0, x1, đến x12 Đến giá trị x12 thì tải trọng của công trình đã gần đạt tải trọng thiết kế (do còn một phần là tải trọng thiết bị, vật liệu ) Đối chiếu mô hình 4, ta thấy giá trị biến dạng yA tại thời điểm xA= x12 chỉ đạt khoảng 50% đến 60% giá trị ymax Tuy nhiên gia tốc biến dạng tại thời điểm
yA là lớn nhất và sau đó giảm dần Nắm được quy luật này, ta sẽ phân bố tàn suất quan trắc biến dạng sao cho hợp lý, phản ảnh đúng quá trình biến dạng của công trình
Trang 5t
x A
x O
y
t
yO
Biạn dỰng
t A
Nguyến nhẹn biạn dỰng
x E
yA
t E
t A t E
yE
Hình 4 Mô hình biến dạng của công trình 12 tầng
trong bài toán
Xét đồ thị trên: tE là thời điểm biến dạng có xu
thế bình ổn Tại thời điểm tA, biến dạng có xu thế
vận động mạnh nhất Nếu cho rằng đây là thời kỳ
biến dạng tuân theo quy luật của mô hình biến
dạng đột biến, lưu ý đến công thức 14, 18 và khả
năng hoàn thành công tác đo đạc tại hiện trường
ngày nay Ta bố trắ lịch đo quan trắc biến dạng như
sau:
+ Giai đoạn 1: 9 chu kỳ quan trắc đầu tiên tiến
hành từ thời điểm sau khi gắn mốc kiểm tra lún
đến khi đổ bê tông sàn tầng 10
+ Giai đoạn 2: Từ chu kì 11 đến chu kỳ 15 (5
chu kỳ) tiến hành từ thời điểm đổ bê tông sàn tầng
11 đến mái Với tòa nhà có khoảng 35 mốc kiểm
tra, thời gian thực hiện quan trắc là trong 1 ngày
Tiến hành quan trắc 1 tuần 1 chu kỳ Thời gian
quan trắc 5 chu kỳ này là 5 tuần lễ
Từ chu kỳ 16 đến chu kỳ 20 (5 chu kỳ) tương
ứng khi công trình thi công xong phần thô và bắt
đầu đi vào hoàn thiện Tiến hành quan trắc 1 tuần 1
chu kỳ, thời gian quan trắc 5 chu kỳ này là 5 tuần
lễ Tổng thời gian quan trắc giai đoạn này là 10
tuần lễ với 10 chu kỳ
+ Giai đoạn 3: từ chu kỳ 21 đến chu kỳ 23 (3
chu kỳ) tiến hành quan trắc 1 tháng 1 chu kỳ
+ Giai đoạn 4: Từ chu kỳ 24 đến chu kỳ 30 (7 chu kỳ) tiến hnàh quan trắc 2 tháng 1 chu kỳ Đây
là giai đoạn biến dạng có xu thế bình ổn
Như vậy sau thời điểm biến dạng có xu thế vận động mạnh tA , ta đã quan trắc được 15 chu kỳ với thời gian trên 18 tháng Dựa vào kinh nghiệm quan trắc và kết cấu móng cọc được neo vào tầng sỏi cuội thì tốc độ lún của công trình ở tháng thứ 20 sau thời điểm tA dao động trong khoảng 0,1mm đến 0,5 mm/tháng Để đi vào ổn định, thông thường công trình còn lún tiếp một thời gian nữa, nếu không tắnh tới các tác động đột biến như động đất song có quan trắc tiếp hay không lại phụ thuộc vào tầm quan trọng của công trình và kinh phắ của Chủ đầu tư dành cho công tác này
Từ trước đến nay, việc xét duyệt phương án quan trắc biến dạng thường không quan tâm đến thời điểm biến dạng có xu thế vận động mạnh nhất,
mà lại chia làm 2 hay 3 giai đoạn quan trắc: giai đoạn xây thô, giai đoạn hoàn thiện, giai đoạn đưa vào sử dụng Việc phân tắch bài toán trên một lần nữa làm rõ hơn xu thế biến dạng chung cho các công trình cao tầng, qua đó đưa ra một phương án quan trắc hợp lý
D KẾT LUẬN Trong thực tế chúng ta hay sử dụng những trị quan trắc để xác định mô hình biến dạng của công trình Tuy nhiên, chúng ta phải coi việc nhận biết
mô hình là bước khởi đầu trong việc hoạch định phương án quan trắc Thông qua đó chúng ta dự tắnh giá trị biến dạng và thời gian của nó, số lượng chu kỳ cần quan trắc, thời gian cần thiết cho một chu kỳ đo và khoảng thời gian giữa các chu kỳ sao cho hợp lý, nhằm tiết kiệm kinh phắ cho chủ đầu tư
và đảm bảo yếu tố kỹ thuật, công nghệ của phương án
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1] Phan Văn Hiến và nnk - Trắc địa công trình Ờ NXB Giao thông vận tải - 1999
[2] Trương Chắnh Lộc và nnk Ờ Trắc địa công trình Ờ NXB Đại học Vũ Hán Ờ 2005 (Tiếng Trung Quốc)
[3] è.ồ.ẽốủờúớợõ - Mồũợọốờà óồợọồỗốữồủờốừ ớàỏởỵọồớốộ ỗà ọồụợđỡàửốỮỡố ủợợđúổồớốộ - Íồọđà èợủờõà Ờ 1980
