Khảo sát phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do và ứng dụng trong xử lý số liệu quan trắc lún công trình pot

LUẬN VĂN Đề tài: “Khảo sát phương pháp bình sai lới trắc địa tự do vµ ứng dụng trong xử lý số liệu quan trắc lún công trình” Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Lơng Anh Tuấn - 1 - Lớp Trắc địa B-K48 mục lục Trang Mục lục 1 Mở đầu 2 Chơng 1 - quan trắc lún công trình 3 1.1 Những vấn đề chung về quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình 3 1.2 Quan trắc lún công trình 7 1.3 Thực trạng công tác quan trắc công trình ở nớc ta 20 Chơng 2 - khảo sát phơng pháp bình sai lới trắc địa tự do 22 2.1 Một số khái niệm về lới trắc địa tự do 22 2.2 Mô hình toán học của phơng pháp bình sai lới trắc địa tự do 23 2.3 Tính chất cơ bản của kết quả bình sai lới tự do 28 2.4 Vấn đề định vị hệ thống lới độ cao đo lún 30 Chơng 3 ứng dụng phơng pháp bình sai lới tự do để xử lý số liệu quan trắc lún công trình 32 3.1 Thuật toán 32 3.2 Sơ đồ khối và quy trình xử lý lới độ cao đo lún 35 3.3 Lập trình bình sai lới quan trắc độ lún 38 3.4 Chơng trình nguồn và tệp dữ liệu 41 3.5 Sử dụng chơng trình 49 3.6 Tính toán thực nghiệm 51 Kết luận 58 Tài liệu tham khảo 59 Phụ lục 1 60 Phụ lục 2 63 Phụ lục 3 66 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Lơng Anh Tuấn - 2 - Lớp Trắc địa B-K48 Mở đầu Đối với công tác quan trắc lún công trình, tính đúng đắn của quá trình lún công trình không những chỉ phụ thuộc vào độ chính xác quan trắc, mà còn chịu ảnh hởng rất lớn bởi phơng pháp xử lý số liệu. Tuy nhiên, phơng pháp xử lý số liệu quan trắc lún công trình trên thực tế cha đợc chú trọng đúng mức. Vì vậy, việc nghiên cứu đề ra biện pháp và quy trình xử lý số liệu quan trắc lún công trình một cách hợp lý, phù hợp với đặc điểm và bản chất của lới quan trắc biến dạng là vấn đề rất thời sự và rất cần thiết. Lới trắc địa công trình nói chung và lới quan chuyển dịch công trình nói riêng đợc xây dựng theo quy trình và chỉ tiêu kỹ thuật riêng nhằm giải quyết các nhiệm vụ đa dạng của chuyên nghành. Do đó nó không giống nh lới đo vẽ bản đồ, mà nó tính đặc thù cao, nh đòi hỏi rất cao về độ chính xác, hệ thống điểm gốc khởi tính không ổn định Với các đặc thù của lới trắc địa công trình nêu trên nó đòi hỏi phải có kỹ thuật xử lý số liệu riêng phù hợp với đặc điểm và bản chất của lới. Nhận thấy tầm quan trọng của công tác xử lý số liệu quan trắc lún công trình, trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp khoá học, em đã chọn và nghiên cứu đề tài với nội dung: Khảo sát phơng pháp bình sai lới trắc địa tự do và ứng dụng trong xử lý số liệu quan trắc lún công trình . Nội dung đồ án đợc em trình bày trong 3 chơng: Chơng 1: Quan trắc lún công trình Chơng 2: Khảo sát phơng pháp bình sai lới trắc địa tự do. Chơng 3: ứng dụng phơng pháp bình sai lới trắc địa tự do để xử lý số liệu quan trắc lún công trình. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS. NGUYễN QUANG PHúC trong suốt quá trình em làm đồ án. Do thời gian và chuyên môn có hạn nên trong đồ án này không tránh khỏi những khiếm khuyết. Em rất mong nhận đợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp đề đồ án đợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Lơng Anh Tuấn - 3 - Lớp Trắc địa B-K48 Chơng 1 QUAN TRắC LúN CÔNG TRìNH 1.1. NHữNG VấN Đề chung Về quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình 1.1.1. Hiện tợng chuyển dịch và biến dạng công trình a. Hiện tợng chuyển dịch Là sự thay đổi vị trí của công trình trong không gian và theo thời gian so với vị trí ban đầu của nó. Có thể chia chuyển dịch công trình thành hai loại: - Chuyển dịch thẳng đứng: là sự thay đổi vị trí của công trình theo phơng dây dọi. Chuyển dịch theo hớng xuống dới gọi là lún. Chuyển dịch theo hớng lên trên gọi là trồi. - Chuyển dịch ngang: là sự thay vị trí của công trình trong mặt phẳng nằm ngang. Chuyển dịch ngang có thể theo một hớng bất kỳ hoặc theo một hớng xác định (hớng áp lực lớn nhất). b. Hiện tợng biến dạng Là sự thay đổi hình dạng và kích thớc của công trình trong không gian và theo thời gian. Biến dạng là hậu quả tất yếu của sự chuyển dịch không đều của công trình và các biểu hiện thờng gặp là sự: cong, vênh, vặn xoắn, các vết rạn nứt 1.1.2. Nguyên nhân gây nên chuyển dịch và biến dạng công trình Có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện tợng chuyển dịch và biến dạng công trình, nhng quy nạp lại thì có hai nhóm nguyên nhân chính. Cụ thể: a. Nhóm nguyên nhân liên quan đến các điều kiện tự nhiên Nhóm nguyên nhân này gây ra do : Tính chất cơ lý của các lớp đất đá dới nền móng của công trình, ảnh hởng của các yếu tố khí tợng (nh nhiệt độ, độ ẩm, hớng chiếu sáng ), sự thay đổi chế độ nớc mặt, nớc ngầm ngoài ra sự vận động nội sinh trong lòng trái đất cũng gây nên chuyển dịch và biến dạng của công trình (tuy nhiên mức độ chuyển dịch do nguyên nhân này gây ra thờng rất bé). Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Lơng Anh Tuấn - 4 - Lớp Trắc địa B-K48 b. Nhóm nguyên nhân có liên quan đến quá trình xây dựng và vận hành công trình Trong quá trình xây dựng và vận hành công trình do sự gia tăng tải trọng của công trình, do những sai sót trong quá trình khảo sát địa chất công trình, do việc khai thác nớc ngầm gây nên hiện tợng sụt lún dới lòng đất hoặc có thể là việc xây dựng các công trình ngầm, các công trình xây chen .đã gây nên chuyển dịch và biến dạng công trình. 1.1.3. Công tác quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình a. Mục đích quan trắc Công tác quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình cần đợc tiến hành theo phơng án kỹ thuật nhằm đạt đợc các mục đích sau: - Thứ nhất là xác định các giá trị độ lún, độ chuyển dịch tuyệt đối và tơng đối của nền nhà và công trình so với các giá trị tính toán theo thiết kế của chúng. Từ đó tìm ra những nguyên nhân gây ra lún, chuyển dịch và mức độ nguy hiểm của chúng đối với quá trình làm việc bình thờng của nhà và công trình trên cơ sở đó đa ra các giải pháp nhù hợp nhằm phòng ngà các sự cố có thể xảy ra; - Thứ hai là xác định các thông số đặc trng cần thiết về độ ổn định của nền và công trình, làm chính xác thêm các số liệu đặc trng cho tính chất cơ lý của nền đất; Dùng làm số liệu kiểm tra các phơng pháp tính toán, xác định các giá trị độ lún, độ chuyển dịch giới hạn cho phép đối với các loại nền đất và các công trình khác nhau. b. Nguyên tắc thực hiện công tác quan trắc Công tác quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình đợc tiến hành theo 4 nguyên tắc sau: - Việc quan trắc chuyển dịch biến dạng phải đợc thực hiện theo nhiều thời điểm, mỗi thời điểm đợc gọi là một chu kỳ. Chu kỳ đầu đợc gọi là chu kỳ 0. - Chuyển dịch biến dạng công trình đợc so sánh tơng đối với một đối tợng khác đợc xem là ổn định. - Chuyển dịch biến dạng công trình thờng có trị số nhỏ vì vậy phải có Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Lơng Anh Tuấn - 5 - Lớp Trắc địa B-K48 phơng pháp và phơng tiễn có độ chính xác cao. - Cần phải có kỹ thuật xử lý riêng phù hợp với đặc điểm và bản chất của một mạng lới quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình. c. Yêu cầu độ chính xác quan trắc. Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch chính là độ chính xác cần thiết xác định chuyển dịch công trình, chỉ tiêu định lợng của đại lợng này phụ thuộc chủ yếu vào tính chất cơ lý đất đá dới nền móng, đặc điểm kết cấu và vận hành công trình. Yêu cầu độ chính xác có thể đợc xác định theo giá trị chuyển dịch dự báo (cho trong bản thiết kế) hoặc có thể đợc xác định theo các tiêu chuẩn xây dựng, vận hành công trình (quy định trong các tiêu chuẩn ngành). - Nếu theo độ chuyển dịch dự báo (cho trong bản thiết kế hoặc đợc xác định theo một số chu kỳ đã quan trắc), yêu cầu độ chính xác quan trắc sẽ đợc xác định theo công thức: 2 Q m Q Với Q m là yêu cầu độ chính xác quan trắc ở thời điểm t . Q là giá trị chuyển dịch dự báo giữa 2 chu kỳ quan trắc. là hệ số đặc trng cho độ tin cậy của kết quả quan trắc. Thờng chọn 3 và lúc này sẽ có Qm Q 17.0 . - Nếu yêu cầu độ chính xác quan trắc đợc xác định dựa vào quy mô của công trình và tính chất của nền đất dới móng công trình thì yêu cầu độ chính xác quan trắc đợc quy định theo bảng 1.1. Bảng 1.1 Độ chính xác quan trắc Loại công trình và nền móng Độ chính xác quan trắc(mm) Công trình xây dựng trên nền đá gốc và nửa đá gốc 1.0 Công trình trên nền sét nền chịu lực 3.0 Các loại đập đất, đá chịu lực cao 5.0 Các công trình xây dựng trên nền trợt 10.0 Các loại công trình bằng đất đắp 15.0 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Lơng Anh Tuấn - 6 - Lớp Trắc địa B-K48 d. Chu kỳ quan trắc Nhìn chung chu kỳ quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình đợc quy định phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Tùy thuộc vào loại công trình và tính chất của nền đất đá dới móng công trình - Tùy thuộc vào từng giai đoạn xây dựng và vận hành công trình. 1. Đối với quan trắc chuyển dịch thẳng đứng công trình Việc xác định thời gian đo (chu kỳ đo) chiếm một vai trò rất quan trọng. Theo kinh nghiệm khi quan trắc các công trình ngời ta chia làm 2 giai đoạn: - Quan trắc lún trong giai đoạn thi công; - Quan trắc lún khi công trình đa vào sử dụng; Giai đoạn thi công, quan trắc lún thờng đợc xác định theo tiến độ thi công và mức độ phức tạp của công trình. Để dễ dàng cho việc theo dõi, ngời ta đo theo tải trọng hoàn thành của quá trình xây dựng cụ thể là: - Công trình hoàn thành xong phần móng. - Công trình đạt tới 20% tải trọng. - Công trình đạt tới 50% tải trọng - Công trình đạt tới 75% tải trọng - Công trình đạt tới 100% tải trọng Đối với các công trình phức tạp, ngoài việc theo dõi chuyển dịch biến dạng của móng (khi hoàn thành xây xong phần móng) có thể cứ đạt 10% tải trọng thì cần phải quan trắc một lần. Tại mỗi lần quan trắc, kết quả so sánh với lần đo trớc gần đó và sau khi xem xét hiệu chênh lệch cao của hai lần đo kề nhau h (độ lún) là cơ sở để quyết định việc tăng dầy các lần đo hay cứ tiến hành đo theo tiến độ đã ấn định ngay từ đầu. - ở giai đoạn thứ hai khi công trình đ đa vào sử dụng. Việc phân định số lần đo phụ thuộc hoàn toàn vào yêu cầu độ chính xác đo lún của mỗi công trình nh đ trình bày ở trên. Nếu sai số cho phép đo và cấp chính xác càng nhỏ thì các chu kỳ (thời gian) cách nhau càng lớn ngợc lại sai số cho phép đo và độ chính xác càng lớn thì chu kỳ đo cách nhau càng ít hơn. Khi công trình Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Lơng Anh Tuấn - 7 - Lớp Trắc địa B-K48 có dấu hiệu biến dạng lớn thì chu kỳ đo với một số yêu cầu đặc biệt do ngời t vấn hoặc thiết kế quy định. Thời kỳ công trình đi vào ổn định (tốc độ chuyển dịch của công trình đạt đợc từ 1mm /năm 2mm/năm), thời kỳ này chu kỳ quan trắc có thể là 6 tháng hoăc 1 năm và có thể là 2 năm. 2. Đối với quan trắc chuyển dịch ngang công trình Thời gian thực hiện các chu kỳ quan trắc chuyển dịch đợc tiến hành dựa vào các yếu tố : - Loại nhà và công trình; - Loại nền đất xây dựng nhà và công trình; - Đặc điểm áp lực ngang; - Mức độ chuyển dịch ngang; - Tiến độ thi công xây dựng công trình. Chu kỳ quan trắc đầu tiên đợc thực hiện ngay sau khi xây dựng móng công trình và trớc khi có áp lực ngang tác động đến công trình. Các chu kỳ tiếp theo đợc thực hiện tuỳ thuộc vào mức tăng hoặc giảm áp lực ngang tác động vào công trình hoặc có thể quan trắc 2 tháng 1 lần trong thời gian xây dựng công trình. Trong thời gian sử dụng công trình, số lợng chu kỳ quan trắc đợc tiến hành từ 1 2 chu kỳ trong một năm, vào những thời điểm mà điều kiện ngoại cảnh khác biệt nhất. Ngoài ra cần phải quan trắc bổ sung đối với các công trình có độ chuyển dịch ngang lớn, hoặc quan trắc bổ sung để tìm ra nguyên nhân gây nên sự cố công trình. 1.2. quan trắc lún công trình 1.2.1. Các phơng pháp quan trắc lún công trình a. Đo cao hình học Phơng pháp này dựa trên nguyên lý sử dụng tia ngắm nằm ngang xác định chênh cao giữa hai điểm (Hình 1.1). Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Lơng Anh Tuấn - 8 - Lớp Trắc địa B-K48 Hình 1.1. Trạm đo cao hình học Nếu máy thủy chuẩn đặt giữa khoảng A, B, ký hiệu (a), (b) là các số đọc tơng ứng trên mia sau (đặt tại A) và mia trớc (đặt tại B), khi đó chênh cao giữa hai điểm A, B đợc tính theo công thức: h AB = (a) (b) Việc quan trắc để xác định độ lún công trình phải đợc tiến hành theo một quy định đo cao hình học chính xác đặc biệt hay còn gọi là đo cao hình học tia ngắm ngắn. Những chỉ tiêu kỹ thuật của đo cao hình học tia ngắm ngắn đợc quy định ở bảng 1.3 Bảng 1.3 Chỉ tiêu kỹ thuật của thủy chuẩn hình học tia ngắm ngắn Chỉ tiêu Hạng thủy chuẩn I II III Chiều dài tia ngắm (m) 25 25 40 Chiều cao tia ngắm (m) 0,8 0,5 0,3 Chênh lệch khoảng ngắm (m): - Trên 1 trạm - Trên toàn tuyến 0,4 2,0 1,0 4,0 2,0 5,0 Sai số khép cho phép (mm) n3,0 n0,1 n0,2 b. Đo cao thuỷ tĩnh Phơng pháp đo cao thủy tĩnh dựa trên nguyên lý bình thông nhau: Bề mặt chất lỏng trong các bình thông nhau luôn có vị trí nằm ngang (vuông góc phơng dây dọi) và có cùng một độ cao, không phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt cũng nh khối lợng chất lỏng trong các bình. [...]... Anh Tuấn - 17 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp 1.2.4 Kỹ thuật xử lý số liệu quan trắc lún công trình a Yêu cầu của công tác xử lý số liệu Công tác xử lý số liệu quan trắc lún công trình phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Trong tất cả các chu kỳ quan trắc cần phải tính toán bình sai lưới trong cùng một hệ thống độ cao đã chọn kể từ chu kỳ đầu tiên - Việc xử lý số liệu đo đạc phải được... tự do phù hợp với quy trình đã nêu để tự động hoá xử lý số liệu đo lún Vấn đề này sẽ được chúng tôi giải quyết trong chương sau Lương Anh Tuấn - 31 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Chương 3 xử lý số liệu quan trắc lún công trình theo phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do Trong chương 2 khi xem xét mô hình của bài toán bình sai tự do và những yêu cầu của việc định vị hệ thống lưới. .. Giải pháp bình sai lưới tự do bậc 0 và bình sai có tính đến ảnh hưởng sai số của số liệu gốc sẽ loại trừ được ảnh hưởng sai số của số liệu gốc Tuy nhiên đối với các mạng lưới quan trắc chuyển dịch thì lượng chênh do chuyển dịch của tập hợp số liệu gốc vẫn tồn tại trong kết quả bình sai 3 Trong bài toán bình sai lưới tự do, tập hợp số liệu gốc chỉ tham gia vào quá trình định vị, mà không tham gia vào... bài toán bình sai lưới tự do với các bài toán bình sai khác theo nguyên lý của phương pháp số bình phương nhỏ nhất, chúng ta có thể rút ra một số nhận xét sau: 1 Trong bài toán bình sai điều kiện cũng như bình sai gián tiếp với số liệu gốc, tập hợp số liệu gốc tham gia vào quá trình bình sai mạng lưới Kết quả bình sai vì thế chịu ảnh hưởng của sai số số liệu gốc và những chuyển dịch của các số liệu gốc... sai lưới tự do 2.2.1 Mô hình bài toán bình sai lưới tự do Chúng ta hãy xem xét mô hình bài toán bình sai lưới tự do trên cơ sở của phương pháp bình sai gián tiếp kèm điều kiện Giả sử một mạng lưới tự do được bình sai theo phương pháp bình sai gián tiếp: Hệ phương trình số hiệu chỉnh được xác định là: (2.1) V A X L Trong đó: V, L là vector số hiệu chỉnh và vector số hạng tự do A là ma trận hệ số X là... 7 Trong đồ an này đề lưới tự do được hiểu là lưới tự do có số khuyết d > 0 Xét về mặt chất lượng, nếu lưới trắc địa số liệu gốc có sai số vượt quá sai số đo thì mạng lưới cũng được coi là lưới tự do, trong trường hợp này số liệu gốc chỉ có tác dụng là cơ sở cho việc định vị lưới Lương Anh Tuấn - 22 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp 2.2 mô hình toán học của phương pháp bình sai lưới. .. chúng có bản chất là lưới tự do Giải pháp bình sai gián tiếp với số liệu gốc trong trường hợp này không còn phù hợp Vì vậy cần áp dụng thuật toán bình sai tự do cho dạng lưới này Vận dụng mô hình bình sai lưới tự do trong trường hợp xử lý lưới độ cao đo lún, vấn đề định vị được chúng tôi triển khai như sau: - Bình sai hỗn hợp cả hai cấp lưới với số khuyết d = 1 có tính đến trọng số của chúng - Điều... gia vào quá trình bình sai, vì vậy vector trị bình sai nhận được không chịu ảnh hưởng của sai số số liệu gốc và những chuyển dịch của cacsố liệu gốc Đây lại là một đặc điểm nữa rất quan trọng, cho thấy tính ưu việt của phương pháp bình sai tự do so với các phương pháp bình sai thông thường Đặc điểm này được chúng tôi khai thác ứng dụng trong vấn đề định vị hệ thống lưới độ cao đo lún công trình Lương... các kết quả bình sai không chịu ảnh hưởng sai số của số liệu gốc (sai số xác định số liệu gốc) và những chuyển dịch nếu có của các số liệu gốc b Nhiệm vụ của công tác xử lý số liệu Lưới độ cao đo lún công trình thực chất là một mạng lưới đo lặp ở nhiều thời điểm (mỗi thời điểm là một chu kỳ) Việc xử lý hệ thống lưới độ cao đo lún tại một thời điểm nào đó thực chất là định vị mạng lưới theo nhứng điểm... điểm lưới cơ sở ổn định đồng thời bình sai hệ thống lưới độ cao đo lún công trình Các thuật toán được xây dựng theo nội dung của phương pháp bình sai gián tiếp kèm điều kiện Chúng tôi sẽ sử dụng thuật toán bình sai tự do để bình sai hỗn hợp hai bậc lưới 3.1 thuật toán 1 Chọn ẩn số ẩn số được chọn là độ cao bình sai của tất cả các điểm trong lưới, bao gồm các điểm của lưới cơ sở và các điểm của lưới quan . chơng: Chơng 1: Quan trắc lún công trình Chơng 2: Khảo sát phơng pháp bình sai lới trắc địa tự do. Chơng 3: ứng dụng phơng pháp bình sai lới trắc địa tự do để xử lý số liệu quan trắc lún công trình. Em. Lớp Trắc địa B-K48 1.2.4. Kỹ thuật xử lý số liệu quan trắc lún công trình a. Yêu cầu của công tác xử lý số liệu Công tác xử lý số liệu quan trắc lún công trình phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Trong. đã chọn và nghiên cứu đề tài với nội dung: Khảo sát phơng pháp bình sai lới trắc địa tự do và ứng dụng trong xử lý số liệu quan trắc lún công trình . Nội dung đồ án đợc em trình bày trong 3 chơng: Chơng