Khảo sát độ chính xác công nghệ GPS trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ_ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC Mở đầu: …………………………………………………………………3 Chương 1: Khái niệm chung về chuyển dịch và biến dạng công trình 1.1. Khái niệm quan trắc chuyển dịch ngang ………………………………… 4 1.2. Các phương pháp xác định chuyển dịch ngang công trình …………… ….7 1.3. Lưới khống chế trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình………… 18 1.4. Kết cấu mốc khống chế trong quan trắc chuyển dịch ngang …………… 21 Chương 2: Tổng quan về công nghệ GPS 2.1. Khái niệm công nghệ GPS…………………………………………………22 2.2. Nguyên lý hoạt động của GPS ………………………… ……………… 23 2.3. Các đại lượng đo và các nguồn sai số đo GPS ………………………… 26 2.4. Các phương pháp trong đo GPS ………………………………………… 32 Chương 3: Khảo sát độ chính xác của công nghệ GPS trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình 3.1. Chọn điểm và thiết kế đo GPS…………………………………………….36 3.1. Một số biện pháp nâng cao độ chính xác quan trắc chuyển dịch ngang công trình bằng công nghệ GPS………………………………………………… …45 3.2. Tổ chức đo đạc thực nghiệm………………………………………………49 KẾT LUẬN ……………………………………………………………… …60 PHỤ LỤC …………………………………………………………………… 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………… 92 SV: PHẠM TIẾN DŨNG 1 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ_ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa hoc kỹ thuật đặc biệt là sự ra đời của hệ thống định vị toàn cầu Global Positioning System có tên viêt tắt là GPS. Hệ thống này đã mang lại một diện mạo mới cho ngành trắc địa. Hiện nay sử dụng GPS trong trắc địa có những ưu điểm hơn hẳn với công nghệ đo đạc truyền thống. Đó là khả năng đo nhanh, độ chính xác cao và đo trong mọi điều kiện thời tiết, bất kỳ thời điểm trên phạm vi toàn cầu. Đối với Việt Nam, công nghệ GPS đã có mặt từ những năm 90 của thế kỉ trước, chủ yếu phục vụ xây dựng các mạng lưới quốc gia và các lưới cạnh dài phục vụ đo vẽ bản đồ, hoặc đo nối toạ độ từ đất liền đến các đảo xa, lưới địa chính cơ sở. Trong những năm gần đây, công nghệ GPS bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng trong một số lĩnh vực của trắc địa công trình. Để thấy rõ được ưu thế vượt trội của GPS so với công nghệ truyền thống tôi đã làm đồ án tốt nghiệp với đề tài sau: “Khảo sát độ chính xác công nghệ GPS trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình” Nội dung đồ án gồm 3 chương: Chương 1: Khái niệm chung về chuyển dịch và biến dạng công trình. Chương 2: Giới thiệu tổng quan về công nghệ GPS. Chương 3: Khảo sát khả năng ứng dụng của công nghệ GPS trong quan trắc dịch chuyển công trình. Trong quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp này, mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng trong việc tiếp thu sự hướng dẫn của thầy giáo và nghiên cứu tài liệu nhưng do thời gian và trình độ còn hạn chế nên đồ án chưa đề cập được một cách toàn diện, sâu sắc những yêu cầu mà đề tài đã đề ra và không thể tránh khỏi những sai sót. Em kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành của thầy, cô và các bạn đồng môn để đồ án tốt nghiệp của tôi được hoàn thiện hơn. SV: PHẠM TIẾN DŨNG 2 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ_ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Qua đây, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo TS. Trần Viết Tuấn cùng toàn thể các thầy, cô giáo khác trong khoa Trắc Địa đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành tốt bản đồ án này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày… tháng… năm… Sinh viên thực hiện Phạm Tiến Dũng SV: PHẠM TIẾN DŨNG 3 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ_ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CHUYỂN DỊCH VÀ BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH 1.1. KHÁI NIỆM QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG 1.1.1.Phân loại chuyển dịch biến dạng công trình 1. Chuyển dịch công trình Là sự thay đổi vị trí của công trình trong không gian so với vị trí ban đầu của công trình. Có thể chia chuyển dịch công trình thành hai loại: chuyển dịch thẳng đứng và chuyển dịch ngang. + Chuyển dịch thẳng đứng: là sự thay đổi vị trí của công trình theo phương dây dọi. Chuyển dịch theo 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 ký hiệu bằng chữ S. Giá trị S có thể mang dấu dương (+) nếu công trình bị trồi hoặc dấu âm (-) nếu công trình bị lún xuống. + Chuyển dịch ngang: là sự thay đổi vị trí công trình trong mặt phẳng nằm ngang theo thời gian. Ký hiệu Q là ký hiệu của chuyển dịch toàn phần có thể được phân tích theo hướng trục tọa độ qx, qy hay theo hướng bất kỳ q. 2. 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 của chuyển dịch không đều của công trình. Các biểu hiện biến dạng thường gặp là sự cong vênh, vặn xoắn, các vết rạn nứt. Chuyển dịch biến dạng công trình thường diễn ra rất phức tạp theo thời gian và được nghiên cứu bằng nhiều phương pháp khác nhau. Nội dung môn học SV: PHẠM TIẾN DŨNG 4 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ_ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP nghiên cứu quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình bằng phương pháp trắc địa. 1.1.2. Nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình Có nhiều nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình, song có thể quy nạp thành hai nhóm nguyên nhân chủ yếu sau: 1. Nhóm nguyên nhân thứ nhất: liên quan đến các yếu tố 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 thủy văn. + Sự co giãn của các lớp đất đá. + Sự thay đổi theo mùa của các chế độ thủy văn như nước mặt, nước ngầm. 2. Nhóm nguyên nhân thứ hai: liên quan đến quá trình xây dựng và vận hành công trình, bao gồm: + Sự gia 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 hoạt dộng xây chen. + Sự sai lệch trong khảo sát địa chất công trình và địa chất thủy văn. + Sự rung động của móng công trình do vận hành máy móc hoặc hoạt động của các phương tiện giao thông. + Do sự thiếu trung thực trong thi công xây dựng. 1.1.3. Mục đích và nhiệm vụ quan trắc 1. Mục đích + Quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình nhằm mục đích xác định mức độ chuyển dịch thực tế của công trình, nghiên cứu tìm ra nguyên nhân gây chuyển dịch biến dạng và trên cơ sở đó đề ra các biện pháp xử lý, để phòng và SV: PHẠM TIẾN DŨNG 5 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ_ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP chống lại các nguy cơ xẩy ra trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình, cụ thể là: + Xác định giá trị chuyển dịch và biến dạng tại thời điểm quan trắc để đánh giá mức độ ổn định của công trình. + Xác định các loại biến dạng có khả năng 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. + Các kết qủa quan trắc cho phép kiểm tra, tính toán, thiết kế công trình. 2. Nhiệm vụ + Khái quát công trình, tìm hiểu các yếu tố xây dựng, vận hành công trình và các điều kiện tự nhiên liên quan có ảnh hưởng đến chuyển dịch và biến dạng công trình. + Lập sơ đồ phân bố các mốc khống chế và mốc quan trắc. + Thiết kế sơ đồ quan trắc.( xác lập mối quan hệ các điểm đo với lưới). + Xác định yêu cầu độ chính xác và chu kỳ quan trắc ở những giai đoạn khác nhau. + Lựa chọn phương pháp, phương tiện đo và đo đạc thực tế. + Thiết kế phương án xử lý số lieeujtinhs toán và xác định thông số chuyển dịch và biến dạng công trình. + Biên tập và giao nộp thành quả. 1.1.4. Nguyên tắc chung thực hiện quan trắc Việc quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình được thực hiện dựu trên các nguyên tắc sau đây: - Mục đích cuối cùng của bất kỳ phép đo đạc nào cũng là để xác định tọa độ không gian của điểm trong một hệ tọa độ nào đó. Quan trắc (monitoring) khác với đo đạc (surveying) ở chỗ ngoài việc xác định 3 tham số không gian của điểm còn phải xác định thêm tham số thời gian t. Điều đó có nghĩa là để xác định chuyển dịch biến dạng công trình cần đo đạc ở nhiều thời điểm, so sánh tìm ra SV: PHẠM TIẾN DŨNG 6 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ_ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP chuyển dịch. mỗi thời điểm đo đạc như vậy gọi là một chu kỳ và chu kỳ đầu tiên gọi là chu kỳ 0. - Chuyển dịch và biến dạng công trình được so sánh tương đối so với một “ đối tượng ” khác được coi là ổn định (mốc khống chế ổn định hoặc công trình liền kề ổn định ). - Trên thực tế chuyển dịch và biến dạng công trình thường xem là có trị số nhỏ và diễn ra chậm chạp theo thời gian. Vì vậy, để xác định chuyển dịch biến dạng cần phải sử dụng phương pháp và phương tiện độ chính xác cao để tiến hành quan trắc. - Trong mỗi chu kỳ quan trắc, việc tính toán bình sai lưới phải được thực hiện trong cùng một hệ thống tọa độ hoặc độ cao đã chọn ngay từ chu kỳ đầu tiên. Chỉ bình sai lưới quan trắc trong hệ thống các điểm cơ sở ổn định sau khi đã tiến hành phân tích đánh giá độ ổn định các điểm lưới khống chế cơ sở. Ngoài ra cần phải có kỹ thuật xử lý và tính toán phù hợp để xử lý các số liệu quan trắc. 1.2.CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH. 1.2.1. Quan trắc chuyển dịch ngang bằng phương pháp hướng chuẩn 1. Hướng chuẩn và độ lệch hướng d d Hình 1.1- Khái niệm về hướng chuẩn SV: PHẠM TIẾN DŨNG 7 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ_ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Hướng chuẩn: là hướng tạo nên bởi một mặt phẳng thẳng đứng đi qua hai điểm cố định. Trong đó AB là hướng chuẩn. A, B là điểm chuẩn nên có yêu cầu ổn định cao và tùy thuộc theo cách thức tạo lập hướng chuẩn ta có thể có các loại hướng chuẩn khác nhau. - Độ lệch hướng chuẩn: là khoảng cách từ điểm kiểm tra i (i= 1÷n) tới hướng chuẩn (mặt phẳng thẳng đứng). Ví dụ trên hình 1.1 điểm 1 có độ lệch hướng , độ lệch hướng điểm 2 là . Theo quy ước độ lệch hướng bên phải mặt phẳng P mang dấu âm (-), lệch bên trái mang dấu dương (+). Công tác trắc địa thực hiện với mục đích xác định độ lệch hướng của các điểm quan trắc so với mặt phẳng thẳng đứng qua 2 điểm cơ sở được gọi là đo hướng chuẩn. Thực tế phương pháp hướng chuẩn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực trắc địa công trình: trong định vị công trình, trong đo vẽ hoàn công, trong đo chuyển dịch ngang các công trình dạng thẳng. 2. Phương pháp thành lập hướng chuẩn Phụ thuộc vào phương tiện thành lập, hướng chuẩn được chia thành 3 loại: 1- Hướng chuẩn cơ học, được xác định bằng cách căng dây qua 2 điểm cố định. 2- Hướng chuẩn quang học được tạo bởi tia ngắm từ điểm đặt máy đến điểm đặt tiêu. 3- Hướng chuẩn lade tạo bởi trục của chùm tia sáng lade từ điểm đặt máy đến điểm đặt tiêu. 3. Phương pháp đo độ lệch hướng Trong phương pháp hướng chuẩn quang học có hai cách đo độ lệch hướng là phương pháp góc nhỏ và phướng pháp dung bảng ngắm di động. a) Phương pháp góc nhỏ SV: PHẠM TIẾN DŨNG 8 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ_ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Để đo độ lệch hướng của điểm i so với hướng chuẩn AB, tại điểm A đặt máy kinh vĩ, tại điểm B và điểm quan trắc i đặt bảng ngắm. Đo góc và khoảng cách ngang S (hình 1.2) d ß B A S i Hình 1.2- Đo độ lệch hướng Độ lệch hướng của điểm i tính theo công thức: ( 1.1 ) Vì là góc nhỏ nên có thể viết: ( 1.2 ) Từ công thức ( 1.2 ) tính được sai số trung phương độ lệch hướng: 22222 )()( ρρ β β δ m Smm s += ( 1.3 ) Do góc nhỏ nên số hạng thứ nhất bên vế phải của công thức (1.3) có thể bỏ qua, như vậy sai số trung phương độ lệch hướng được tính như sau: ρ β δ m Sm .= ( 1.4 ) Cần chú ý rằng, góc nhỏ là góc có thể đo được mà không cần mở ốc hãm vành độ ngang, đối với các loại máy kinh vĩ, máy toàn đạc điện tử chính xác, giá SV: PHẠM TIẾN DŨNG 9 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ_ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP trị góc này nằm trong khoảng từ 2 6 0 . Có thể đạt độ chính xác cao khi đo góc nhỏ do một số nguồn sai số được giảm đến mức tối đa như sai số do trôi bàn độ ngang, sai số khắc vạch bàn độ, sai số chiết quang ngang. Ngoài ra đối với các đồ hình góc nhỏ thì ảnh của sai số đo chiều dài (công thức 1.3 ) là không đáng kể có thể bỏ qua. Trong mỗi chu kỳ quan trắc chỉ cần đo góc ngang , còn khoảng cách Si có thể đo một lần ở chu kỳ đầu tiên và được sử dụng cho tất cả các chu kỳ sau. b) Phương pháp bảng ngắm di động Bảng ngắm di động (hình 1.3) là thiết bị chuyên dụng, gồm có bảng ngắm (1) được đặt và có khả năng trượt trên thước khắc vạch (2), vạch khắc mm bắt đầu từ “0” ở giữa, được đánh số tăng (giảm) dần về bên phải (trái) của thước. Thước khắc vạch được đặt cố định lên đế (3). 1 2 3 Hình 1.3- Bảng ngắm di động Khi đi, đặt máy tại A, đặt bảng ngắm cố định tại B, thành lập hướng chuẩn A- B. Đặt bảng ngắm di động tại điểm quan trắc (N) sao cho thươc khắc vạch thẳng góc với hướng A- B. Dùng vít vi động điều chỉnh bảng ngắm cho đến khi tia ngắm đi qua tâm bảng ngắm. Độ lệch hướng được xác định là hiệu số đọc trên thước khắc vạch tại điểm quan trắc và số đọc ban đầu của thước (hình 1.4) SV: PHẠM TIẾN DŨNG 10 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52 [...]... 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 1.3.2 Nguyên tắc xây dựng lưới khống chế quan trắc chuyển dịch ngang công trình Như đã biết, chuyển dịch ngang công trình được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ các điểm quan trắc gắn trên công trình ở 2 chu kỳ quan trắc khác nhau Như vậy để thực hiện quan trắc chuyển dịch. .. chính xác cao nên cần có nhiều biện pháp đảm bảo độ chính xác trong đo đạc, một trong những biện pháp đó là phải sử dụng các mốc có cấu tạo định tâm bắt buộc, nhằm loại bỏ sai số định tâm 1.3.3 Yêu cầu độ chính xác các bậc lưới (mQ) Cơ sở tính toán độ chính xác các bậc lưới trong quan trắc chuyển dịch công trình là yêu cầu độ chính xác xác định chuyển dịch ngang (mQ), thông thường giá trị mQ phụ thuộc... BẰNG TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH Mốc cơ sở được đặt ngoài phạm vi chuyển dịch ngang của công trình, tại những nơi điều kiện địa chất ổn định Trong mỗi chu kỳ quan trắc cần kiểm tra sự ổn định của các mốc cơ sở Nếu phát hiển thấy mốc cơ sở bị chuyển dịch thì phải thực hiện hiệu chỉnh vào kết quả đo của các mốc quan trắc Mốc quan trắc được gắn trên công trình tại những vị trí cần theo dõi chuyển dịch. .. từng loại công trình, đó là: Sơ đồ toàn hướng Sơ đồ phân đoạn Sơ đồ nhích dần Sơ đồ giao chéo Quan trắc chuyển dịch ngang bằng phương pháp hướng chuẩn thường dễ thực hiện và cho độ chính xác cao Với số lượng sơ đồ đo hướng chuẩn phong phú, có thể ứng dụng rộng rãi phương pháp này để quan trắc chuyển dịch ngang, phù hợp với điều kiện cụ thể của từng loại công trình 1.2.2 quan trắc chuyển dịch ngang bằng... từ một vệ tinh Kèm theo các máy thu GPS phục vụ công tác trắc địa là các phần mềm xử lý số liệu đo Các phần mềm này cũng được liên tục phát triển, ngày một hoàn hảo về chức năng và tính tiện dụng Trong trắc địa công trình và đặc biệt trong công tác quan trắc biến dạng công trình, vị trí tương hỗ giữa các điểm quan trắc trên công trình đòi hỏi xác định với độ chính xác cao, do vậy thường chỉ sử dụng... việc quan trắc bằn công nghệ truyền thống cũng như GPS - Hệ thống mốc loại 2 hay còn gọi là lới quan trắc bao gồm các mốc kiểm tra gắn trên công trình, bố trí đều trên công trình tại những nơi dự kiến chuyển dịch ngang xảy ra nhiều và thuận tiện cho quan trắc - hai cấp lưới này tạo ra một hệ thống lưới khống chế thống nhất và được đo đạc đồng thời trong mỗi chu kỳ Hai cấp lưới này có độ chính xác cao... để quan trắc chuyển dịch ngang của những công trình có dạng hình cung như các tuyến đường, hầm giao thông, tuyến đập dạng vòm.Trên mỗi tuyến quan trắc xây dựng1 đường chuyền qua các mốc gắn tại công trình, ở hai đầu được dựa trên 2 điểm khống chế cơ sở và đo nối ít nhất 2 phương vị gốc đo góc, cạnh trong tuyến đa giác bằng máy toàn đạc điện tử chính xác Tuyến đa giác để quan trắc chuyển dịch ngang công. .. chẽ, cho phép xác định tọa độ các điểm trong lưới với độ chính xác cao Tuy nhiên, do số lượng trị đo trong lưới tam giác thường lớn nên việc đo đạc trong mạng lưới cũng tốn nhiều thời gian, công sức và các chi phí khác Hình 1.7 nêu ví dụ về một mạng lưới tam giác để quan trắc chuyển dịch công trình Trong đó: A, B,…E là các điểm khống chế, đặt ngoài công trình SV: PHẠM TIẾN DŨNG 15 LỚP TRẮC ĐỊA A_K52... dịch Kết cấu mốc phải lựu 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 1.4.1 Kết cấu mốc trong quan trắc chuyển dịch công trình Trong quan trắc chuyển dịch ngang thường sử dụng loại mốc cột có kết cấu định tâm bắt buộc, loại mốc này cho phép thực hiện định tâm máy và tiêu ngắm với độ chính xác cao Tuy nhiên khi áp dụng các loại mốc trên cần... nền móng, đặc điểm kết cấu, chế độ vận hành công trình Do lưới quan trắc chuyển dịch công trình thường có yêu cầu rất chặt chẽ về độ chính xác, vì vậy khi ước tính cần phải áp dụng tiêu chuẩn sai số theo hướng để đặc trưng cho độ chính xác của bậc lưới quan trắc Sai số vị trí điểm theo hướng cho trước ( ) được tính theo công thức: mφ = µ E cos 2 Φ + F sin 2 Φ (1.19) Trong đó: E, F là các bán trục lớn . cấu mốc khống chế trong quan trắc chuyển dịch ngang …………… 21 Chương 2: Tổng quan về công nghệ GPS 2.1. Khái niệm công nghệ GPS ………………………………………………22 2.2. Nguyên lý hoạt động của GPS ………………………… ………………. các nguồn sai số đo GPS ………………………… 26 2.4. Các phương pháp trong đo GPS ………………………………………… 32 Chương 3: Khảo sát độ chính xác của công nghệ GPS trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình 3.1 trình 1.1. Khái niệm quan trắc chuyển dịch ngang ………………………………… 4 1.2. Các phương pháp xác định chuyển dịch ngang công trình …………… ….7 1.3. Lưới khống chế trong quan trắc chuyển dịch ngang công trình…………