Nghiên cứu phương pháp đo đạc và xử lý số liệu quan trắc lún công trình

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 hưởng rất lớn bởi phương pháp xử lý số liệu. Tuy nhiên, phương pháp xử lý số liệu quan trắc lún công trình trên thực tế chưa được 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 lưới quan trắc biến dạng là vấn đề rất thời sự và rất cần thiết trong công tác trắc địa hiện nay.

MỤC LỤC

Mục lục 1

Mở đầu 3

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC LÚN CÔNG TRÌNH 5

1.1 Những vấn đề chung về quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình 5

1.1.1 Khái niệm chuyển dịch biến dạng công trình 5

1.1.2 Nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình 5

1.1.3 Mục đích và nhiệm vụ quan trắc 6

1.1.4 Nguyên tắc chung thực hiện quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình 7

1.1.5 Yêu cầu độ chính xác và chu kỳ quan trắc 7

1.2 Quan trắc lún công trình 10

1.2.1 Khái niệm 10

1.2.2 Lưới khống chế quan trắc lún công trình 10

1.2.3 Kết cấu và phân bố mốc 11

1.2.4 Xác định độ chính xác của các bậclưới 15

1.2.5 Tiêu chuẩn ổn định của các mốc độ cao cơ sở trong đo lún công trình 17

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN CÔNG TRÌNH 19

2.1 Các phương pháp quan trắc lún công trình 19

2.1.1 Phương pháp đo cao hình học 19

2.1.2 Phương pháp đo cao thủy tĩnh 21

2.1.3 Phương pháp đo cao lượng giác 24

2.2 Xử lý số liệu quan trắc lún công trình 26

2.2.1 Yêu cầu và nhiệm vụ 26

2.2.2 Tìm hiểu về bình sai lưới tự do 26

2.2.3 Ứng dụng bình sai lưới tự do vào xử lý số liệu quan trắc lún 31

2.3 Tính các thông số chuyển dịch công trình 36

2.3.1 Độ lún tuyệt đối của các điểm 36

2.3.2 Độ lún trung bình của toàn công trình 36

2.3.3 Tốc độ lún của công trình 36

2.3.4 Độ lún lệch và độ nghiêng nền móng công trình theo hướng trục 36

2.3.5 Độ cong tuyệt đối và độ cong tương đối dọc theo trục công trình 37

2.4 Dự báo lún công trình 37

2.4.1 Khái niệm hàm xấp xỉ 37

2.4.2 Các phương pháp dự báo lún công trình 39

Chương 3: THÀNH LẬP CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN VÀ TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM 44

3.1 Thành lập chương trình 44

3.2 Tính toán thực nghiệm 46

3.2.1 Xử lý số liệu quan trắc lún 46

3.2.2 Tính các thông số chuyển dịch công trình 50

3.3.3 Dự báo lún công trình 51

Kết luận 53

Tài liệu tham khảo 54

Phụ lục 1 55

Phụ lục 2 56

Phụ lục 3 59

Phụ lục 4 61

MỞ ĐẦU

Đối với công tác quan trắc lún công trình, tính đúng đắn của quá trình lúncông trình không những chỉ phụ thuộc vào độ chính xác quan trắc, mà cònchịu ảnh hưởng rất lớn bởi phương pháp xử lý số liệu Tuy nhiên, phươngpháp xử lý số liệu quan trắc lún công trình trên thực tế chưa được chú trọngđúng mức Vì vậy, việc nghiên cứu đề ra biện pháp và quy trình xử lý số liệuquan trắc lún công trình một cách hợp lý, phù hợp với đặc điểm và bản chấtcủa lưới quan trắc biến dạng là vấn đề rất thời sự và rất cần thiết trong côngtác trắc địa hiện nay

Lưới trắc địa công trình nói chung và lưới quan chuyển dịch công trìnhnói riêng được xây dựng theo quy trình và chỉ tiêu kỹ thuật riêng nhằm giảiquyết các nhiệm vụ đa dạng của chuyên nghành Do đó nó không giống nhưlưới đo vẽ bản đồ, mà nó tính đặc thù cao, như đòi hỏi rất cao về độ chính xác,

hệ thống điểm gốc khởi tính không ổn định… Với các đặc thù của lưới trắcđịa công trình nêu trên nó đòi hỏi phải có kỹ thuật xử lý số liệu riêng phù hợpvới đặc điểm và bản chất của lưới

Nhận thấy tầm quan trọng của công tác xử lý số liệu quan trắc lún côngtrình, trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp khoá học, em đã chọn và nghiên

cứu đề tài với nội dung: “Nghiên cứu phương pháp đo đạc và xử lý số liệu

quan trắc lún công trình”

Nội dung đồ án được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về quan trắc lún công trình

Chương 2: Phương pháp đo đạc và xử lý số liệu lún công trình

Chương 3: Thiết kế chương trình và tính toán thực nghiệm lún công trình

Do thời gian và chuyên môn có hạn nên trong đồ án này không tránhkhỏi những khiếm khuyết Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến củacác thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quang Phúc cùng các thầy,

cô trong bộ môn Trắc địa công trình nói riêng và các thầy, cô trong khoa Trắcđịa đã giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này

Hà Nội, ngày 1 tháng 6 năm 2012

Sinh viên thực hiệnLưu Văn Quản

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC LÚN CÔNG TRÌNH

1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CHUYỂN DỊCH VÀ BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH

1.1.1 Khái niệm chuyển dịch biến dạng công trình

Chuyển dịch công trình 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 dịchcông trình thành hai loại:

- Chuyển dịch thẳng đứng: là sự thay đổi vị trí của công trình theophương dây dọi Chuyển dịch theo hướng xuống dưới gọi là lún Chuyển dịchtheo hướng lên trên gọi là trồi

- Chuyển dịch ngang: là sự thay vị trí của công trình trong mặt phẳngnằm ngang Chuyển dịch ngang có thể theo một hướng xác định (hướng áp lựclớn nhất) hoặc theo hướng bất kỳ

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

trình so với trạng thái ban đầu của nó Biến dạng công trình là hậu quả của sựchuyển dịch không đều của công trình.Các dạng biểu hiện thường gặp là sựcong vênh, vặn xoắn, các vết rạn nứt…

1.1.2 Nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình

Có nhiều nguyên nhân gây ra chuyển dịch và biến dạng công trình,song có thể quy nạp thành 2 nhóm nguyên nhân chính sau đây:

a 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 vàcác 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

b Nhóm nguyên nhân thứ hai: Liên quan đến quá trình xây dung 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 côngtrình do khai thác nước ngầm

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

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

- Sự sai lệch trong khảo sát địa chất công trình, địa chất thủy văn

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

1.1.3 Mục đích và nhiệm vụ quan trắc

Mục đích: Xác định mức độ chuyển dịch biến dạng, nghiên cứu tìm ra

nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng, từ đó có biện pháp xử lý, đề phòngcác tai biến có thể xảy ra trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình:

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

- Sử dụng các kết quả quan trắc để kiểm tra các tính toán trong giaiđoạn thiết kế công trình

- Xác định các loại biến dạng có khả năng ảnh hưởng đến quá trình vậnhành công trình để đề ra chế độ sử dụng và khai thác hợp lý

Nhiệm vụ quan trắc:

- Quán triệt nhiệm vụ quan trắc

- Xác lập độ chính xác quan trắc phù hợp với loại công trình và nền móng

- Chọn vị trí phân bố các mốc khống chế cơ sở và các mốc quan trắc

- Thiết kế sơ đồ đo của lưới cơ sở và lưới quan trắc

- Ước tính độ chính xác đo đạc

- Lựa chọn các phương pháp và phương tiện đo hợp lý

- Đo đạc ngoại nghiệp

- Thiết kế phương án xử lý số liệu

- Lập báo cáo và giao nộp thành quả

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

Công tác quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình được tiến hànhtheo 4 nguyên tắc sau:

- Việc quan trắc chuyển dịch biến dạng phải được thực hiện theo nhiều thời

điểm, mỗi thời điểm được gọi là một chu kỳ Chu kỳ đầu được gọi là chu kỳ “0”

- Chuyển dịch biến dạng công trình được so sánh tương đối với một đốitượng khác được xem là ổn định

- Chuyển dịch biến dạng công trình thường có trị số nhỏ vì vậy phải cóphương pháp và phương tiện có độ chính xác cao

- Cần phải có kỹ thuật xử lý riêng phù hợp với đặc điểm và bản chất của mộtmạng lưới quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình

1.1.5 Yêu cầu độ chính xác và chu kỳ quan trắc

1 Yêu cầu độ chính xác quan trắc

Xác lập hợp lý yêu cầu độ chính xác quan trắc mang ý nghĩa kỹ thuật.Nếu chuyển dịch của công trình diễn ra chậm chạp mà quan trắc với độ chínhxác thấp thì không phát hiện được chuyển dịch vì sai số đo có khi còn lớn hơn

cả giá trị chuyển dịch.ngược lại nếu chuyển dịch của công trình xẩy ra nhanhthì vẫn có thể phát hiện chuyển dịch ngay cả khi quan trắc với độ chính xácthấp Mâu thuẫn là ở chỗ, chỉ khi quan trắc được một số chu kỳ mới biết đượctốc độ chuyển dịch của công trình, từ đó có thể đề ra được độ chính xác quantrắc hợp lý Tuy nhiên, độ chính xác cần thiết quan trắc lại được đề ra ngaykhi lập đề cương quan trắc Vì vậy, cần đưa ra yêu cầu về độ chính xác quantrắc theo các căn cứ sau đây:

a Giai đoạn thi công

- Độ chính xác cần thiết quan trắc được quy định tùy thuộc vào loạicông trình và tính chất cơ lý của loại nền móng công trình

+ Đối với quan trắc lún

Loại công trình, nền móng Độ chính xác (mm)Công trình bê tông xây dựng trên nền đá cứng ± 1.0

Công trình bê tông xây dựng trên nền chịu nén ± (2.0-3.0)Công trình bê tông xây dựng trên nền đất yếu ± 5.0

+ Đối với quan trắc chuyển dịch ngang

Loại công trình, nền móng Độ chính xác (mm)

Công trình xây dựng trên nền chịu nén ± (2.0-3.0)

b Giai đoạn sử dụng và vận hành công trình

- Độ chính xác tùy thuộc vào mức độ chuyển dịch thực tế của côngtrình và được biểu diễn theo công thức:

m = t t: Hệ số đặc trưng (), t < 40 (phụ thuộc tính chất, đặc điểm công trình) : Khoảng chuyển dịch dự báo của công trình

2 Chu kỳ quan trắc

a Giai đoạn thi công

- Đối với quan trắc lún

+ Chu kỳ 0: Dược quan trắc khi các mốc đi vào ổn định, công trình đãxây xong tầng nền đầu tiên

+ Các chu kỳ tiếp theo được quan trắc tùy theo mức tăng tải trọng côngtrình, thường được chọn vào lúc công trình đã xây dựng đạt 25, 50,75

và 100 tải trọng

- Đối với quan trắc chuyển dịch ngang

+ Chu kỳ 0: Được quan trắc ngay sau khi công trình được xây dựngxong,các mốc đi vào ổn định và chưa có áp lực ngang tác động vào côngtrình

+ Chu kỳ 1: Được thực hiện ngay khi có áp lực ngang tác động đếncông trình

+ Các chu kỳ tiếp theo: Được thực hiện tùy theo mức tăng giảm áplực ngang lên công trình, nếu mức tăng giảm này vượt quá 25  áp lựctính toán

+ Đối với cá công trình có biến dạng tuần hoàn cần phải tiến hành quantrắc theo mùa

b Giai đoạn sử dụng và vận hành công trình

- Chu kỳ quan trắc được xác định dựa vào tốc độ chuyển dịch thực tếcông trình

- Mối quan hệ giữa các chu kỳ quan trắc, độ chính xác, tốc đọ chuyểndịch thực tế của công trình được biểu diễn theo công thức:

c Giai đoạn công trình đi vào ổn định

- Chu kỳ quan trắc có thể 6 tháng tới 1 năm hoặc dài hơn

- Nếu có những chuyển dịch biến dạng bất thường thì cần thiết tiếnhành các chu kỳ quan trắc bổ sung

1.2 QUAN TRẮC LÚN CÔNG TRÌNH

1.2.1 Khái niệm

Lún công trình là sự thay đổi vị trí độ cao của công trình theo thời gian

và được biểu diễn theo công thức nguyên lý sau đây:

Sj = Hj – Hj-1

Sj : Độ lún công trình tại thời điểm quan trắc j

H0, Hj-1, Hj lần lượt là độ cao công trình ở các thời điểm tương ứng

Quan trắc lún công trình là xác định sự thay đổi độ cao của các điểm

đặc trưng trên công trình

1.2.2 Lưới khống chế quan trắc lún công trình

1 Cấp lưới cơ sở: Bao gồm các mốc độ cao cơ sở hay còn gọi mốc độ

cao gốc Độ cao của các mốc cơ sở phải rất ổn định trong suốt quá trình quantrắc lún công trình, vì vậy chúng phải được bố trí nơi có điều kiện địa chất tốt,ngoài khu vực chịu ảnh hưởng lún và trong một số trường hợp cần có cấu tạođặc biệt Để có điều kiện phân tích, đánh giá độ ổn định của các mốc trongquá trình sử dụng cần phải bố trí ít nhất 3 điểm khống chế cơ sở Tùy theo đặcđiểm công trình và điều kiện thực tế của địa hình mà các mốc độ cao cơ sở cóthể phân bố dưới dạng cụm hoặc điểm

Hình 1.2

- Sơ đồ lưới khống chế cơ sở dạng điểm đơn

2 Cấp lưới quan trắc : Bao gồm các mốc kiểm tra được gắn trực tiếp

vào công trình và chuyển dịch cùng công trình Kết cấu và phân bố các mốckiểm tra tùy thuộc vào đặc điểm công trình và phương pháp đo đạc, nhưngphải đảm bảo thuận tiện cho quá trình quan trắc, có thể bảo quản lâu dài và ởnhững vị trí đặc trưng cho quá trình trồi lún công trình.Các mốc quan trắcđược liên kết với nhau bằng các chênh cao đo và cùng với các mốc cơ sở tạothành một mạng lưới độ cao độc lập,được đo lặp theo các chu kỳ

Tùy thuộc vào yêu cầu độ chính xác đo lún và điều kiện địa chất nềnxung quanh khu vực đối tượng quan trắc, mốc cơ sở dùng trong đo lún có thểđược thiết kế theo một trong ba loại là mốc chôn sâu, mốc chôn nông, mốcgắn tường hoặc gắn nền Xây dựng hệ thống mốc cơ sở có đủ ổn định cần

1 n

2

n 3

4 n

R p1

p2

R p4

p3 R

n 5

thiết trong quan trắc độ lún là công việc phức tạp có ý nghĩa quyết định đếnchất lượng và độ tin cậy của kết quả cuối cùng.

a Mốc chôn sâu

Mốc chôn sâu được đặt ở gần đối tượng quan trắc nhưng đáy mốc phảiđạt được độ sâu ở dưới giới hạn lún của lớp đất đá dưới nền công trình vàthường đến tầng đá gốc hoặc đất cứng ổn định Nói chung mốc chôn sâu đượcđặt trong lỗ khoan, thân mốc cách li với đất đá xung quanh và các kế cấu khác

để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi chiều dài (độ cao) củamốc Có hai loại mốc chôn sâu là mốc lõi đơn và mốc lõi kép

A A

3 1

4 2

b Mốc chôn nông

Trong thực tế để thành lập một hệ thống mốc quan trắc chỉ gồm toànmốc chôn sâu là một công việc hết sức khó khăn và đòi hỏi chi phí rất lớn.Cho nên người ta đã thiết kế một loại mốc đơn giản, chi phí để thành lập mốcthấp hơn phù hợp với yêu cầu quan trắc lún của hầu hết các công trình côngnghiệp và dân dụng gọi là mốc chôn nông Mốc chôn nông có đặc điểm là sự

ổn định về độ cao kém hơn mốc chôn sâu nhưng ta có thể sử dụng các phươngpháp phân tích độ ổn định của chúng theo tiêu chuẩn ổn định đối với mốckhống chế cơ sở Chính vì vậy mốc chôn nông đặt ngoài phạm vi lún côngtrình và bố trí thành từng cụm từ 3 mốc trở lên

1

2 3 4 5

Hình 1.5- Mốc chôn nông dạng ống

được gia công gồm hai phần: một ống trụ rỗng chôn cố định chìm trong tường

và bộ phận đầu đo rời có thể tháo lắp được

(b) (a)

Các mốc quan trắc được đặt ở những vị trí đặc trưng cho quá trình lúncủa công trình và phân bố đều khắp chu vi công trình Mốc được đặt ở những

vị trí tiếp giáp của các khối kết cấu, bên cạnh các khe lún, tại những nơi có áplực động lớn, những chỗ có điều kiện địa chất kém ổn định

Các mốc quan trắc nên bố trí ở gần cùng độ cao để thuận tiện cho côngtác đo đạc Số lượng và sơ đồ phân bố mốc quan trắc được thiết kế cho từngcông trình cụ thể và mật độ phải đủ để xác định được các tham số đặc trưngcho quá trình lún của công trình

Đối với một số dạng công trình, mốc quan trắc thường được bố trínhư sau:

- Với nhà lắp ghép, móng băng, mốc được bố trí ở các cột chịu lực, trênmỗi hướng của trục dọc, trục ngang nên có từ 3 mốc trở lên

- Đối với nhà gạch, móng băng, mốc được bố trí dọc theo tường, ởnhững chỗ giao nhau của tường dọc và tường ngang, khoảng cách giữa cácmốc từ 10 ¿ 15 m

- Đối với công trình nhà lắp ghép nhiều khối, móng rời, các mốc được

bố trí theo chu vi và theo các trục, khoảng cách giữa các mốc từ 6 ¿ 8m

- Đối với các công trình cao, móng băng liền khối thì các mốc bố trí

Hình 1.6 - Mốc gắn tường

(a)- Loại cố định (b)- Loại chìm

theo chu vi của công trình, theo các trục dọc, trục ngang sao cho đạt mật độ1mốc/100m2 diện tích mặt bằng công trình.

- Đối với các công trình xây dựng trên móng cọc, mốc được đặt bố trídọc theo các trục, khoảng cách giữa các mốc không quá 15m

- Đối với các công trình dạng tháp, cần bố trí không ít hơn 4 mốc quantrắc theo chu vi công trình

1.2.4 Xác định độ chính xác của các bậc lưới

Sai số tổng hợp các bậc lưới được xác định trên cơ sở yêu cầu độ chínhxác quan trắc lún Nếu yêu cầu đưa ra là sai số tuyệt đối độ lún thì việc xácđịnh sai số độ cao tổng hợp được thực hiện như sau :

Do độ lún được tính là hiệu độ cao của hai chu kỳ quan trắc theo côngthức (1.1) nên sai số trung phương độ lún (mS) được xác định theo công thức:

H j−1 là sai số trung phương xác định độ cao trong mỗi chukỳ

Các chu kỳ quan trắc thường được thiết kế với đồ hình và độ chính xác

đo tương đương nhau, nên có thể coi m

m2 = m2 + m2 (1.4)

mH I

√ 1+k2 =

√ 2( 1+k2) (1.6)

Đối với lưới quan trắc :

Nếu chỉ xây dựng một mạng lưới khống chế duy nhất cho việc quantrắc nhiều hạng mục công trình thì mạng lưới này phải thỏa mãn độ chính xáccao nhất trong số các hạng mục quan trắc

Sai số trung phương trọng số đơn vị trong mỗi cấp lưới :

- Đối với cấp lưới cơ sở: I = m H I

√Q I yn (1.8)

- Đối với cấp lưới quan trắc: II = m H II

√Q II yn (1.9)

Trong các công thức trên Q yn I và Q yn II là trọng số đảo độ cao điểm yếunhất của cấp lưới cơ sở và cấp lưới quan trắc, xác định được nhờ nghịch đảo

ma trận hệ số hệ phương trình chuẩn ẩn số

Sai số trung phương đo cao trên mỗi trạm máy của từng cấp lưới tínhtheo (1.8) và (1.9) là cơ sở để chọn máy móc thiết bị và chương trình đongắm thích hợp

1.2.5 Tiêu chuẩn ổn định của các mốc độ cao cơ sở trong đo lún công trình

Như chúng ta đã biết, lưới độ cao đo lún công trình là hệ thống lưới độclập hai cấp, trong đó các điểm độ cao cơ sở tại thời điểm xử lý lưới chưa hẳn

đã hoàn toàn ổn định: chúng có bản chất là lưới tự do Có nhiều phương phápxác định mức ổn định của các mốc độ cao cơ sở, một trong các phương pháp

đó là xác lập tiêu chuẩn ổn định các mốc cơ sở dựa trên độ chính xác cần thiếtquan trắc lún công trình Cụ thể phương pháp như sau:

(Những điểm có: |H i|  t m S I sẽ là những điểm không ổn định).

Với t là hệ số chuyển đổi từ giá trị trung phương sang giá trị giới hạn

- Lưới độ cao đo lún công trình là hệ thống lưới độc lập 2 cấp, trong đó cácđiểm độ cao cơ sở tại thời điểm xử lý lưới chưa hẳn đã hoàn toàn ổn định:chúng có bản chất là lưới tự do

- Giá trị giới hạn về sự ổn định của các mốc cơ sở được xác định xuất phát

từ độ chính xác cần thiết đo lún công trình

Chương 2

PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

QUAN TRẮC LÚN CÔNG TRÌNH

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC LÚN CÔNG TRÌNH

2.1.1 Phương pháp đo cao hình học

1 Nguyên tắc chung

Đo cao hình học dựa trên nguyên lý tia ngắm nằm ngang của máy thủychuẩn Để đạt được độ chính xác cao trong quan trắc lún công trình, chiều dàitia ngắm từ điểm đặt máy đến mia được hạn chế đáng kể (không vượt quá 25–30m),

do đó được gọi là phương pháp đo cao hình học tia ngắm ngắn

Có hai cách để xác định chênh cao giữa hai điểm là phương pháp đocao từ giữa và phương pháp đo cao phía trước

a Phương pháp đo cao từ giữa: đặt máy thủy chuẩn ở giữa hai điểm

AB, tại hai điểm A và B đặt hai mia, chênh cao giữa hai điểm A, B được xácđịnh theo công thức:

hAB = a – b (2.1)trong đó: a và b là số đọc chỉ giữa trên mia sau và mia trước

b Phương pháp đo cao thủy chuẩn phía trước: đặt máy thủy bình tại

một điểm, còn điểm kia ta đặt một mia, khi đó chênh cao giữa điểm đặt máy

và điểm đặt mia tính theo công thức:

hAB = i – l (2.2)trong đó: i là chiều cao đo được của máy, l là số đọc chỉ giữa trên mia

Hình 2.1 – Trạm đo cao hình học

2 Máy móc và dụng cụ đo

Thiết bị dùng trong đo lún là các loại máy thủy chuẩn chính xác như:H-05, Ni002, H1, H2, Ni004, Ni007 và các loại máy khác có độ chính xáctương đương Tùy thuộc vào yêu cầu độ chính xác cần thiết đối với từng côngtrình cụ thể để chọn máy đo thích hợp

Mia được sử dụng trong đo lún là mia invar thường hoặc mia invarchuyên dùng có kích thước ngắn (chiều dài mia từ 1.5m đến 2m), nếu là thủychuẩn số thì dùng mia invar với mã vạch Ngoài ra còn có các dụng cụ hỗ trợkhác như nhiệt kế, cóc mia, ô che nắng Trước và sau mỗi chu kỳ đo, máy vàmia phải được kiểm nghiệm theo đúng qui định trong qui phạm đo cao

3 Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu

Khi quan trắc lún bằng phương pháp đo cao thủy chuẩn hình học tiangắm ngắn cần phải tuân thủ theo các chỉ tiêu kỹ thuật sau :

1.04.0

2.05.0

4 Sai số khép cho phép (mm) ¿ 0.3 √ n ¿ 0.6 √ n ¿ 1.2 √ n

4 Các nguồn sai số chủ yếu ảnh hưởng tới kết quả đo

a Sai số do máy và mia

Sai số do trục ống ngắm và trục ống thủy dài khi chiếu lên mặt phẳngđứng không song song với nhau ( gọi là sai số góc i )

Sai số do lăng kính điều quang chuyển dịch không chính xác trên trụcquang học (sai số điều quang)

Để làm giảm ảnh hưởng của các sai số này ta dùng phương pháp đocao hình học từ giữa, tức là đặt máy thủy chuẩn giữa hai mia sao cho

chênh lệch khoảng cách từ máy đến mia trước và mia sau nằm trong giớihạn cho phép.

b Sai số do điều kiện ngoại cảnh

Do ảnh hưởng độ cong quả đất: để làm giảm ảnh hưởng của sai số nàythì khi đo cần chọn vị trí đặt máy sao cho chênh lệch khoảng cách từ máy đếnhai mia (trước và sau) nằm trong giới hạn đã được quy định

Do ảnh hưởng của chiết quang: để làm giảm ảnh hưởng của sai số nàycần chọn thời điểm đo thích hợp và bố trí trạm đo sao cho tia ngắm không điqua lớp không khí ở sát mặt đất

c Sai số do người đo

Nhóm sai số liên quan đến người đo gồm có: sai số làm trùng bọt thủydài và sai số đọc số trên bộ đo cực nhỏ, các sai số này được giảm đáng kể khi

sử dụng máy có bộ tự cân bằng và máy thủy chuẩn điện tử

2.1.2 Phương pháp đo cao thủy tĩnh

1.Đo cao thủy tĩnh

Phương pháp đo cao thủy tĩnh được áp dụng để quan trắc lún củanền kết cấu xây dựng trong điều kiện rất chật hẹp không thể dựng máy,dựng mia được

Đo cao thủy tĩnh được dựa trên định luật thủy lực là “ Bề mặt chất lỏng trong các bình thông nhau luôn có vị trí nằm ngang ( vuông góc phương dây dọi ) và có cùng một độ cao, không phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt cũng như khối lượng chất lỏng trong bình”.

Dụng cụ đo thủy tĩnh là một hệ thống gồm ít nhất 2 bình thông nhau

N1, N2(hình 2.3) Để đo chênh cao giữa 2 điểm A, B đặt bình N1 tại A, bình

N2 tại B (đo thuận ) Hoặc ngược lại, khi đo đảo đặt bình N1 tại B, bình N2 tại

A (đo nghịch)

hA

s1, t1: số đọc trên thanh số tại các bình N1, N2 tương ứng

d1, d2: khoảng cách từ vạch “ 0 ” của thanh số đến mặt phẳng đáy của bình

Từ (2.3) ta có :

hAB=( t1− s1)+( d1− d2) (2.4)

Tương tự, khi đo đảo chênh cao được tính theo công thức:

hAB=( t2− s2)−( d1− d2)(2.5)

Hiệu (d1−d2) được gọi là sai số MO của máy, khi chế tạo cố gắnglàm cho MO có giá trị tuyệt đối nhỏ nhất ( MO → 0 ) Lần lượt lấy tổng vàhiệu các công thức (a), (b) sẽ xác định được chênh cao theo kết quả 2 chiềuđo:

(a)- Vị trí đo thuận (b)- Vị trí đo đảo Hình 2.3- Sơ đồ máy đo cao thủy chuẩn thuỷ tĩnh

2 Độ chính xác đo cao thủy tĩnh

Từ (2.6) sẽ xác định được sai số trung phương của chênh cao theo công thức:

Các nguồn sai số chủ yếu ảnh hưởng đến độ chính xác đo cao thủy tĩnh

là các sai số do điều kiện ngoại cảnh Vì vậy trong quá trình đo phải áp dụngcác biện pháp sau để giảm ảnh hưởng của sai số này

- Sự khác biệt tỷ trọng chất lỏng trong các bình và ảnh hưởng của hiệntượng mao dẫn: nguồn sai số này sẽ được giảm thiểu nếu tăng đường kính củabình và chỉ thực hiện đo sau khi đã đặt máy khoảng 2  3 phút để tránh daođộng của chất lỏng trong bình

- Sai số do tiếp xúc đầu đo với bề mặt chất lỏng: khi di chuyển đầu đovới tốc độ chậm thì sai số này nằm trong khoảng 1  2 m

- Ảnh hưởng biến thiên của nhiệt độ, áp suất: đây là nguồn có ảnhhưởng lớn nhất đến độ chính xác đo cao thủy tĩnh, vì vậy khi tổ chức thựchiện công việc ở ngoại nghiệp cần phải chọn tuyến và thời điểm đo có nhiệt

độ, áp suất ổn định

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy độ chính xác của phương pháp đocao thủy tĩnh cao hơn so với phương pháp đo cao hình học, với sai số trungphương xác định chênh cao trên một trạm đo có thể đạt đến giá trị 0.02 0.03 mm Ngoài các hệ thống thủy tĩnh cố định còn cho phép tự động hóahoàn toàn quá trình đo chênh cao giữa các điểm quan trắc Vì vậy, phươngpháp này được sử dụng để quan trắc lún nền và các kết cấu xây dựng, nhữngnơi có môi trường độc hại, không thuận lợi cho việc tiếp xúc của con người.

2.1.3 Phương pháp đo cao lượng giác

1 Đo cao lượng giác

Trong những điều kiện không thuận lợi hoặc kém hiệu quả đối với đocao hình học và yêu cầu độ chính xác đo lún không cao thì có thể áp dụngphương pháp đo cao lượng giác tia ngắm ngắn ( chiều dài tia ngắm không quá100m) Hiện nay để đo cao lượng giác thường dùng các loại máy toàn đạcđiện tử chính xác cao như TC-2002, TC-2003, Geodimeter…

Để xác định chênh cao giữa các điểm, đặt máy kinh vĩ (A) và ngắmđiểm (B), cần phải đo các đại lượng là khoảng cách ngang D, góc thiên đỉnh Z(hoặc góc đứng V) chiều cao máy (i) và chiều cao tiêu (l) ký hiệu ở hình 2.4

Chênh cao giữa 2 điểm A và B được xác định theo công thức :

Hình2.4 - Đo cao lượng

giác

h AB=D ctgZ +i−l+f

(2.8) Hoặc hAB= D tgV +i−l+f (2.9)

Trong đó: f là số hiệu chỉnh độ cao do chiết quang đứng của trái đất theo côngthức gần đúng:

f = 1−k

2R D

2

(2.10)

Trong đó: R- bán kính trung bình của trái đất (R =6372Km)

Các nguồn sai số trong đo cao lượng giác:

- Sai số đo góc thiên đỉnh mz (hoặc sai số đo góc đứng mv)

- Sai số đo chiều dài mD

- Sai số đo chiều cao máy mi

- Sai số đo chiều cao tiêu ml

- Sai số do chiết quang đứng mf

Nguồn sai số chủ yếu ảnh hưởng đến kết quả đo cao lượng giác là sai

số chiết quang đứng Để hạn chế ảnh hưởng của nguồn sai số này đến kết quả

đo cần chọn thời gian đo thích hợp hoặc đo từ 2 ¿ 3 lần ở những thời điểmkhác nhau trong ngày và lấy trị trung bình hoặc tính số hiệu chỉnh cho chiếtquang đứng cho kết quả đo

Nhận xét: Trong đo lún công trình thì phương pháp đo cao lượng giác

không đảm bảo độ chính xác, còn phương pháp đo cao thủy tĩnh quá phức tạpnên người ta sử dụng phổ biến phương pháp đo cao hình học vì phương phápnày cho độ chính xác cao lại đo đạc thuận lợi

2.2 XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN CÔNG TRÌNH

2.2.1 Yêu cầu và nhiệm vụ

1 Yêu cầu

- Trong tất cả các chu kỳ quan trắc cần phải tính toán bình sai lưới trong

cùng một hệ thống độ cao đã được xác lập ngay từ chu kỳ đầu

- Về xử lý số liệu phải được thực hiện sao cho kết quả tính toán bình saikhông chị ảnh hưởng sai số của số liệu gốc và những chuyển dịch nếu có củacác số liệu gốc

có hệ thống các điểm gốc có thể không ổn định chúng có bản chất là lưới tựdo.Vì vậy việc xử lý hệ thống lún bao gồm hai nhiệm vụ:

- Phân tích hệ thống lưới độ cao cơ sở, tìm ra những điểm độ cao gốc ổnđịnh và hiệu chỉnh vào những mốc kém ổn định tại thời điểm xử lý lưới

-Bình sai lưới quan trắc, xác định các thông số chuyển dịch biến dạngcông trình

2.2.2 Tìm hiểu về bình sai lưới tự do

1 Khái niệm

Lưới tự do là lưới thiếu số liệu gốc tối thiểu cần thiết cho việc định vịmạng lưới đó

Mỗi dạng lưới có một tập hợp số liệu gốc tối thiểu riêng biệt, cụ thể là:Lưới độ cao có số liệu gốc tối thiểu là độ cao của một điểm gốc, lưới mặtbằng có số liệu gốc tối thiểu là: một cặp tọa độ (X, Y), một góc phương vị,một cạnh đáy ( số lượng gốc tối thiểu trong lưới mặt bằng là 4 )

Số lượng các yếu tố gốc còn thiếu trong tất cả các mạng lưới được gọi

là số khuyết của lưới và được kí hiệu bằng d, còn bản than lưới được gọi làlưới tự do bậc d

Nếu lưới trắc địa có thừa yếu tố gốc tối thiểu thì được gọi là lưới trắcđịa phụ thuộc Như vậy sẽ có trường hợp đặc biệt khi trong lưới có vừa đủ yếu

tố gốc tối thiểu, trong lý thuyết bình sai dạng lưới như vậy được gọi là lưới tự

do bậc 0 (d=0)

Khi lưới trắc địa có số liệu gốc có sai số vượt quá sai số đo và nếu trongtính toán, số liệu gốc chỉ được sử dụng để định vị lưới thì mạng lưới đó cũngđược coi là lưới tự do Nếu trong bình sai lưới phụ thuộc, các điểm có số liệugốc được gọi là điểm gốc, thì trong bình sai lưới tự do các điểm đó được gọi

là điểm định vị

Bình sai lưới tự do là bình sai lưới trắc địa tự do theo phương phápgián tiếp với ẩn số cần xác định là độ cao hoặc tọa độ của tất cả các điểmtrong lưới

2 Mô hình toán học của bình sai lưới tự do

Giả sử một mạng lưới tự do được bình sai theo phương pháp gián tiếpvới ẩn số là tọa độ ( độ cao ) tất cả các điểm mốc trong lưới, khi đó:

+ Hệ phương trình số hiệu chỉnh được xác định là:

phương trình số hiệu chỉnh (2.15) có các cột phụ thuộc (số lượng cột phụthuộc bằng số khuyết trong lưới).

+ Khi chuyển từ hệ phương trình số hiệu chỉnh đến hệ phương trìnhchuẩn theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất sẽ thu được:

Hệ phương trình (2.17) phải thỏa mãn 2 điều kiện:

1 – Số lượng phương trình điều kiện bằng số khuyết trong mạng lưới

2 – Các hàng của ma trận CT phải độc lập tuyến tính với các hàng của

với T B(C T B)1

(2.21)trong (2.21) như chúng ta đã biết, C là ma trận hệ số của điều kiện bổ sung(2.17), còn B được gọi là ma trận hệ số của phép chuyển đổi toạ độ Helmert

3 Các tính chất cơ bản của bình sai lưới tự do

- Tính chất của vecto nghiệm

Các vector tọa độ bình sai trong lưới tự do ứng với những lựa chọn matrận C và các vector tọa độ gần đúng khác nhau đều có sự đồng dạng toán học

X2 = X1 + BZ (2.29)trong đó: X1, X2 – vecto tọa độ bình sai

B – ma trận chuyển đổi tọa độ phẳng Helmert; Z – vecto tham sốchuyển đổi

-Tính chất của vector trị bình sai của các đại lượng đo

Vector trị bình sai của các đại lượng đo là duy nhất, không phụthuộc vào sự lựa chọn ma trân định vị C cũng như lựa chọn vector tọa độgần đúng

-Vai trò của ma trận định vị

Nếu như trong bình sai lưới phụ thuộc kết quả tọa độ bình sai chỉ phụ thuộcvào số liệu tọa độ gốc và không phụ thuộc vào vecto tọa độ gần đúng của cácđiểm mới trong lưới, thì quy luật trên không đúng với trường hợp bình sailưới tự do

Xét mối quan hệ giữa hai vector tọa độ bình sai X1 và X2, ứng với các vector tọa độ gần đúng X1(0) và X2(0)

Đặt  = X2(0)−X(0)1 ta có:

X2 = X1 + TCT (2.30)Công thức (2.36) thể hiện rằng:

Vecto tọa độ bình sai trong lưới tự do phụ thuộc vào sự lựa chọn vector tọa độ gần đúng và ma trận C.

Giả sử: CT = (C1T C2T

¿,  = (1 2)Khi đó:

2.2.3 Ứng dụng bình sai lưới tự do vào xử lý số liệu quan trắc lún

Như đã trình bày ở trên việc xử lý hệ thống lún bao gồm hai nhiệm vụ:

- Phân tích hệ thống lưới độ cao cơ sở, tìm ra những điểm độ cao gốc

ổn định và hiệu chỉnh vào những mốc kém ổn định tại thời điểm xử lý lưới

-Bình sai lưới quan trắc, xác định các thông số chuyển dịch biến dạngcông trình

Việc giải quyết hai nhiệm vụ có thể như sau:

1 Hướng giải quyết một

Nội dung của hướng giải quyết này là: Phân tích độ ổn định của cácmốc cở sở trước rồi mới tiến hành bình sai lưới quan trắc

a Phân tích độ ổn định các mốc cơ sở

Việc phân tích độ ổn định mốc cơ sở được tiến hành dựa trên phươngpháp bình sai lưới tự do với các bước làm sau:

+ Chọn ẩn số là độ cao của các điểm cơ sở

+ Chọn trị gần đúng: độ cao bình sai của các mốc ở chu kỳ trước

+ Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh: V = A.X + L

+ Lập hệ phương trình chuẩn thường: R.X + b = 0

+ Chọn điều kiện bổ sung: CT.X = 0

Việc chọn điều kiện bổ sung là một quá trình lặp

+ Bình sai lưới cơ sở

+ Đánh giá độ chính xác

b Xử lý lưới quan trắc: Sau khi phân tích tìm ra điểm ổn định và hiệu

chỉnh vào những điểm kếm ổn định của lưới cơ sở, sẽ bình sai lưới quantrắc Lưới quan trắc được phát triển từ lưới cơ sở nên được bình sai nhưmột lưới phụ thuộc với số liệu gốc là độ cao bình sai của các điểm khốngchế cơ sở

2 Hướng giải quyết hai

Nhận thấy những ưu điểm của phương pháp bình sai lưới tự do ta ứngdụng nó để giải quyết đồng thời hai nhiệm vụ xử lý lưới lún: phân tích độ ổnđịnh các mốc cơ sở kết hợp luôn với bình sai lưới quan trắc