Đang tải... (xem toàn văn)
Quy trình và thu ật toán xử lý số liệu tr ình bày trong bài báo có tính ch ặt chẽ, thuận tiện triển khai ứng dụng trong th ực t ế sản xuất.. Abstract: The article prese[r]
(1)ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CÔNG TÁC QUAN TRẮC
ĐỘ LÚN CƠNG TRÌNH
PGS.TS TRẦN KHÁNH
Trường Đại học Mỏ - Địa chất
TS.TRẦN NGỌC ĐÔNG
Viện KHCN Xây dựng
Tóm tắt: Bài báo có nội dung trình bày phương pháp đánh giá phương án thiết kế lưới độ cao quan trắcđộlún phương pháp xử lý số liệu hệ thống lưới độ cao quan trắc độ lún nhằm nâng cao chất lượng công tác quan trắc độ lún cơng trình Quy trình thuật tốn xử lý số liệu trình bày báo có tính chặt chẽ, thuận tiện triển khai ứng dụng trong thực tế sản xuất.
Abstract: The article presents the method of assessing the vertical network design for settlement monitoring and the method of data processing for this network to improve the quality of settlement monitoring work Process and data processing algorithms presented in the article are logical, convenient to apply in practice
1 Đặt vấn đề
Trong quan trắc độ lún cơng trình nước ta công tác đánh giá phương án thiết kế lưới quan trắc chưa trọng mức dẫn tới tình trạng kết quan trắc khơng đạt độ xác cần thiết theo yêu cầu thiết kế Mặt khác, trình xử lý số liệu hệ thống lưới độ cao quan trắc độ lún thường xử lý tách biệt lưới độ cao sở lướiđộ cao quan trắc (trong trường hợp sử dụng hệ thống lưới gồm bậc lưới); lưới độ cao sở xử lý theo phương pháp bình sai lưới tự để phân tích đánh giá độ ổn định mốc chuẩn, lướiđộ cao quan trắc xử lý theo phương pháp bình sai lưới phụ thuộc,điều dẫn tới mạng lướiđộ cao quan trắc nhiều cịn chịu ảnh hưởng sai số số liệu gốc (sai số độ cao mốc chuẩn), thực tế yêu cầu độ xác quan trắc lún thường cao lưới độ cao sở lưới độ cao quan trắc thiết kế với độ xác gần tương đương Vì vậy, xây dựng quy trình đánh giá phương án thiết kế lưới quan trắc kết hợp với xây dựng quy trình xử lý số liệu hệ thống lưới quan trắc
một cách thích hợp cần thực để nâng cao chất lượng công tác quan trắc độ lún cơng trình 2 Giải pháp nâng cao chất lượng công tác quan trắc độ lún cơng trình
2.1 Đánh giá phương án thiết kếlưới quan trắc Để có sở lựa chọn cấp hạng, thiết bị quy trình đo lưới độ cao thiết kế cần phải đánh giá phương án thiết kế lưới quan trắc Quy trình đánh giá phương án thiết kế lưới độ cao quan trắc lún thực theo bước sau:
Bước 1: Căn vào nhiệm vụ quan trắc tiến hành xác định số lượng mốc chuẩn, số lượng mốc quan trắc yêu cầu độ xác quan trắc lún (mS) Từ yêu cầu độ xác quan trắc lún (mS)
tiến hành tính tốn xác định độ xác sai số trung phương độ cao điểm yếu cần đạt để đảm bảo độ xác quan trắc lún đề
Trong trường hợp thiết kế 01 bậc lưới quan trắc độ cao điểm phải xác định với sai số vềđộ cao không vượt giá trị xác định theo công thức (1):
S H
m m =
2 (1)
trong đó:
mH - sai sốtrung phương độ cao điểm quan
trắc;
mS - độ xác yêu cầu quan trắc lún
Trong trường hợp thiết kế lưới bậc: sai số trung phương độ cao điểm mốc chuẩn (ký hiệu mHmc)
và sai số trung phương độ cao điểm quan trắc (ký hiệu mHqt) tính sau:
- Đối với lưới độ cao sở (lưới độ cao gồm mốc chuẩn đo nối với nhau):
S
Hmc 2
m m =
2(1 + k )
(2)ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA - Đối với lưới độ cao quan trắc:
qt
S
H 2
k.m m =
2(1 + k )
(3) Trong công thức (2) (3): k hệ số suy giảm độ xác bậc lưới (k thường chọn 2)
Bước 2: Thiết kế sơ đồ lưới quan trắc bao gồm đầy đủ mốc chuẩn, mốc quan trắc, vẽ chênh cao (trên chênh cao vẽ mũi tên để xác định điểm đầu điểm cuối chênh cao đo) xác định số trạm dự kiến chênh cao đo dự kiến thiết bị sử dụng để tiến hành đo đạc quan trắc lún (xác định độ xác thiết bị dự kiến sử dụng)
Bước 3: Xác định sai số trung phương độ cao điểm lưới theo trình tự sau:
1 Chọn ẩn số lưới: Đối với lưới độ cao phụ thuộc - ẩn số chọn độ cao điểm cần xác định lưới; lưới độ cao tự - ẩn số chọn độ cao tất điểm lưới; ẩn số ký hiệu X
2 Lập ma trận hệ số (A) hệ phương trình số hiệu chỉnh:
AδX + L = V (4) Xác định trọng số véc tơcác đại lượng đo:
i i
1 P =
L i i P =
n (5)
trong đó: Li, nitương ứng chiều dài số trạm đo
trong tuyến thủy chuẩn
3 Lập ma trận hệ số (R) hệ phương trình chuẩn:
T
R = A PA (6)
4 Tính ma trận nghịch đảo
1 T
Q = R = (A PA) (7)
Trong trường hợp thiết kếlưới bậc coi lưới tự thay cho ma trận nghịch đảo Q cần sử dụng ma trận giả nghịch đảo R~, tính theo công thức:
T -1 -1 T
0
R = (R + CP C ) - TP T (8) với:
T -1
T = B(C B) (9)
T
B = 1 (10)
5 Tính tiêu sai số lưới:
Trường hợp tổng quát, ước tính lưới dựa cơng thức sai sốtrung phương hàm số sau bình sai:
F F
1 m = µ
P (11)
Sai số trung phương ẩn số tính theo cơng thức:
Xi Hi ii
m = m = µ Q (12)
Bước 4: Tiến hành so sánh giá trị mHitính
theo cơng thức (12) với giá trị tính theo cơng thức (1) (trường hợp thiết kếlưới bậc) so với giá trị tính theo công thức (3) (trường hợp thiết kế hệ thống lưới quan trắc gồm bậc) Nếu giá trị tính theo cơng thức (12) lớn giá trị tính theo cơng thức (1) cơng thức (3) cần tiến hành điều chỉnh kết cấu đồ hình lưới quan trắc lựa chọn thiết bị có độ xác cao điều chỉnh kết cấu đồ hình lưới lựa chọn thiết bị có độchính xác cao giá trị tính theo cơng thức (12) thỏa mãn yêu cầu độ xác đề Trong trường hợp đánh giá phương án thiết kế lưới độ cao sở áp dụng thuật tốn ước tính lưới độ cao tự sau so sánh giá trị mHitính sau ước tính với giá trị mH tính
theo cơng thức (2) đểđánh giá chất lượng lưới thiết kế
2.2 Phương pháp thuật toán xử lý hệ thống lưới độ cao quan trắc lún
(3)ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
lưới tự Phương pháp bình sai cho phép giải đồng thời nhiệm vụ phân tích độổn định mốc chuẩn tính độ cao mốc quan trắc Hệ thống thuật toán quy trình tính triển khai sau 1:
1- Chọn ẩn số số hiệu chỉnh độ cao tất điểm lưới, k í hiệu véc tơ ẩn số X với véc tơ độ cao gần X0 (X0 cần chọn véc
tơ độ cao sau bình sai xác định chu kỳ lấy làm gốc so sánh)
2- Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh theo cơng thức:
AδX + L = V (13)
trong đó: A ma trận hệ số, X, V, L tương ứng véc tơ ẩn số, số hiệu chỉnh số hạng tự 3- Trên sở cơng thức (13) thành lập hệphương trình chuẩn:
RδX + b = 0 (14)
với: T T
R = A PA; b = A PL;
Ma trận R hệ phương trình chuẩn suy biến, tức là: Det (R) = nên giải theo phương pháp thông thường có vơ số nghiệm
4- Để xác định véc tơ nghiệm riêng cần đưa vào hệ điều kiện ràng buộc véc tơ ẩn số, dạng 1, 3:
T
C δX = 0 (15) 5- Trên sở hệphương trình (14) (15) xác định véc tơ nghiệm:
~
δX = -R b (16)
trong đó, ma trận giả nghịch đảo R~ tính theo công thức:
~ T -1 -1 T
0
R = (R + C P C ) - T P T (17) với:
T -
T = B (C B ) T (18)
Ma trận phụ trợB tính theo cơng thức 1:
T
B = 1 (19) Đánh giá độ xác thực theo công thức thông thường tương tự phương pháp bình sai gián tiếp kèm điều kiện: - Sai sốtrung phương đơn vị trọng số:
T
V PV µ =
N - k + (20)
trong công thức trên: N-k+1 sốlượng trị đo
thừa lưới
- Sai sốtrung phương độcao điểm:
Xi ii
m = µ R (21) 2.3 Quy trình tính tốn bình sai kết hợp lưới độ cao sởvà lưới độ cao quan trắc
Các phương pháp xử lý số liệu lưới độ cao sở quan trắc lún cơng trình có điểm chung thực theo thuật tốn bình sai lưới độ cao tự do, điều kiện định vị (15) chọn tùy thuộc vào giả thiết độ ổn định mốc chuẩn lưới Có thể phân chia phương pháp phân tích độ ổn định mốc chuẩn thành nhóm 4 Trong nhóm gồm có phương pháp dựa giả thiết độ cao không đổi mốc chuẩn ổn định 6, nhóm có phương pháp dựa giả định độ cao trung bình khơng đổi cụm nhóm mốc chuẩn 5
Trong báo chúng tơi khảo sát quy trình bình sai kết hợp bậc lưới độ cao quan trắc lún với nguyên tắc: “Độ cao trung bình mốc chuẩn ổn định không thay đổi so với chu kỳ gốc”, Để thực điều cần chọn thành phần ma trận C công thức (15) sau [1]:
1 - Đối với mốc chuẩn ổn định - Đối với mốc khác
Mốc chuẩn coi ổn định thỏa mãn điều kiện:
i
i S
S t.m
(23) Trong đó: Si mSilà độ trồi lún sai sốxác định
độ trồi lún mốc chuẩn thứ i, t hệ số chuyển đổi từ sai sốtrung phương sang sai số giới hạn (t thường chọn khoảng từ2 đến 3)
Sau bình sai lưới độ cao sở, giá trị tính theo cơng thức (23) thường không giống điểm lưới Vì vậy, dựa vào sai số trung phương cần thiết để xác định độ lún điểm mốc chuẩn (mSmc) để xác định tiêu
chuẩn thống chung cho toàn điểm mạng lưới, tiêu chuẩn (23) viết lại là:
i Smc
| S | t.m (24) Dựa yêu cầu độ xác quan trắc lún, mốc chuẩn coi ổn định khi:
S i
2
m | S | t
1 k
(25)
(4)ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
Trong công thức (25): Si - độ trồi lún mốc chuẩn
ở chu kỳđang xét so với chu kỳđầu; mS - yêu cầu
độ xác quan trắc lún; t - hệ số chuyển đổi từ sai số trung phương sang sai số giới hạn (t = 2÷3); k - hệ số suy giảm độ xác bậc lưới (k = 2÷3)
Trên sở đó, xác định quy trình tính
tốn bình sai đồng thời với việc phân tích độ ổn định mốc chuẩn sau:
Bước 1: Trên sở véc tơ trị đo, lập hệ phương trình số hiệu chỉnh hệ phương trình chuẩn mạng lưới
Bước 2: Giảđịnh tất mốc chuẩn lưới ổn định, chọn ma trận định vị khởi đầu:
C0 = [1 1 1 0 0 ] T
(26) Mốc sở Mốc quan trắc
Bước 3: Giải hệphương trình chuẩn với điều kiện C chọn, xác định véc tơ ẩn số tính độ lệch độ cao mốc so với số liệu chu kỳđược lấy làm mức so sánh
Bước 4: Có thể xảy hai khảnăng: 1- Nếu phát số mốc chuẩn khơng ổn định loại mốc có độ lệch lớn (giả định điểm i) khỏi tập hợp mốc chuẩn cách gán Ci
= quay lại thực từ bước
2- Nếu mốc chuẩn cịn lại ổn định việc kiểm tra dừng lại thực định vị lưới theo mốc chuẩn
3 Thực nghiệm
Để minh chứng cho phần lý thuyết nêu trên, phần thực nghiệm tiến hành thực nghiệm đánh giá phương án thiết kế lưới thực nghiệm xử lý tính tốn bình sai kết hợp lưới độ cao sở lưới độ cao quan trắc lún cho cơng trình nhà cao tầng ngồi sản xuất gồm 03 mốc chuẩn 16 mốc quan trắc
3.1 Thực nghiệm đánh giá phương án thiết kế lưới Nhận nhiệm vụ quan trắc lún cơng trình nhà cao tầng với yêu cầu độ xác quan trắc lún mS
= 1.0 mm, mốc chuẩn quan trắc gồm có 03 mốc chuẩn ký hiệu R1, R2, R3; mốc quan trắc lún gồm
16 mốc ký hiệu từM1 đến M16
Tiến hành thực đánh giá phương án thiết kếlưới:
Bước 1:
- Xác định số lượng mốc chuẩn (03 mốc), số lượng mốc quan trắc (16 mốc) độ xác quan trắc lún (mS = 1.0 mm);
- Tính toán sai sốtrung phương độcao bậc lưới: Trong thực nghiệm hệ thống lưới độ cao quan trắc lún thiết kế gồm bậc, áp dụng cơng thức (2) cơng thức (3) tính mHmc
= 0.32 mm, mHqt = 0.63 mm
Bước 2:
(5)ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
Phương án Phương án
Hình Thiết kế sơđồ lưới quan trắc lún
Bước 3:Xác định sai số trung phương độ cao điểm lưới:
Quá trình xác định sai sốtrung phươngđộ cao
của điểm lưới phương án thực phần mềm chuyên ngành Kết tính tốn đưa bảng bảng
Bảng Thông số mạng lưới – Phương án 1
STT Tên tham số Giá trị STT Tên tham số Giá trị
1 Tổng sốđiểm 19 Sốchênh cao đo 25
2 Sốđiểm mốc chuẩn Sai sốđo chênh cao
trạm
0.25 mm Sốđiểm quan trắc 16
Bảng Kết quảước tính sai sốtrung phươngđộcao điểm – Phương án 1
Phương án 1
STT Tên điểm Sai số
mH(mm)
STT Tên điểm Sai số
mH(mm)
1 M1 0.30 M9 0.46
2 M2 0.32 10 M10 0.58
3 M3 0.32 11 M11 0.53
4 M4 0.36 12 M12 0.46
5 M5 0.35 13 M13 0.35
6 M6 0.34 14 M14 0.40
7 M7 0.34 15 M15 0.40
8 M8 0.38 16 M16 0.68
Sai sốtrung phương độcao điểm yếu (M16): mH(M16) = 0.68 mm
Kết quảước tính sơ đồlưới phương án cho thấy có điểm M16 có sai sốtrung phương độ cao khơng đạt u cầu độchính xác đề (mHM16 = 0.68 mm >
0.63 mm) Trong trường hợp thay đổi sơ
đồđo cách đo thêm chênh cao nối điểm M10 với điểm M11 phương án - hình Kết quảxác định sai sốtrung phương độ cao điểm lưới phương án đưa bảng
Bảng Thông số mạng lưới – Phương án 2
STT Tên tham số Giá trị STT Tên tham số Giá trị
1 Tổng sốđiểm 19 Sốchênh cao đo 26
2 Sốđiểm mốc chuẩn Sai sốđo chênh cao
trạm
0.25 mm Sốđiểm quan trắc 16
M7 M5
M2
M3
M4
M10
M9
M8
M6 M13 M16
M15 M14
M1 M12 M11
R3 R2
R1
n =
n =
n =
n =
n = n =
n = n = n = n = n =
n = n =
n =
n = n = n = n =
n =
n =
n =
n = n =
n =
M7 M5
M2
M3
M4
M10
M9
M8
M6 M13 M16
M15 M14
M1 M12 M11
R3 R2
R1
n =
n =
n =
n =
n = n =
n = n = n = n = n = n =
n = n =
n =
n = n = n = n =
n =
n =
n =
n = n =
(6)ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
Bảng Kết quảước tính sai sốtrung phương độcao điểm – Phương án 2
Phương án 2
STT Tên điểm Sai số
mH(mm)
STT Tên điểm Sai số
mH(mm)
1 M1 0.29 M9 0.40
2 M2 0.32 10 M10 0.44
3 M3 0.36 11 M11 0.43
4 M4 0.36 12 M12 0.41
5 M5 0.35 13 M13 0.35
6 M6 0.33 14 M14 0.39
7 M7 0.33 15 M15 0.39
8 M8 0.36 16 M16 0.56
Sai sốtrung phương độcao điểm yếu (M16): mH(M16) = 0.56 mm
Kết quảở bảng cho thấy tất cảcác điểm lưới có sai sốtrung phương vềđộcao đạt độ xác u cầu đề (các điểm có sai sốtrung phương độ cao nhỏhơn 0.63 mm), nhận thấy trường hợp không cần thay đổi thiết bịđo mà cần thay đổi chút đồ hình lưới quan trắc nâng cao độ xác kết quan trắc
Trong trường hợp thiết kếlưới bậc xử lý kết hợp bậc lưới thành bậc lưới (với ms = 1.0
mm tính mH = 0.71 mm), áp dụng thuật tốn ởtrên ước tính lưới theo phương pháp ước tính lưới độ
cao tựdo cho sơ đồlưới Phương án - hình 1, kết quảước tính thu bảng Bảng Kết quảước tính sai sốtrung phươngđộcao điểm – Lưới bậc
STT Tên điểm Sai số mH(mm) STT Tên điểm Sai số mH(mm)
1 M1 0.30 11 M11 0.53
2 M2 0.32 12 M12 0.46
3 M3 0.36 13 M13 0.35
4 M4 0.36 14 M14 0.40
5 M5 0.35 15 M15 0.40
6 M6 0.34 16 M16 0.68
7 M7 0.34 17 R1 0.17
8 M8 0.39 18 R2 0.13
9 M9 0.46 19 R3 0.14
10 M10 0.58
Sai sốtrung phương độcao điểm yếu mH(M16) = 0.68 mm
Kết quảở bảng cho thấy trường hợp thiết kếlưới bậc mạng lưới phương án – hình đảm bảo độchính xác đề với sai sốtrung phương độcao điểm yếu lưới < 0.71 mm
3.2 Thực nghiệm xử lý tính tốn bình sai kết hợp lưới độcao sởvà lưới độ cao quan trắc lún Quá trình thực nghiệm thực với số liệu quan trắc lún cơng trình nhà cao tầng đo chu kỳ 2, số liệu đo lún chu kỳ2 thể sơ đồ hình
(7)ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
Hình Sơ đồlưới độcao đo lún chu kỳ 2
Trên hình 2: R1, R2, R3 - Mốc chuẩn đo lún; M1, M2, ., M16 - Mốc đo lún, n - Số trạm đo Độ cao chu kỳ 01 mốc chuẩn: HR1 = 6.00001
m; HR2 = 6.05126 m; HR3 = 6.04919 m
Áp dụng thuật tốn bình sai mục 2.2 quy
trình tính tốn theo mục 2.3, kết quảphân tích độổn định mốc chuẩn đưa bảng 6, kết độ cao sau bình sai mốc quan trắc đưa bảng
Bảng Kết phân tích độổn định mốc chuẩn (Chu kỳ 2)
STT Tên điểm Ðộ cao
H (m)
Độ lún S (mm)
Sai số
mH (mm)
Đánh giá
1 R1 5.99962 -0.39 0.09 ổn định
2 R2 6.05126 0.00 0.09 ổn định
3 R3 6.04957 0.38 0.08 ổn định
Tiêu chuẩn đánh giá độổn định: Smax = 0.9 (mm)
Bảng Kết quảđộ cao sau bình sai mốc quan trắc (Chu kỳ 2)
STT Tên điểm Ðộ cao
H (m)
Sai số
mH (mm)
STT Tên
điểm
Ðộ cao H (m)
Sai số
mH (mm)
1 M1 3.58794 0.27 M9 3.40291 0.31 M2 3.62810 0.29 10 M10 3.50491 0.29 M3 3.59274 0.30 11 M11 3.47478 0.28 M4 3.63426 0.30 12 M12 3.92091 0.30 M5 3.36275 0.29 13 M13 3.59807 0.32 M6 3.99407 0.30 14 M14 3.56201 0.31 M7 3.49669 0.28 15 M15 3.53543 0.31 M8 3.47987 0.29 16 M16 3.55879 0.33
M7 M5
M2
M3
M4
M10
M9
M8
M6
M13 M16
M15 M14
M1 M12 M11
R3 R2
R1
+40.06
n =
-35.41
n =
+41.47
n =
-271.59
n =
+631.14
n =
-497.46
n =
-16.90
n =
-77.04
n =
+101.83
n =
-30.27
n =
+445.96
n =
-333.32
n =
-30.27
n =
-39.33
n = -53.99
n =
-72.26
n = -26.60n =
-55.57
n =
+2411.42
n =
-50.02
n =
+2574.92
n =
-1.73
n =
+2688.76
n = +2552.82n =
+51.49
n =
-0.53
-0.28
+0.38 +0.17 +0.98
-0.84