CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG ĐÀO ĐẮP TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BẰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH
3.1. Khái quát về các phương pháp tính toán khối lượng trong trắc địa công trình
3.1.1. Phương pháp tính toán khối lượng đào đắp theo mặt cắt dọc
Trong phương pháp này nếu coi độ cao mặt cắt ngang tại mỗi điểm trắc dọc trên tuyến là bằng nhau, khối lượng đào đắp được xác định theo chiều rộng tuyến S và diện tích mặt cắt dọc công tác P. Phần diện tích mặt cắt dọc được xác định theo đường thiết kế và đường địa hình tự nhiên trên mặt cắt dọc. Khối lượng đào đắp được tính theo công thức:
Vi = ∑hi+hi+1
2 li,i+1.S (3.1)
Trong đó:
S: chiều rộng tuyến đường
li,i+1: Khoảng cách giữa điểm thứ i và điểm thứ (i + 1)
hi: Cao độ tại điểm thứ i trên mặt cắt dọc
Vi mang dấu (-) là phần khối lượng đắp, ngược lại là khối lượng đào
Điểm chuyển tiếp giữa phần đào và đắp cần xác định gọi là điểm “Không”.
Phương pháp tính khối lượng đào đắp theo mặt cắt dọc có độ chính xác không cao nhưng thích hợp khi cần xác định nhanh khối lượng đào đắp để so sánh các phương án khác nhau.
3.1.2. Phương pháp tính toán khối lượng đào đắp theo mặt cắt ngang 3.1.2.1 Tính khối lượng theo phương pháp mặt cắt ngang trung bình
Cơ sở của phương pháp này dựa trên diện tích các mặt cắt ngang và khoảng cách giữa các mặt cắt ngang để tính khối lượng đào đắp. Các mặt cắt ngang trên tuyến được xác định tại vị trí đầu tuyến, cuối tuyến, các vị trí cong và theo khoảng cách lựa chọn.
Công thức tính thể tích theo phương pháp mặt cắt ngang như sau:
41
V = (A1 + A2) L
2 (3.2)
Trong đó:
A1, A2: Là diện tích mặt cắt ngang L: Khoảng cách giữa hai mặt cắt ngang
Độ chính xác của công thức (3.2) phụ thuộc vào độ chính xác tính toán diện tích mặt cắt và hiệu số giữa diện tích 2 mặt cắt kề nhau.
3.1.2.2 Tính khối lượng theo phương pháp hình lăng trụ cụt
Trên thực tế thiết diện mặt cắt ngang A1 đến A2 biến đổi không đều, để tăng độ chính xác thường sử dụng công thức hình lăng trụ cụt:
V = (A1 + 4Atb + A2) L
6 (3.3)
Trong đó: Atb là diện tích mặt cắt ngang giữa A1 và A2
3.1.2.3 Tính khối lượng theo phương pháp hình lăng trụ hiệu chỉnh
Sau khi tính khối lượng theo phương pháp hình lăng trụ cụt, để tăng độ chính xác có thể tính khối lượng hiệu chỉnh theo công thức:
VHC = (hi -hi+1)(bi - bi+1) L
12 (3.4)
Trong đó:
hi , hi+1: cao độ điểm giữa của hai mặt cắt bi , bi+1: Chiều rộng đáy của hai mặt cắt
Phương pháp tính khối lượng theo mặt cắt ngang có độ chính xác cao hơn phương pháp tính khối lượng theo mặt cắt dọc. Phương pháp này phù hợp với các công trình dạng tuyến đơn giản. Tuy nhiên để tăng độ chính xác của phương pháp này cần tăng khoảng cách giữa các mặt cắt ngang, điều này sẽ làm tăng chi phí, không phù hợp với các công trình dạng vùng và chưa linh hoạt trong tính toán.
3.1.3. Phương pháp tính toán khối lượng đào đắp theo mô hình số địa hình Phương pháp tính khối lượng theo mô hình số địa hình dựa trên sự so sánh cao độ giữa hai bề mặt. Bề mặt thứ nhất là bề mặt địa hình, bề mặt thứ hai là bề mặt thiết kế. Thể tích tạo bởi bề mặt địa hình và bề mặt thiết kế được chia thành nhiều
42
khối nhỏ với các phương pháp khác nhau và được tính bằng tổng thể tích của các khối thành phần đó.
Phương pháp này tạo ra tính mềm dẻo, linh hoạt trong việc thu thập, cập nhật số liệu khảo sát, phương pháp có thể tính toán bằng các phần mềm máy tính có tính chất tự động hóa cao.Thể tích tính theo mô hình TIN cũng có độ chính xác cao hơn phương pháp mặt cắt ngang trên cùng số liệu.
Khi tính toán khối lượng theo phương pháp mô hình số địa hình có một số trường hợp sau:
- Trường hợp mặt bằng không quá phức tạp đó là các khu vực có diện tích rộng và gồm nhiều loại địa hình khác nhau, các đường đồng mức có hơi uốn lượn, tương đối song song. Khi đó dùng mặt cắt không thể đại diện hết được tất cả các cao độ của toàn bộ mặt bằng địa hình tự nhiên. Trường hợp này phải chia vùng mặt bằng định quy hoạch thành lưới ô vuông, dọc theo phương của đường đồng mức, với khoảng cách các mắt lưới đủ nhỏ để có thể chia nhỏ các đường đồng mức thành từng đoạn tương đối thẳng liên tục và có độ dài bằng nhau. Khi đó coi gần đúng mặt đất trong mỗi ô lưới là một mặt phẳng tạo bởi các cao độ mắt lưới. Khối thể tích của từng ô đất được tính bằng tích số giữa cao độ trung bình của các mắt lưới ở 4 góc ô với diện tích hình chiếu bằng của ô lưới. Đây được gọi là phương pháp xác định khối lượng đất theo lưới ô vuông.
- Trường hợp mặt bằng phức tạp là khi các đường đồng mức cong uốn lượn mà không song song với nhau, khoảng cách giữa chúng thay đổi liên tục tại mọi vị trí. Trong trường hợp này mạng lưới ô vuông không thể mô phỏng được đúng hình dạng địa hình thực tế, vì trong mỗi ô mặt đất tự nhiên phức tạp nếu quy về một mặt phẳng thì sai số rất lớn (4 điểm mắt lưới nằm trên một tứ giác không đồng phẳng).
Khi này, để xác định thể tích giữa bề mặt địa hình và bề mặt thiết kế người ta sử dụng các tam giác áp sát nhất có thể với bề mặt địa hình, các tam giác này là các tam giác Delaunay. Khối thể tích của từng tam giác được xác định bằng tích cao độ trung bình 3 đỉnh tam giác với diện tích hình chiếu của tam giác lên bề mặt thiết kế.
Đây được gọi là phương pháp xác định khối lượng theo lưới tam giác.
43
Độ cao công tác hctj của mỗi điểm trên mặt bằng quy hoạch là hiệu số giữa cao độ tự nhiên của điểm đó với cao độ thiết kế của điểm đó: hctj = Htnj - Htkj. Khu vực nào đó của mặt bằng quy hoạch là khu vực đào đất nếu như tất cả mọi độ cao công tác của các điểm trong khu vực đều có giá trị dương hctj > 0 (trong khu vực đó, mặt đất tự nhiên cao hơn mặt san thiết kế), và ngược lại, các khu vực đắp có độ cao công tác âm: hctj < 0 (trong khu vực đó, mặt đất tự nhiên thấp hơn mặt san thiết kế).
Những chỗ có hctj = 0 thì nằm trên ranh giới đào đắp. Như vậy, tùy phương pháp mô phỏng mà ta có thể xác định được khối lượng đất công tác, theo đặc trưng của hình mô phỏng.
Trong phương pháp chia lưới ô vuông và lưới tam giác, khối lượng đất công tác được tính qua độ cao công tác ở vị trí các mắt ô lưới. Khi tính khối lượng công tác trên từng ô lưới có thể chia thành 3 loại:
- Loại ô có tất cả các độ cao công tác tại mắt lưới dương hctj > 0, là loại ô nằm hoàn toàn trong vùng đào;
- Loại ô có tất cả các độ cao công tác tại mắt lưới âm hctj < 0, là loại ô nằm hoàn toàn trong vùng đắp;
- Loại ô chứa cả mắt lưới có cao độ công tác vừa âm vừa dương, có cả mắt lưới có hctj > 0 lẫn mắt lưới có hctj < 0, là loại ô nằm cắt ranh giới đào đắp O-O (ranh giới đào đắp cắt qua những ô này)..
Công tác tính khối lượng đào đắp theo mô hình số địa hình thực hiện khá phức tạp nhưng cho độ chính xác cao, linh hoạt trong việc thu thập và chỉnh lí các dữ liệu đầu vào. Ngoài ra phương pháp này còn có khả năng tự động hóa nhờ các ngôn ngữ lập trình và máy tính. Trong phạm vi nội dung luận văn nay tác giả chọn hướng nghiên cứu phương pháp tính khối lượng đào đắp bằng mô hình số địa hình, các đặc điểm và thuật toán tính toán khối lượng bằng mô hình số địa hình sẽ được trình bày ở mục 3.2.
44