Luận án Nghiên cứu nâng cao độ chính xác phương pháp và xử lý kết quả quan trắc độ lún nền đường đắp trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THỊ THẢO NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ QUAN TRẮC ĐỘ LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THỊ THẢO NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ QUAN TRẮC ĐỘ LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM NGÀNH : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG MÃ SỐ : 9.58.02.05 CƠ SỞ ĐÀO TẠO : TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Đắc Sử 2. TS. Vũ Đức Sỹ Hà Nội, 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi . Các kết quả và số liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày .. tháng . năm 2023 Tác giả Trần Thị Thảo ii LỜI CẢM ƠN Sau những năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông vận tải, được sự chỉ dẫn nhiệt tình của các Thầy hướng dẫn, sự ủng hộ của Nhà trường, sự giúp đỡ của Thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, người thân, nghiên cứu sinh đã hoàn thành luận án Tiến sĩ ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông với đề tài “Nghiên cứu nâng cao độ chính xác phương pháp và xử lý kết quả quan trắc độ lún nền đường đắp trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam”. Để hoàn thành luận án này, nghiên cứu sinh xin được gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến hai thầy hướng dẫn là PGS.TS. Trần Đắc Sử và TS. Vũ Đức Sỹ đã tận tình chỉ bảo, định hướng, góp ý chuyên môn và động viên nghiên cứu sinh từ khi bắt đầu cho tới lúc hoàn thành các nghiên cứu của luận án. Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn các Thầy Cô bộ môn Đường bộ, Bộ môn Trắc địa - Trường Đại học Giao thông Vận tải và các Thầy cô trường Đại học Mỏ Địa Chất đã giúp đỡ, cung cấp những tài liệu quý báu, luôn nhiệt tình hỗ trợ và tư vấn cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu luận án này. Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, Khoa Công trình, Phòng đào tạo Sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin cảm ơn gia đình và những người thân đã luôn chia sẻ, động viên ủng hộ nghiên cứu sinh cả về vật chất và tinh thần trong suốt chặng đường làm nghiên cứu của mình. Trân trọng cảm ơn! Nghiên cứu sinh iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan ............................................................................................................... i Mục lục ...................................................................................................................... iii Danh mục các chữ viết tắt ........................................................................................ vii Danh mục các bảng ................................................................................................. viii Danh mục các hình ......................................................................................................x MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC QUAN TRẮC VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC ĐỘ LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ......6 1.1 Giới thiệu chung ..................................................................................................6 1.1.1 Khái niệm về đất yếu ......................................................................................6 1.1.2. Các phương pháp xử lý đất yếu .....................................................................6 1.1.3. Lún cố kết của nền đất yếu và tác động của độ lún cố kết dư đến chất lượng của các công trình giao thông ........................................................................8 1.1.4. Mục đích, yêu cầu đối với công tác quan trắc độ lún nền đất yếu. .............10 1.1.5. Các phương pháp quan trắc độ lún nền đất yếu ...........................................11 1.1.6. Các phương pháp xử lý số liệu quan trắc độ lún nền đất yếu để xác định các kết quả dự báo của đất. ....................................................................................13 1.2. Công tác quan trắc và xử lý số liệu quan trắc độ lún nền đất yếu trên thế giới .............................................................................................................................16 1.2.1 Công tác quan trắc độ lún nền đất yếu trên thế giới .....................................16 1.2.2. Công tác xử lý số liệu quan trắc độ lún nền đất yếu trên thế giới. ..............20 1.3. Công tác quan trắc và xử lý số liệu quan trắc độ lún nền đất yếu tại Việt Nam ...........................................................................................................................23 1.3.1. Công tác quan trắc và xử lý số liệu quan trắc dự án xây dựng cơ sở hạ tầng tuyến đường phía Nam thành phố Đà Nẵng. .................................................23 1.3.2. Công tác quan trắc và xử lý số liệu quan trắc dự án cao tốc Nội Bài-Lào Cai ..........................................................................................................................25 1.3.3. Một số công trình nghiên cứu về công tác quan trắc và xử lý số liệu quan trắc độ lún nền đất yếu tại Việt Nam. ...................................................................26 1.4. Công nghệ GNSS/CORS ứng dụng trong công tác quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình ở trên thế giới và ở Việt Nam .............................................27 iv 1.4.1. Trên thế giới .................................................................................................27 1.4.2. Ở Việt Nam ..................................................................................................31 1.5. Đánh giá chung về công tác quan trắc và xử lý số liệu quan trắc trên thế giới và ở Việt Nam ...................................................................................................32 1.5.1. Trên thế giới .................................................................................................32 1.5.2. Ở Việt Nam .................................................................................................33 1.6 Các hướng nghiên cứu chính trong luận án ...................................................33 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC ĐỘ LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Ở VIỆT NAM ..........................................................................................................34 2.1 Phương pháp đo cao hình học từ giữa ............................................................34 2.1.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp ................................................................34 2.1.2 Phân tích ảnh hưởng đồng thời độ cong quả đất, chiết quang đứng và trục ngắm không nằm ngang đến kết quả đo ................................................................34 2.1.3 Nhận xét, đánh giá ........................................................................................37 2.2 Phương pháp đo kép trong đo cao hình học từ giữa ......................................38 2.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp .................................................................38 2.2.2. Phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng đồng thời do độ cong quả đất, chiết quang đứng và trục ngắm không nằm ngang đến kết quả đo kép trong đo cao hình học từ giữa ...............................................................................................38 2.2.3. Nhận xét .......................................................................................................40 2.3. Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GNSS/ CORS để quan trắc độ lún nền đường đắp trên nền đất yếu trong điều kiện Việt Nam ....................40 2.3.1 Kiến thức chung về công nghệ GNSS/CORS...............................................40 2.3.2. Thiết lập trạm CORS ...................................................................................45 2.3.3 Giải pháp quan trắc độ lún nền đường đắp trên nền đất yếu bằng công nghệ GNSS /CORS ...............................................................................................52 2.3.4. Phương pháp xử lý số liệu quan trắc độ lún nền đường đắp trên đất yếu ...59 2.3.5. Thành lập chương trình xử lý số liệu quan trắc độ lún nền đường đắp trên đất yếu .............................................................................................................67 2.3.6. Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ GNSS/CORS trong quan trắc độ lún nền đường đắp trên đất yếu ........................................................................73 Kết luận chương 2. ..................................................................................................76 v CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC XÁC ĐỊNH CÁC KẾT QUẢ DỰ BÁO THEO PHƯƠNG PHÁP ASAOKA VÀ HYPERBOLIC TRÊN CƠ SỞ KẾT QUẢ QUAN TRẮC ĐỘ LÚN NỀN ĐẤT YẾU Ở VIỆT NAM ....77 3.1 Phương pháp Asaoka ........................................................................................77 3.1.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp Asaoka ...................................................77 3.1.2 Nhận xét, đánh giá .......................................................................................79 3.1.3 Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác xác định các kết quả dự báo của nền đất yếu theo theo phương pháp Asaoka giải tích .....................................81 3.2 Phương pháp Hyperbolic .................................................................................88 3.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp .................................................................88 3.2.2 Nhận xét, đánh giá ........................................................................................90 3.2.3 Giải pháp nâng cao độ chính xác xác định các kết quả dự báo của nền đất yếu theo phương pháp Hyperbolic giải tích...........................................................90 3.3 Xây dựng chương trình máy tính để xử lý số liệu quan trắc độ lún bằng phương pháp Asaoka và Hyperbolic. ....................................................................97 3.3.1 Mục đích xây dựng chương trình tính. .........................................................97 3.3.2 Sơ đồ khối của chương trình .........................................................................97 3.3.3 Chạy chương trình ........................................................................................99 Kết luận chương 3 ................................................................................................ 103 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC ĐỘ LÚN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC ĐỘ LÚN NỀN ĐẤT YẾU .............................................................................................................. 104 4.1. Thực nghiệm quan trắc thực nghiệm độ lún nền đường đắp trên nền đất yếu bằng công nghệ GNSS/CORS ...................................................................... 104 4.1.1. Lựa chọn tuyến đường quan trắc thực nghiệm ......................................... 104 4.1.2. Thiết kế, chế tạo mốc quan trắc lún .......................................................... 105 4.1.3. Thiết kế, thi công mốc quan trắc ngoài thực địa....................................... 107 4.1.4. Lắp đặt thiết bị cho trạm quan trắc ........................................................... 108 4.1.5. Vận hành hệ thống trạm quan trắc ............................................................ 108 4.2 Thực nghiệm xử lý số liệu quan trắc độ lún một số công trình giao thông thực tế theo phương pháp Asaoka và Hyperbolic ............................................. 122 4.2.1 Xử lý chuỗi số liệu quan trắc trên một số dự án tại Việt Nam bằng phương pháp Asaoka ........................................................................................................ 122 vi 4.2.2 Xử lý chuỗi số liệu quan trắc trên một số dự án Y tại Hải Phòng bằng phương pháp Hyperbolic giải tích ...................................................................... 125 Kết luận chương 4 ................................................................................................ 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 127 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NCS ..... 128 TÀI LIÊU THAM KHẢO ................................................................................... 130 Phụ lục 1: Số liệu quan trắc thực nghiệm mô phỏng ............................................1 Phụ lục 2: Số liệu và kết quả quan trắc thực nghiệm độ lún đường đắp trên nền đất yếu ...........................................................................................17 Phụ lục 3: Xử lý số liệu quan trắc độ lún dự án x ở kiên giang bằng phương pháp Asaoka .........................................................................................47 Phụ lục 4: Xử lý số liệu quan trắc độ lún dự án y ở hải phòng bằng phương pháp Asaoka .........................................................................................55 Phụ lục 5: Xử lý số liệu quan trắc độ lún dự án Y Hải Phòng theo phương pháp Hyperbolic giải tích chính xác ..................................................64 Phụ lục 6.1. Chương trình xử lý số liệu quan trắc độ lún theo phương pháp Asaoka...................................................................................................80 Phụ lục 6.2. Chương trình xử lý số liệu quan trắc độ lún theo phương pháp Hyperbolic ............................................................................................87 Phụ lục 7. Kết quả xử lý một chuỗi số liệu quan trắc tại dự án Y ở Hải Phòng bằng các công cụ khác nhau ...................................................95 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Giải thích CORS Continuously Operating Reference Station Trạm tham chiếu hoạt động liên tục GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu IGS International GNSS Service Tổ chức quốc tế về ứng dụng hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu ITRF International Terrestrial Reference Frame Khung quy chiếu mặt đất quốc tế NMEA National Marine Electronics Association) Hiệp hội điện tử hàng hải quốc gia (Mỹ) MAC Master Auxiliary Concept Ý tưởng Chính- phụ NRTK Network Real Time Kinematic Mạng lưới đo động xử lý tức thời LSP Least Squares Principe Nguyên lý bình phương nhỏ nhất LTSS Lý thuyết sai số PVD Prefabricated Vertical Drain Bấc thấm đứng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam DGNSS Differential Global Navigation Satellite System Kỹ thuật đo phân sai GNSS FKP Flachen-Koreektur-Parameter Tham số hiệu chỉnh khu vực GLONASS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu của Nga MAC Master Auxiliary Concept Ý tưởng Chính - phụ RTK Real Time Kinematic Đo động xử lý tức thời RINEX Receiver Independent Exchange Format Chuẩn dạng trao đổi dữ liệu độc lập máy thu SBAS Satellite Based Augmentation System Hệ thống hỗ trợ vệ tinh VRS Virtual Reference Station Trạm tham chiếu ảo RTCM Radio Technical Commission for Maritime Services Ủy ban kỹ thuật vô tuyến hàng hải NTRIP Networked Transport of RTCM via Internet Protocol Truyền dẫn số liệu cải chính RTCM qua giao thức internet viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các thiết bị công nghệ lắp đặt tại dự án East Coast Reclamation Project .19 Bảng 1.2. Sự phụ thuộc của một số thông số cố kết vào thời điểm bắt đầu quan trắc .....21 Bảng 1.3. Sự phụ thuộc của một số thông số cố kết vào giãn cách giữa hai chu kỳ đo ...21 Bảng 1.4 Kết quả xử lý số liệu quan trắc tại dự án cao tốc Hà nội- Lào Cai ............25 Bảng 1.5 Kết quả xử lý số liệu quan trắc lún tại dự án Hà Nội- Hải Phòng .............27 Bảng 2.1 Mức độ tương quan giữa ∆ℎ𝑓,𝑥 và ∆𝑆;𝑺 đối với máy thủy chuẩn 𝒊= 𝟐𝟎" .........37 Bảng 2.3. Cấu trúc của tin nhắn GGA và các thông tin chi tiết của nó ....................60 Bảng 2.4. Chỉ số chất lượng định vị RTK ................................................................61 Bảng 2.5. Cấu trúc của tin nhắn GST và các thông tin chi tiết của nó .....................62 Bảng 2.6. Các tham số tính chuyển tọa độ từ hệ WGS- 84 sang hệ tọa độ VN- 2000 ......66 Bảng 2.7. Một đoạn tin nhắn trị đo theo định dạng tiêu chuẩn NMEA-0183 ...........70 Bảng 2.8. Tệp kết quả ở dạng chuỗi tin nhắn trị đo GGA. .......................................71 Bảng 2.9. Tệp kết quả ở dạng chuỗi tin nhắn trị đo GST .........................................72 Bảng 2.10. Kết quả tính chuyển tọa độ từ hệ tọa độ WGS84 sang hệ tọa độ VN2000...73 Bảng 2.11. Kết quả độ lún xác định bằng phương pháp thực nghiệm mô phỏng .....76 Bảng 3.1 Mức độ ảnh hưởng tương quan của các đại lượng theo giá trị R2 ............87 Bảng 3.2: Bảng thống kê các kết quả dự báo của nền đất yếu ..................................87 Bảng 4.1. Một đoạn số liệu quan trắc ở chu kỳ 1 của điểm P1 .............................. 112 Bảng 4.2. Kết quả xử lý số liệu quan trắc mốc P1 ở chu kỳ 1 ............................... 113 Bảng 4.3. Một đoạn số liệu quan trắc mốc P2 ở chu kỳ 1 ..................................... 114 Bảng 4.4. Kết quả xử lý số liệu quan trắc mốc P2 ở chu kỳ 1 ............................... 115 Bảng 4.5. Một đoạn số liệu quan trắc mốc P3 ở chu kỳ 1 ..................................... 116 Bảng 4.6. Kết quả xử lý số liệu quan trắc mốc P3 ở chu kỳ 1 ............................... 117 Bảng 4.7. Một đoạn số liệu quan trắc mốc P4 ở chu kỳ 1 ..................................... 118 Bảng 4.8. Kết quả xử lý số liệu quan trắc mốc P4 ở chu kỳ 1 ............................... 119 Bảng 4.9. Một đoạn số liệu quan trắc mốc P5 ở chu kỳ 1 ..................................... 120 Bảng 4.10. Kết quả xử lý số liệu quan trắc mốc P5 ở chu kỳ 1 ............................. 121 Bảng 4.11. Kết quả quan trắc độ lún nền đường .................................................... 122 ix Bảng 4.12. Kết quả tính toán tại bàn lún C2 và C8 bằng phương pháp Asaoka đồ giải ................................................................................................... 123 Bảng 4.13. Số liệu quan trắc hiện trường của SP47- A Block 10 .......................... 124 Bảng 4.14 Tổng hợp kết quả xử lý số liệu quan trắc SP47A Block 10 ................. 124 Bảng 4.15. Bảng số liệu quan trắc bàn lún SP41-Block 10 ................................... 125 x DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hình ảnh đoạn đường bị lún xảy ra tại một số tuyến đường. .......................9 Hình 1.2. Phương pháp đo cao hình học từ giữa. ......................................................11 Hình 1.3 a. Thiết bị đo lún sâu; b. Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng ...............................12 Hình 1.4 Các thiết bị công nghệ san lấp tạo mặt bằng sân bay Kansai ....................17 Hình 1.5. a. Mốc quan trắc kép để quan trắc độ lún của hai lớp liền kề; b. Sử dụng phương pháp từ tính để quan trắc độ lún của nhiều lớp đất c,d. Đồ thị lún dựng theo kết quả quan trắc. ................................................................18 Hình 1.6. a. Đảo quốc Singapore (Phần màu hồng là phần bồi đắp mở rộng): b. Xử lý đất yếu tại dự án East Coast Reclamation Project ...........................19 Hình 1.7. Đồ thị diễn biến độ lún của bàn lún 0030600D1 theo thời gian ...............21 Hình 1.8 Kết quả xử lý số liệu quan trắc độ lún .......................................................23 Hình 1.9. a. Vị