Luận văn Khảo sát phương pháp bình sai lới trắc địa tự do và ứng dụng trong xử lý số liệu quan trắc lún công trình

LUẬN VĂN Đề tài: “Khảo sỏt phương phỏp bỡnh sai lới trắc địa tự do và ứng dụng trong xử lý số liệu quan trắc lỳn cụng trỡnh” Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp mục lục Trang Mục lục ............................................................................................................................................ 1 Mở đầu............................................................................................................................................... 2 Chương 1 - quan trắc lún công trình..............................................................3 1.1 Những vấn đề chung về quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình ............................................................................................................................... 3 1.2 Quan trắc lún công trình ................................................................................................. 7 1.3 Thực trạng công tác quan trắc công trình ở nước ta..................................... 20 Chương 2 - khảo sát phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do .................................................................... 22 2.1 Một số khái niệm về lưới trắc địa tự do .............................................................. 22 2.2 Mô hình toán học của phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do........... 23 2.3 Tính chất cơ bản của kết quả bình sai lưới tự do ........................................... 28 2.4 Vấn đề định vị hệ thống lưới độ cao đo lún .................................................... 30 Chương 3 – ứng dụng phương pháp bình sai lưới tự do để xử lý số liệu quan trắc lún công trình .... 32 3.1 Thuật toán............................................................................................................................. 32 3.2 Sơ đồ khối và quy trình xử lý lưới độ cao đo lún ......................................... 35 3.3 Lập trình bình sai lưới quan trắc độ lún.............................................................. 38 3.4 Chương trình nguồn và tệp dữ liệu......................................................................... 41 3.5 Sử dụng chương trình..................................................................................................... 49 3.6 Tính toán thực nghiệm .................................................................................................. 51 Kết luận ........................................................................................................................................... 58 Tài liệu tham khảo..................................................................................................................... 59 Phụ lục 1.............................................................................................................................. ................. 60 Phụ lục 2.............................................................................................................................. ................. 63 Phụ lục 3............................................................................................................................... ................. 66 Lương Anh Tuấn - 1 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Mở đầu 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. Lưới trắc địa công trình nói chung và lưới quan chuyển dịch công trình nói riêng được xây dựng theo quy trình và chỉ tiêu kỹ thuật riêng nhằm giải quyết các nhiệm vụ đa dạng của chuyên nghành. Do đó nó không giống như lưới 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 trắc địa công trình nêu trên nó đòi hỏi phải có kỹ thuật xử lý số liệu riêng phù hợp với đặc điểm và bản chất của lưới. Nhận thấy tầm quan trọng của công tác xử lý số liệu quan trắc lún công trình, trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp khoá học, em đã chọn và nghiên cứu đề tài với nội dung: “Khảo sát phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do và ứng dụng trong xử lý số liệu quan trắc lún công trình” . Nội dung đồ án được em trình bày trong 3 chương: Chương 1: Quan trắc lún công trình Chương 2: Khảo sát phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do. Chương 3: ứng dụng phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do để xử lý số liệu quan trắc lún công trình. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS. NGUYễN QUANG PHúC trong suốt quá trình em làm đồ án. Do thời gian và chuyên môn có hạn nên trong đồ án này không tránh khỏi những khiếm khuyết. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp đề đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Lương Anh Tuấn - 2 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Chương 1 QUAN TRắC LúN CÔNG TRìNH 1.1. NHữNG VấN Đề chung Về quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình 1.1.1. Hiện tượng chuyển dịch và biến dạng công trình a. Hiện tượng chuyển dịch 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 dịch công trình thành hai loại: - Chuyển dịch thẳng đứng: là sự thay đổi vị trí của công trình theo phương dây dọi. Chuyển dịch theo hướng xuống dưới gọi là lún. Chuyển dịch theo hướng lên trên gọi là trồi. - Chuyển dịch ngang: là sự thay vị trí của công trình trong mặt phẳng nằm ngang. Chuyển dịch ngang có thể theo một hướng bất kỳ hoặc theo một hướng xác định (hướng áp lực lớn nhất). b. Hiện tượng biến dạng Là sự thay đổi hình dạng và kích thước của công trình trong không gian và theo thời gian. Biến dạng là hậu quả tất yếu của sự chuyển dịch không đều của công trình và các biểu hiện thường gặp là sự: cong, vênh, vặn xoắn, các vết rạn nứt … 1.1.2. Nguyên nhân gây nên chuyển dịch và biến dạng công trình Có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng chuyển dịch và biến dạng công trình, nhưng quy nạp lại thì có hai nhóm nguyên nhân chính. Cụ thể: a. Nhóm nguyên nhân liên quan đến các điều kiện tự nhiên Nhóm nguyên nhân này gây ra do : Tính chất cơ lý của các lớp đất đá dưới nền móng của công trình, ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng (như nhiệt độ, độ ẩm, hướng chiếu sáng...), sự thay đổi chế độ nước mặt, nước ngầm ngoài ra sự vận động nội sinh trong lòng trái đất cũng gây nên chuyển dịch và biến dạng của công trình (tuy nhiên mức độ chuyển dịch do nguyên nhân này gây ra thường rất bé). Lương Anh Tuấn - 3 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp b. Nhóm nguyên nhân có liên quan đến quá trình xây dựng và vận hành công trình Trong quá trình xây dựng và vận hành công trình do sự gia tăng tải trọng của công trình, do những sai sót trong quá trình khảo sát địa chất công trình, do việc khai thác nước ngầm gây nên hiện tượng sụt lún dưới lòng đất hoặc có thể là việc xây dựng các công trình ngầm, các công trình xây chen ….đã gây nên chuyển dịch và biến dạng công trình. 1.1.3. Công tác quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình a. Mục đích quan trắc Công tác quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình cần được tiến hành theo phương án kỹ thuật nhằm đạt được các mục đích sau: - Thứ nhất là xác định các giá trị độ lún, độ chuyển dịch tuyệt đối và tương đối của nền nhà và công trình so với các giá trị tính toán theo thiết kế của chúng. Từ đó tìm ra những nguyên nhân gây ra lún, chuyển dịch và mức độ nguy hiểm của chúng đối với quá trình làm việc bình thường của nhà và công trình trên cơ sở đó đưa ra các giải pháp nhù hợp nhằm phòng ngưà các sự cố có thể xảy ra; - Thứ hai là xác định các thông số đặc trưng cần thiết về độ ổn định của nền và công trình, làm chính xác thêm các số liệu đặc trưng cho tính chất cơ lý của nền đất; Dùng làm số liệu kiểm tra các phương pháp tính toán, xác định các giá trị độ lún, độ chuyển dịch giới hạn cho phép đối với các loại nền đất và các công trình khác nhau. b. Nguyên tắc thực hiện công tác quan trắc Công tác quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình được tiến hành theo 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 đối tượng khác được xem là ổn định. - Chuyển dịch biến dạng công trình thường có trị số nhỏ vì vậy phải có Lương Anh Tuấn - 4 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp phương pháp và phương tiễn có độ chính xác cao. - Cần phải có kỹ thuật xử lý riêng phù hợp với đặc điểm và bản chất của một mạng lưới quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình. c. Yêu cầu độ chính xác quan trắc. Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch chính là độ chính xác cần thiết xác định chuyển dịch công trình, chỉ tiêu định lượng của đại lượng này phụ thuộc chủ yếu vào tính chất cơ lý đất đá dưới nền móng, đặc điểm kết cấu và vận hành công trình. Yêu cầu độ chính xác có thể được xác định theo giá trị chuyển dịch dự báo (cho trong bản thiết kế) hoặc có thể được xác định theo các tiêu chuẩn xây dựng, vận hành công trình (quy định trong các tiêu chuẩn ngành). - Nếu theo độ chuyển dịch dự báo (cho trong bản thiết kế hoặc được xác định theo một số chu kỳ đã quan trắc), yêu cầu độ chính xác quan trắc sẽ được xác định theo công thức: Q m  Q 2 Với mQ là yêu cầu độ chính xác quan trắc ở thời điểm t . Q là giá trị chuyển dịch dự báo giữa 2 chu kỳ quan trắc.  là hệ số đặc trưng cho độ tin cậy của kết quả quan trắc. Thường chọn   3 và lúc này sẽ có mQ  0.17 Q . - Nếu yêu cầu độ chính xác quan trắc được xác định dựa vào quy mô của công trình và tính chất của nền đất dưới móng công trình thì yêu cầu độ chính xác quan trắc được quy định theo bảng 1.1. Bảng 1.1 Độ chính xác quan trắc Loại công trình và nền móng Độ chính xác quan trắc(mm) Công trình xây dựng trên nền đá gốc và nửa đá gốc  1.0 Công trình trên nền sét nền chịu lực  3.0 Các loại đập đất, đá chịu lực cao  5.0 Các công trình xây dựng trên nền trượt  10.0 Các loại công trình bằng đất đắp  15.0 Lương Anh Tuấn - 5 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp d. Chu kỳ quan trắc Nhìn chung chu kỳ quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình được quy định phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Tùy thuộc vào loại công trình và tính chất của nền đất đá dưới móng công trình - Tùy thuộc vào từng giai đoạn xây dựng và vận hành công trình. 1. Đối với quan trắc chuyển dịch thẳng đứng công trình Việc xác định thời gian đo (chu kỳ đo) chiếm một vai trò rất quan trọng. Theo kinh nghiệm khi quan trắc các công trình ng−ời ta chia làm 2 giai đoạn: - Quan trắc lún trong giai đoạn thi công; - Quan trắc lún khi công trình đ−a vào sử dụng; Giai đoạn thi công, quan trắc lún th−ờng đ−ợc xác định theo tiến độ thi công và mức độ phức tạp của công trình. Để dễ dàng cho việc theo dõi, ng−ời ta đo theo tải trọng hoàn thành của quá trình xây dựng cụ thể là: - Công trình hoàn thành xong phần móng. - Công trình đạt tới 20% tải trọng. - Công trình đạt tới 50% tải trọng - Công trình đạt tới 75% tải trọng - Công trình đạt tới 100% tải trọng Đối với các công trình phức tạp, ngoài việc theo dõi chuyển dịch biến dạng của móng (khi hoàn thành xây xong phần móng) có thể cứ đạt 10% tải trọng thì cần phải quan trắc một lần. Tại mỗi lần quan trắc, kết quả so sánh với lần đo tr−ớc gần đó và sau khi xem xét hiệu chênh lệch cao của hai lần đo kề nhau ∆h (độ lún) là cơ sở để quyết định việc tăng dầy các lần đo hay cứ tiến hành đo theo tiến độ đã ấn định ngay từ đầu. - ở giai đoạn thứ hai khi công trình đ∙ đ−a vào sử dụng. Việc phân định số lần đo phụ thuộc hoàn toàn vào yêu cầu độ chính xác đo lún của mỗi công trình nh− đ∙ trình bày ở trên. Nếu sai số cho phép đo và cấp chính xác càng nhỏ thì các chu kỳ (thời gian) cách nhau càng lớn ng−ợc lại sai số cho phép đo và độ chính xác càng lớn thì chu kỳ đo cách nhau càng ít hơn. Khi công trình Lương Anh Tuấn - 6 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp có dấu hiệu biến dạng lớn thì chu kỳ đo với một số yêu cầu đặc biệt do ng−ời t− vấn hoặc thiết kế quy định. Thời kỳ công trình đi vào ổn định (tốc độ chuyển dịch của công trình đạt được từ 1mm /năm  2mm/năm), thời kỳ này chu kỳ quan trắc có thể là 6 tháng hoăc 1 năm và có thể là 2 năm. 2. Đối với quan trắc chuyển dịch ngang công trình Thời gian thực hiện các chu kỳ quan trắc chuyển dịch được tiến hành dựa vào các yếu tố : - Loại nhà và công trình; - Loại nền đất xây dựng nhà và công trình; - Đặc điểm áp lực ngang; - Mức độ chuyển dịch ngang; - Tiến độ thi công xây dựng công trình. Chu kỳ quan trắc đầu tiên được thực hiện ngay sau khi xây dựng móng công trình và trước khi có áp lực ngang tác động đến công trình. Các chu kỳ tiếp theo được thực hiện tuỳ thuộc vào mức tăng hoặc giảm áp lực ngang tác động vào công trình hoặc có thể quan trắc 2 tháng 1 lần trong thời gian xây dựng công trình. Trong thời gian sử dụng công trình, số lượng chu kỳ quan trắc được tiến hành từ 1  2 chu kỳ trong một năm, vào những thời điểm mà điều kiện ngoại cảnh khác biệt nhất. Ngoài ra cần phải quan trắc bổ sung đối với các công trình có độ chuyển dịch ngang lớn, hoặc quan trắc bổ sung để tìm ra nguyên nhân gây nên sự cố công trình. 1.2. quan trắc lún công trình 1.2.1. Các phương pháp quan trắc lún công trình a. Đo cao hình học Phương pháp này dựa trên nguyên lý sử dụng tia ngắm nằm ngang xác định chênh cao giữa hai điểm (Hình 1.1). Lương Anh Tuấn - 7 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Hình 1.1. Trạm đo cao hình học Nếu máy thủy chuẩn đặt giữa khoảng A, B, ký hiệu (a), (b) là các số đọc tương ứng trên mia sau (đặt tại A) và mia trước (đặt tại B), khi đó chênh cao giữa hai điểm A, B được tính theo công thức: hAB = (a) – (b) Việc quan trắc để xác định độ lún công trình phải đ−ợc tiến hành theo một quy định đo cao hình học chính xác đặc biệt hay còn gọi là đo cao hình học tia ngắm ngắn. Những chỉ tiêu kỹ thuật của đo cao hình học tia ngắm ngắn được quy định ở bảng 1.3 Bảng 1.3 Chỉ tiêu kỹ thuật của thủy chuẩn hình học tia ngắm ngắn Hạng thủy chuẩn Chỉ tiêu I II III Chiều dài tia ngắm (m) ≤ 25 ≤ 25 ≤ 40 Chiều cao tia ngắm (m) ≥ 0,8 ≥ 0,5 ≥ 0,3 Chênh lệch khoảng ngắm (m): - Trên 1 trạm 0,4 1,0 2,0 - Trên toàn tuyến 2,0 4,0 5,0 Sai số khép cho phép (mm) ≤  0,3 n ≤ 1,0 n ≤  2,0 n b. Đo cao thuỷ tĩnh Phương pháp đo cao thủy tĩnh dựa trên nguyên lý bình thông nhau: “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 các bình”. Lương Anh Tuấn - 8 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp (a)-Vị trớ đo thuận (b)-Vị trớ đo đảo Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo máy đo cao thủy tĩnh Để xác định chênh cao h giữa hai điểm A, B nếu : - Đo thuận hAB = (d1 – S1) – (d2 – T1) - Đo đảo hAB = (d2 – S2) – (d1 – T2) Trong đó: S1, T1 (S2, T2) - số đọc trên thang số tại các bình N1 và N2 tương ứng. d1, d2 - khoảng cách từ vạch “0” của thang số đến mặt phẳng đáy của bình. Phương pháp này cho độ chính xác cao nhưng phạm vi ứng dụng hạn chế và chỉ dùng khi phương pháp thủy chuẩn hình học không có hiệu quả. c. Đo cao lượng giác Phương pháp đo cao lượng giác dựa trên nguyên lý xác định gián tiếp chênh cao thông qua việc đo góc nghiêng và khoảng cách. Phương pháp này có độ chính xác không cao nên chỉ dùng quan trắc các công trình có độ chính xác thấp và khi những điều kiện không thuận lợi hoặc kém hiệu quả đối với đo cao hình học. Trong quan trắc lún công trình thường sử dụng phương pháp đo cao lượng giác tia ngắm ngắn (chiều dài tia ngắm không vượt quá 100m). l Z V B i A D Hình 1.3: Đo cao lượng giác Lương Anh Tuấn - 9 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp Chênh cao giữa hai điểm A và B được xác định theo công thức: hAB  D. ctgZ  i  l  f Hoặc: hAB  D. tgV  i  l  f Trong đó: D là khoảng cách ngang, Z là góc thiên đỉnh, V là góc đứng, i là chiều cao máy , l là chiều cao tiêu, f là số hiệu chỉnh do chiết quang đứng. Trong thực tế sản xuất, đo cao hình học là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để quan trắc độ lún. Các phương pháp đo cao khác chỉ được dùng như biện pháp bổ trợ, khi yêu cầu độ chính xác quan trắc không cao hoặc điều kiện thực tế không cho phép áp dụng được đo cao hình học. Và như đã trình bày, để đạt độ chính xác cao trong quan trắc độ lún công trình chúng ta phải áp dụng đo cao hình học tia ngắm ngắn. Vì có những đặc thù nh− vâỵ nên phải có những yêu cầu riêng cho hệ thống lưới và các loại mốc dùng trong quan trắc lún công trình. Vấn đề này sẽ được chúng tôi trình bày ở phần tiếp theo. 1.2.2 Lưới khống chế và các loại mốc dùng trong quan trắc lún công trình Chuyển dịch thẳng đứng công trình là sự thay đổi độ cao của công trình theo thời gian, vì vậy để quan trắc chuyển dịch thẳng đứng công trình phải lập lưới khống chế độ cao nhằm xác định độ cao công trình ở các thời điểm để so sánh với nhau tìm ra chuyển dịch. Lưới khống chế trong quan trắc chuyển dịch là mạng lưới độc lập, được tiến hành đo lặp trong các chu kỳ quan trắc. Các mạng lưới này thông thường được xây dựng thành 2 bậc; bậc 1 là lưới khống chế cơ sở và bậc 2 là lưới quan trắc. a. Cấp lưới cơ sở Cao độ các điểm mốc của lưới khống chế cơ sở là số liệu gốc cho việc thính toán và đánh giá độ chuyển dịch của các điểm kiểm tra được gắn trên công trình cần theo dõi, và nếu chỉ cần một trong các mốc này bị chuyển dịch vị trí sẽ làm sai lệch vị trí các mốc quan trắc và tất nhiên điều này sẽ ảnh hưởng đến các kết quả đánh giá độ chuyển dịch của công trình. Do vậy các điểm khống chế cơ sở cần được bố trí tại những nơi có điều kiện Lương Anh Tuấn - 10 - Lớp Trắc địa B-K48 Khoa Trắc địa Đồ án tốt nghiệp địa chất ổn định, nằm ngoài phạm vị chịu tác động của sự chuyển dịch công trình và đặc biệt phải có độ ổn định cao trong suốt quá trình quan trắc. Yêu cầu về hệ thống mốc cơ sở [7] Hệ thống mốc chuẩn đóng vai trò rất quan trọng, nó là điểm gốc của hệ chuẩn (hệ quy chiếu). Vì vậy cần xây dựng một hệ thống mốc chuẩn cố định, tức là độ cao của chúng không thay đổi theo thời gian. Nếu vì tr−ờng hợp quá khó khăn cũng có thể dựa vào các mốc chuẩn không ổn định tức là các mốc chuẩn này vẫn bị lún do những nguyên nhân khác gây ra, nh−ng phải biết đ−ợc quy luật lún của chúng để nội suy hoặc ngoại suy giá trị độ cao ở thời điểm nào đó với độ chính xác cần thiết. Tuy nhiên, việc xác định đ−ợc độ ổn định của các mốc chuẩn là rất khó khăn và phức tạp. Vì thế khi xây dựng hệ thống mốc chuẩn phải nghiên cứu kỹ các tài liệu địa chất công trình, địa chất thuỷ văn. Số l−ợng mốc chuẩn phải đủ và đ−ờng tuyến dẫn từ các mốc chuẩn gốc phải chính xác, hợp lý và ổn định và có đủ điều kiện kiểm tra, đánh giá đ−ợc sự ổn định của chúng. Về số l−ợng mốc chuẩn: nên tạo thành những cụm hệ thống mốc chuẩn, mỗi cụm này có ít nhất 3 mốc. Tuỳ thuộc vào quy mô và diện tích của nhà và công trình xây dựng mà bố trí số l−ợng mốc chuẩn và số cụm. Các mốc chuẩn phải đ−ợc đặt ở tầng đá gốc hoặc tầng cuội sỏi, trong tr−ờng hợp này mốc chuẩn phải đ−ợc cấu tạo theo kiểu chôn sâu nh− hình 1.4 (a) Trong tr−ờng hợp khó khăn, có thể xây dựng mốc chôn nông nh− hình 1.4 (b) Các mốc này đ−ợc quy định với kích th−ớc lớn, có đế rộng và đ−ợc chôn ở những nơi có cấu tạo địa chất ổn định , cách xa hợp lý nơi quan trắc lún (th−ờ