Chương 1 những vấN ĐỀ chung mục tiêu

Quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình

Là sự thay đổi vị trí của công trình trong không gian so với vị trí ban đầu của công trình.

Là sự thay đổi hình dạng và kích thước của công trình so với trạng thái ban đầu của nó. Biến dạng công trình là hậu quả của sự chuyển dịch không đều của công trình. Các biến dạng thường gặp là hiện tượng cong vênh, vặn xoắn, rạn nứt công trình.

Là sự thay đổi của vị trí công trình theo phương dây dọi.

- Chuyển dịch theo hướng lên trên gọi là trồi

- Chuyển dịch theo hướng xuống dưới gọi là lún

Trong thực tế, để đơn giản thường gọi là chuyển dịch thẳng đứng hoặc gọi là độ lún và ký hiệu là S.

- S mang dấu (+) nếu công trình bị trồi

- S mang dấu ( – ) nếu công trình bị lún

2. Chuyển dịch ngang

Là sự thay đổi vị trí của công trình trong mặt phẳng ngang.

Có nhiều nguyên nhân gây ra chuyển dịch và biến dạng công trình, nằm trong hai nhóm nguyên nhân chủ yếu sau đây:

- Khả năng lún trượt của các lớp đất đá dưới nền móng công trình;

- Các hiện tượng địa chất chất công trình, địa chất thủy văn;

- Sự co giãn của đất đá...;

- Sự thay đổi theo mùa của các chế độ thủy văn như nước mặt, nước ngầm.

2. Nhóm nguyên nhân liên quan đến quá trình xây dựng và vận hành công trình

- Sự 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 công trình do khai thác nước ngầm;

- Sự suy yếu nền móng do thi công các công trình ngầm dưới móng công trình;

- Sự thay đổi áp lực lên 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 nền móng do hoạt động của các loại máy cơ giới, phương tiện giao thông....
1.1.4. Mục đích và nhiệm vụ quan trắc biến dạng công trình

1. Mục đích

Quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình nhằm xác định mức độ chuyển dịch biến dạng, nghiên cứu tìm ra nguyên nhân chuyển dịch biến dạng và từ đó có biện pháp xử lý, để phòng tai biến đối với công trình. Cụ thể là:

- Xác định giá trị chuyển dịch biến dạng để đánh giá mức độ ổn định của công trình.

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

- Xác định các loại biến dạng có ảnh hưởng đến quá trình vận hành công trình để đề ra chế độ sử dụng và khai thác công trình một cách hợp lý.

2. Nhiệm vụ

Để quan trắc chuyển dịch biến dạng của một công trình, cần thực hiện các nội dung sau

- Xác định nhiệm vụ kỹ thuật, khái quát về công trình, điều kiện tự nhiên và chế độ vận hành công trình;

- Lập sơ đồ phân bố các mốc khống chế và mốc quan trắc;

- Thiết kế sơ đồ quan trắc;

- Xác định yêu cầu độ chính xác và chu kỳ quan trắc ở những giai đoạn khác nhau;

- Lựa chọn phương pháp và phương tiện quan trắc;

- Đo đạc ngoại nghiệp;

- Xử lý số liệu quan trắc, tính toán các thông số chuyển dịch biến dạng công

1.2. NGUYÊN TẮC CHUNG THỰC HIỆN QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH VÀ BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH
Việc quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình được thực hiện dựa trên các nguyên tắc sau đây:

- Quan trắc (Monitoring) khác với đo đạc (Surveying) ở chỗ ngoài việc xác định 3 tham số không gian (tọa độ x, tọa độ y và độ cao) của điểm còn phải xác định thêm tham số thời gian t. Nghĩa là để xác định chuyển dịch và biến dạng công trình cần đo đạc ở nhiều thời điểm, so sánh để xác định chuyển dịch. Mỗi thời điểm đo đạc được gọi là một chu kỳ.

- Chuyển dịch và biến dạng công trình được xác địng dựa trên việc so sánh với một đối tượng được xem là ổn định. Đối tượng được xem là ổn định này có thể là công trình liền kề ổn định hoặc các mốc khống chế có độ ổn định rất cao. Trong thực tế, trong quan trắc biến dạng và chuyển dịch công trình thường lập hệ thống khống chế gồm hai bậc độc lập, bậc thứ nhất có độ ổn định rất cao và được dùng làm gốc so sánh.

- Chuyển dịch và biến dạng công trình thường có giá trị rất nhỏ và diễn ra chậm chạp theo thời gian. Vì vậy, để phát hiện được chuyển dịch và biến dạng cần phải sử dụng các phương pháp và thiết bị có độ chính xác cao để quan trắc.

- Trong suốt quá trình quan trắc, việc tính toán bình sai lưới phải được thực hiện trong một hệ thống tọa độ hoặc độ cao đã chọn từ chu kỳ đầu tiên.

1.3. YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ CHU KỲ QUAN TRẮC
1.3.1. Yêu cầu độ chính xác quan trắc

Độ chính xác quan trắc được đề ra ngay từ khi lập đề cương quan trắc và được xác định theo các căn cứ kỹ thuật khác nhau.

Việc xác định sơ bộ độ chính xác đo lún, đo chuyển dịch ngang được thực hiện phù hợp với các giá trị độ lún và độ chuyển dịch ngang dự tính theo thiết kế được nêu trong bảng 1.1

Bảng 1.1

Khi không có số liệu dự tính theo thiết kế thì việc xác định độ chính xác quan trắc dựa vào đặc điểm của nền đất và tầm quan trọng của công trình như trong bảng 1.2.

Đo lún được tiến hành nhiều lần, mỗi lần đo gọi là một chu kỳ. Thời gian tiến hành các chu kỳ đo được xác định trong khi thiết kế kỹ thuật quan trắc lún. Chu kỳ quan trắc phải được tính toán sao cho kết quả quan trắc phản ánh được thực chất quá trình lún của công trình.

Có thể phân các chu kỳ quan trắc trong ba giai đoạn:

- Giai đoạn thi công:

Chu kỳ 0: Là chu kỳ quan trắc đầu tiên, được tiến hành khi đã thi công xong phần móng công trình và mặt sàn tầng 1.

Các chu kỳ tiếp theo được ấn định tuỳ thuộc tiến độ xây dựng và mức tăng tải trọng công trình. Thường thực hiện vào lúc công trình xây dựng đạt 25%, 50%, 75%, 100% tải trọng của bản thân nó.

- Giai đoạn đầu vận hành công trình:

Các chu kỳ quan trắc phụ thuộc vào tốc độ lún của công trình, đặc điểm vận hành công trình. Thời gian giữa hai chu kỳ trong giai đoạn này thường chọn từ 2 đến 6 tháng.

- Giai đoạn công trình đi vào ổn định:

Khi tốc độ chuyển dịch từ 1÷2mm/năm thì được xem là công trình đã đi vào ổn định

Thời gian giữa hai chu kỳ kế tiếp thường chọn từ 6 tháng đến 1 năm hoặc 2 năm.

Trong một số trường hợp đặc biệt khi xuất hiện yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của công trình, cần thực hiện những chu kỳ quan trắc đột xuất.

Chu kỳ 0: Là chu kỳ quan trắc đầu tiên được thực hiện khi xây xong công trình và trước khi có áp lực ngang tác động đến công trình.

Chu kỳ 1: Được thực hiện ngay sau khi có áp lực ngang tác động lên công trình.

Các chu kỳ tiếp theo: Được thực hiện tùy theo mức tăng hoặc giảm áp lực ngang đối với công trình.

Khi công trình ổn định: Khi tốc độ chuyển dịch từ 1÷2mm/năm thì được xem là công trình đã đi vào ổn định. Thời gian giữa hai chu kỳ kế tiếp thường chọn từ 6 tháng đến 1 năm.

Trong trường hợp điều kiện vận hành công trình hoặc mức độ chuyển dịch công trình có sự thay đổi đột ngột thì phải quan trắc bổ sung.

1. Nêu định nghĩa chuyển dịch và biến dạng công trình?

2. Phân loại chuyển dịch và biến dạng công trình?

3. Nguyên nhân gây ra chuyển dịch biến dạng công trình?

4. Mục đích và nhiệm vụ quan trắc biến dạng công trình?

5. Nguyên tắc chung thực hiện quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình?

6. Yêu cầu độ chính xác quan trắc?

7. Chu kỳ quan trắc là gì?

Độ lún của công trình là sự thay đổi vị trí độ cao của công trình theo thời gian và được biểu diễn bằng công thức nguyên lý sau đây:

S_i^j,j-1 = H_i^j - H_i^j-1 (2.1a)

Hoặc S_i^j,0 = H_i^j - H_i⁰ (2.1b)

trong đó:

S_i^j,j-1 là độ lún của điểm i tại chu kỳ quan trắc J so với chu kỳ J-1

S_i^j,0 là độ lún của điểm i tại chu kỳ quan trắc J so vối chu kỳ 0
2.1.2. Quan trắc độ lún công trình

Quan trắc độ lún công trình thực chất là xác định sự thay đổi độ cao của các điểm đặc trưng trên công trình. Do vậy cần lập lưới khống chế độ cao và đo đạc ở nhiều thời điểm để xác định độ cao các điểm đặc trưng đó.

Để quan trắc lún công trình thường lập hệ thống lưới khống chế gồm 2 cấp độc lập nhau.

Gồm các mốc độ cao cơ sở hay còn gọi là các mốc độ cao gốc được xây dựng kiên cố, có độ ổn định cao và bố trí ngoài phạm vi ảnh hưởng của độ lún công trình.

Có thể bố trí thành từng cụm, mỗi cụm từ 03 điểm trở lên (hình 2.1) hoặc bố trí dạng rời từng điểm (hình 2.2) nhưng tổng số mốc không được nhỏ hơn 3.





2. Cấp lưới quan trắc

Bao gồm các mốc kiểm tra (hay còn gọi là các mốc lún) được gắn trực tiếp vào trinh và chuyển dịch cùng với công trình. Các mốc này phải được gắn tại các vị trí đặc trưng cho quá trình lún của của công trình như các điểm 1, 2, ..., 14 ở hình 2.3.

Hệ thống các điểm kiểm tra tạo thành một lưới độ cao với các điểm gốc là các điểm của lưới cơ sở (hình 2.3).



2.2.2. Các loại mốc dùng trong quan trắc lún công trình

1. Kết cấu và phân bố mốc cơ sở

Về cấu tạo có các loại như mốc chôn sâu (hình 2.1), mốc chôn nông (hình 2.2) và mốc gắn tường. Mốc chôn sâu và mốc gắn tường thường dùng trong đo lún hạng II, III.

Hình 2.1

Gồm các loại mốc gắn tường (hình 2.3) và mốc gắn nền (hình 2.4). Kết cấu của mốc đơn giản, thường là một đoạn thép Ф20mm, dài 6÷15cm và được gắn vào công trình tại những nơi đặc trưng cho quá trình chuyển dịch của công trình và cùng chuyển dịch với công trình.

Hình 2.3

Hình 2.4

Mia được sử dụng là mia invar thường hoặc mia invar chuyên dùng có kích thước ngắn hơn.

Các dụng cụ cần dùng khác như nhiệt kế, cóc mia, ô che nắng.

Trước và sau mõi chu kỳ đo, máy và mia phải được kiểm nghiệm theo đúng quy định, đặc biệt phải xác định độ ổn định của góc i.

Sơ đồ lưới đo cao được lựa chọn và ước tính độ chính xác trong khi lập thiết kế đo lún.

Khi thiết kế sơ đồ lưới cần căn cứ vào điều kiện thực tế của công trình để lựa chọn các chênh cao cần đo và số lượng trạm máy cho từng chênh cao đo một cách hợp lý, bảo đảm tạo ra được nhiều vòng khép để có điều kiện kiểm tra. Sơ đồ lưới sau khi được chọn sẽ thống nhất sử dụng trong tất cả các chu kỳ đo.

b. Ước tính độ chính xác

Việc ước tính độ chính xác được thực hiện theo tiêu chuẩn hạn sai xác định độ lún tuyệt đối hoặc hạn sai xác định chênh lệch lún. Trong thực tế thường ước tính theo tiêu chuẩn hạn sai xác định chênh lệch lún.

Yêu cầu độ chính xác trong mỗi cấp lưới được tính

- Cấp lưới cơ sở

+ Sai số trung phương

(2.2)

+ Sai số trung phương trọng số đơn vị

- Cấp lưới quan trắc

+ Sai số trung phương

(2.4)

+ Sai số trung phương trọng số đơn vị

Trong các công thức trên, Q⁽¹⁾_yn và Q⁽²⁾_yn là trọng số đảo của điểm yếu nhất trong lưới cơ sở và lưới quan trắc, xác định bằng cách nghịch đảo ma trận hệ số của hệ phương trình chuẩn.

Sai số trung phương trọng số đơn vị tính theo công thức (2.3) và (2.5) là cơ sở để chọn máy móc, thiết bị và chương trình đo ngắm cho thích hợp.

Đối với mỗi công trình nên sử dụng một bộ máy, dụng cụ cố định, cùng người đo và cố gắng đo trong những điều kiện tương tự như nhau.

Khi đo lún bằng phương pháp đo cao hình học tia ngắm ngắn cần tuân theo các chỉ tiêu kỹ thuật nêu trong bảng 2.1.

Chỉ tiêu	Hạng thủy chuẩn
	I	II	III
Chiều dài tia ngắm (m)	≤ 25	≤ 25	≤ 40
Chiều cao tia ngắm	≥ 0,8	≥ 0,5	≥ 0,3
Chênh lệch khoảng ngắm (m) - Trên một trạm - Trên toàn tuyến	≤0,4 ≤2,0	≤1,0 ≤4,0	≤2,0 ≤5,0
Sai số khép cho phép

Phương pháp đo cao thuỷ tĩnh được áp dụng để quan trắc lún của nền các kết cấu xây dựng trong điều kiện rất chật hẹp, không thể quan trắc bằng phương pháp đo cao hình học.

Máy đo cao thuỷ tĩnh là một hệ thống bình thông nhau. Tuỳ điều kiện cụ thể có thể cố định máy thuỷ tĩnh với công trình trong suốt quá trình lún hoặc dùng các máy thuỷ tĩnh cơ động.

1. Cấu tạo máy và phương pháp đo

Giả sử cần xác định chênh cao giữa hai điểm A và B bằng hệ thống đo thủy tĩnh gồm hai bình N₁ và N₂ (hình 2.5).

Chênh cao sẽ được đo ở hai vị trí thuận và nghịch của các bình

Chênh cao giữa A và B là:

- Vị trí thuận: h_AB = (d₁ – S₁) – (d₂ – T₁)

- Vị trí nghịch: h_AB = (d₂ – S₂) – (d₁ – T₂)

- Trung bình:

(2.6)
2. Độ chính xác đo cao thủy tĩnh

Sai số trung phương đo chênh cao được xác định theo công thức

Các nguồn sai số chủ yếu ảnh hưởng đến độ chính xác đo cao tuỷ tĩnh là các sai số do điều kiện ngoại cảnh. Vì vậy trong quá trình đo cần phải áp dụng một số biện pháp sau đây để giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số đó.

- Tính số hiệu chỉnh cho kết quả đo do sự thay nhiệt độ, áp suất dọc theo tuyến ống dẫn của máy thuỷ tĩnh.

- Đọc số đồng thời trên các máy thuỷ tĩnh để giảm ảnh hưởng của dao động chất lỏng trong các máy.

Trong những điều kiện không thuận lợi hoặc kém hiệu quả đối với đo cao hình học và yêu cầu độ chính xác đo lún không cao thì áp dụng phương pháp đo cao lượng giác tia ngắm ngắn, không quá 100m.

Máy kinh vĩ dùng trong phương pháp này có độ chính xác cao như Theo 010, wild T2, T1T2 và các máy có độ chính xác tương đương. Ngoài ra cần các dụng cụ khác như tiêu ngắm,...

Để xác định chênh cao giữa điểm đặt máy A và điểm dựng tiêu B cần đo các đại lượng: chiều cao máy i, chiều cao tiêu l, khoảng cách ngang D và góc thiên đỉnh Z (hoặc góc đứng V) như hình 2.6.

Trong đo cao lượng giác, chênh cao giữa hai điểm được tính theo công thức:

Hoặc (2.8b)

Với f là số hiệu chỉnh chiết quang đứng, được tính

(2.9)

Trong đó R là bán kinh trung bình của trái đấ (R ≈ 6372km), K là hệ số chiết quang đứng, K = 0,12 ÷ 0,16.

Trong một số trường hợp, khoảng cách D có thể được xác định gián tiếp bằng cách đo hai góc thiên đỉnh Z₁, Z₂ bằng cách đo ngắm vào hai vạch dấu trên tiêu đo, khoảng cách giữa hai vạch dấu này được xác định chính xác và có giá trị bằng b.

(2.10)
2. Độ chính xác của phương pháp

Sai số trung phương xác định chênh cao trong đo cao lượng giác được xác định bằng công thức

Tiêu chuẩn này do A. Kostakhel đề xuất và được xác định như sau:

trong đó:

ΔS_i là giá trị giới hạn về sự thay đổi độ cao của mốc cơ sở thứ i.

t t là hệ số chuyển đổi từ sai số trung phương sang sai số giới hạn, thường chọn t = 2÷3

μ_h là sai số trung phương trên một trạm đo. Chọn μ_h = 0,23mm ứng với độ chính xác của thủy chuẩn hạng I.

[π_h] là trọng số đảo tương đương của tuyến đo cao.

Tại thời điểm đang xét, mốc nào có trị số lún Δ_i vượt quá ΔS_i tính theo công thức trên thì được xem là không ổn định và ngược lại.
2.4.2. Tiêu chuẩn ổn định dựa vào sự thay đổi chênh cao giữa các mốc

Tiêu chuẩn này do K. Tarnovxky đề xuất và được xác định như sau:

Trong đó

μ_tr là sai số trung phương đo cao tại một trạm máy.

n là số trạm máy trong tuyến giữa các mốc cơ sở

Tại thời điểm phân tích, tính các giá trị Δh_i và Δh_p, trong đó:

Δh_i = h_n – h₁ là sự thay đổi của chênh cao thứ i giữa chu kỳ n so với chu kỳ đầu

Δh_p là sự thay đổi chênh cao từ mốc gốc đến mốc cơ sở đang xét giữa chu kỳ n so với chu kỳ đầu

Sau đó tính các trị số

(2.14)

là các trị số đặc trưng cho sự thay đổi độ cao của từng mốc, đem so sánh với tiêu chuẩn (2.13) để xác định mốc ổn định.