MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH
Quan trắc biến dạng là một công việc bắt buộc trong xây dựng công trình. Quan trắc biến dạng công trình có ý nghĩa thực dụng là: đảm bảo an toàn vận hành công trình xây dựng, thiết bị cơ khí; phát hiện kịp thời các biến đổi dị thường, đưa ra phán đoán về tính ổn định, tính an toàn của chúng để tìm biện pháp xử lý, phòng ngừa sự cố phát sinh. Ý nghĩa khoa học của quan trắc biến dạng là: tích lũy tư liệu quan trắc phân tích, có thể giải thích đúng đắn hơn...
MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH
Ths. Đinh Xuân Vinh
Công ty cổ phần Tư vấn đầu tư và xây dựng HUD-CIC
ABSTRACT: không khí, mực nước, dòng thấm, áp lực thấm,
áp lực trương.
In the practical application we prefer using the
observations for the definition of the deformation Đặc điểm của quan trắc biến dạng là quan
model of structure. However, we have to include trắc chu kỳ. Đó là quan trắc lặp lại nhiều lần thể
an identification of the model as a preliminary step biến dạng. Phương án quan trắc của mỗi chu kỳ
in our monitoring deformation. By this model, we như đồ hình lưới quan trắc, máy móc sử dụng,
can estimate the value and the time series of phương pháp đo, người đo đều phải như nhau.
deformation, quantity of iterative time, the Phân bố khoảng thời gian giữa các chu kỳ đo lặp,
allowing time in section and the time between two thời gian đo trong một chu kỳ, số chu kỳ cần quan
sections. The important thing is that the model is trắc, bắt đầu quan trắc từ khi nào và kết thúc khi
used in a realistic way. nào là mô hình xác định biến dạng.
Email: [email protected] B. MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG
Đọc phản biện: PGS.TS. Phan Văn Hiến Có nhiều nguyên nhân dẫn đến biến dạng
công trình như vận động của vỏ trái đất, biến
A. CƠ SỞ dạng nền móng, khai thác nước ngầm, biến đổi
Quan trắc biến dạng là một công việc bắt mực nước ngầm, tác động của các loại tải trọng
buộc trong xây dựng công trình. Quan trắc biến của công trình kiến trúc, lắp đặt thiết bị lệch so
dạng công trình có ý nghĩa thực dụng là: đảm bảo với thiết kế. Các nguyên nhân dẫn đến biến
an toàn vận hành công trình xây dựng, thiết bị cơ dạng có đặc trưng thời gian biểu hiện ở nhiều
khí; phát hiện kịp thời các biến đổi dị thường, trạng thái. Có trạng thái gần tuyến tính, trạng
đưa ra phán đoán về tính ổn định, tính an toàn của thái theo chu kỳ hay trạng thái đột xuất và ngẫu
chúng để tìm biện pháp xử lý, phòng ngừa sự cố nhiên.
phát sinh. Ý nghĩa khoa học của quan trắc biến Biểu thức toán học tổng quát của mô hình
dạng là: tích lũy tư liệu quan trắc phân tích, có biến dạng như sau:
thể giải thích đúng đắn hơn về nguyên nhân biến
∞
dạng, kiểm chứng giả thiết biến dạng, phục vụ
cho nghiên cứu lý thuyết và phương pháp dự báo y (t ) = ∫ g (t ) x(t − τ )dτ (1)
tai biến, kiểm nghiệm lý thuyết thiết kế công 0
trình có chính xác không, cung cấp cơ sở cho sau trong đó: y(t) là lượng biến dạng tại thời điểm t;
này chỉnh sửa thiết kế như cải thiện tham số vật
lí của công trình, tham số cường độ nền móng x(t − τ ) là độ lớn (trị đo) của nguyên
nhằm phòng ngừa sự cố phá hoại công trình, nhân biến dạng tại thời điểm (t − τ ) ;
nâng cao năng lực chống tai biến.
g(t) là hàm trọng số tương ứng với ảnh
Nội dung quan trắc biến dạng chủ yếu bao
hưởng của x(t − τ ) đối với y(t);
gồm quan trắc chuyển dịch ngang, chuyển dịch
thẳng đứng (lún), đo độ nghiêng, độ lệch, độ τ là khoảng thời gian giữa các chu kỳ đo
vênh. Riêng độ lệch và độ vênh có thể xem là lặp.
chuyển dịch ngang trên một hướng nào đó. Độ
nghiêng có thể tính chuyển thành chuyển dịch Ta thấy lượng biến dạng của công trình biến
ngang và chuyển dịch thẳng đứng. Thông qua đổi theo thời gian, không chỉ phụ thuộc vào độ
việc đo chuyển dịch thẳng đứng (lún) và đo lớn của trị đo tại thời điểm t mà còn chịu ảnh
khoảng cách để có được. Ngoài ra cần thiết quan hưởng của các thời điểm trước t. Hình 1 biểu
trắc các đại lượng vật lý liên quan đến biến diễn mô hình biến dạng theo các nguyên nhân gây
dạng như ứng lực, ứng biến, nhiệt độ, áp suất biến dạng. Trong hình, xo và xE là giá trị của
nguyên nhân gây biến dạng tại thời điểm đầu và hằng số thời gian; Tp là chu kỳ biến đổi; Tv là
cuối; yo và yE là lượng biến dạng tại thời điểm thời gian kéo dài của biến dạng.
đầu và cuối; H ∞ là hằng số truyền dẫn; T là
x x x
Nguyªn
nh©n Õn
bi d¹ng Nguyªn
nh©n Õn
bi d¹ng N guyªn
nh©n Õn
bi d¹ng
x E x E
Tp
∆x ∆x x
x O x O
∆t
t t t
t O
Thêigi
an tO tO+∆ t Thêigi
an Thêigi
an
y y y
Bi d¹ng
Õn Bi d¹ng
Õn Bi d¹ng
Õn
y E y E
∆y=Hoo∆x 95% 100%
67% Tv
y O y O y
∆t
T t t t
t O t +T
O t +3T Thêigi
O an t O tO+∆ t Thêigi
an Thêigi
an
(a) (b)
(c)
Hình 1 Mô hình biến dạng theo các nguyên nhân gây biến dạng
1/ Biến dạng phi chu kỳ, mô hình ngẫu nhiên hoặc
và đột biến (hình 1 (a)):
∆ x ∆t t − to
y (t ) = y o + H ∞ 1 − exp ∆ t + T . exp − (5b)
Mô hình hàm số có dạng ∆ t
T T
t − to đối với t > t o + ∆t
y (t ) = H ∞ 1 − exp − (2)
T
Biến dạng tại thời điểm t o có kéo dài, tốc độ
Tốc độ biến dạng lớn nhất tại thời điểm to t o + ∆t
biến dạng tại thời điểm đạt cực đại, ta
dy H có:
= ∞ ∆x (3)
dt to T
dy Δx Δt
=H 1 − exp − T (6)
Lượng biến dạng tại thời điểm cuối dt t + Δt ∞ Δt
o
y E = y o + H ∞ ( x E − xo ) = yo + H ∞ ∆ x (4) 3/ Biến dạng chu kỳ (hình 1(c)):
2/ Biến dạng phi chu kỳ, mô hình tiệm Nguyên nhân ảnh hưởng biến dạng biến đổi
tiến(hình 1(b)): theo chu kỳ, sự tương ứng giữa nguyên nhân biến
dạng x(t) với biến dạng y(t) theo thời gian được
Mô hình hàm số có dạng biểu thị:
∆x t − t o
y (t ) = yo + H ∞ ( t − to ) − T 1 − exp − (5a) t
∆t T x(t ) = x sin 2π
ˆ +ϕx (7)
T
p
đối với t o ≤ t ≤ t o + ∆t
t y(t) Bi d¹ng
Õn y(t)>0
y (t ) = y sin 2π
ˆ +ϕy (8)
T y(t)=0
p y(t) t 0 +3T (15)
y
Trong hình 2, gia tốc biến dạng cần được
quan tâm. Nếu ≥ 0 tức là biến dạng đang vận
y T là hằng số thời gian liên quan đến thể biến
y
động, công trình mất ổn định. Nếu < 0 tức là dạng, có thể dựa vào kinh nghiệm hoặc số liệu
thực nghiệm để xác định.
biến dạng đang giảm dần, công trình đi vào ổn
định theo thời gian.
y Bi d¹ng
Õn Xét công trình xây dựng là một tòa nhà cao 12
tầng. Từ khi bắt đầu thi công san nền khu vực
y E
T hêigi quan r
an t ¾c này, các nhà tư vấn đã khảo sát địa chất công
chu
1 kú
δt trình tại đây. Kết quả khảo sát đã chỉ ra địa tầng
Bi d¹ng ín
Õn l nhÊt δy BiÕn
d¹ng nhÊt
nhá
đặt móng tòa nhà này là tầng sỏi cuội ở độ sâu 50
∆y
T hêigi
an m. Xử lí móng bằng cọc đóng tiết diện 35cm x
gi 2
÷a chu
y A
kú quan
35cm. Vậy nên mô hình biến dạng sẽ tuân theo
t ¾c = ∆t
r quy luật tiệm tiến.
t
Khi thi công xong cột tầng 1, ta bắt đầu gắn
t t
A O t i t i+1 t E Thêigi
an
mốc quan trắc lún. Mốc được gắn ở những vị trí
Hình 3 Phân tích biến dạng phi chu kỳ với mô chịu lực chính của công trình và ở nơi thông
hình đột biến và ngẫu nhiên thoáng, cao độ đặt mốc từ + 200 đến + 500. Sau
khi gắn xong mốc có thể tiến hành quan trắc
Trong khoảng thời gian t0 đến tE phải quan trắc ngay. Giá trị quan trắc nhận được lúc ban đầu rất
nhiều chu kỳ, giả thiết ∆t = t i +1 − t i quan trọng, đó là gốc để tính lún cho công trình
sau này. Tương ứng với thời điểm t0 ta có y0 –
thì ∆t liên quan đến tốc độ biến dạng y và độ
tức lượng biến dạng tại thời điểm tải trọng là
nhỏ nhất.
phân giải quan trắc biến dạng δ y tại thời điểm
quan trắc. Ta có: Xét nguyên nhân gây biến dạng. Tại thời
điểm t0 ta có ảnh hưởng của nguyên nhân gây
δy biến dạng x0 là nhỏ nhất. Do quá trình tăng tải
∆t ≥ (16) của công trình, với 12 sàn là 12 lần tăng tải trọng
y
lên móng. Giá trị x sẽ tăng dần từ x0, x1,... đến x12.
Nói cách khác biến dạng thực tế phải không Đến giá trị x12 thì tải trọng của công trình đã gần
nhỏ hơn độ phân giải quan trắc biến dạng. đạt tải trọng thiết kế (do còn một phần là tải
trọng thiết bị, vật liệu ...). Đối chiếu mô hình 4,
Lưu ý (13) và (15) ta có:
ta thấy giá trị biến dạng yA tại thời điểm xA= x12
σy chỉ đạt khoảng 50% đến 60% giá trị ymax. Tuy
∆t = 5 (17) nhiên gia tốc biến dạng tại thời điểm yA là lớn
y
nhất và sau đó giảm dần. Nắm được quy luật
Nhận xét: Ở các chu kỳ đầu, tốc độ biến này, ta sẽ phân bố tàn suất quan trắc biến dạng
sao cho hợp lý, phản ảnh đúng quá trình biến
dạng y khá lớn và không chính xác nên ∆t
dạng của công trình.
tương đối nhỏ. Các chu kỳ sau tốc độ biến dạng
y càng chính xác và càng nhỏ nên khoảng thời
gian ∆t ngày càng lớn. Giả thiết tốc độ biến
dạng lớn nhất trong chu kỳ quan trắc là y max thì
thời gian quan trắc trong một chu kỳ phải là:
σy
δt ≤ (18)
y max
∆t
do vậy δt ≤
5
Tức là: Nếu thời gian giữa hai chu kỳ quan
trắc là 30 ngày, thì thời gian quan trắc trong một
chu kỳ phải ít hơn 6 ngày.
D. ỨNG DỤNG
x + Giai đoạn 4: Từ chu kỳ 24 đến chu kỳ 30 (7
N guyªn
nh©n Õn
bi d¹ng
chu kỳ) tiến hnàh quan trắc 2 tháng 1 chu kỳ. Đây
xE
xA là giai đoạn biến dạng có xu thế bình ổn.
Như vậy sau thời điểm biến dạng có xu thế
vận động mạnh tA , ta đã quan trắc được 15 chu
xO kỳ với thời gian trên 18 tháng. Dựa vào kinh
t
nghiệm quan trắc và kết cấu móng cọc được neo
tO tA tE vào tầng sỏi cuội thì tốc độ lún của công trình ở
Thêigi
an
tháng thứ 20 sau thời điểm tA dao động trong
khoảng 0,1mm đến 0,5 mm/tháng. Để đi vào ổn
y định, thông thường công trình còn lún tiếp một
Bi d¹ng
Õn
thời gian nữa, nếu không tính tới các tác động đột
biến như động đất... song có quan trắc tiếp hay
yE không lại phụ thuộc vào tầm quan trọng của
yA công trình và kinh phí của Chủ đầu tư dành cho
công tác này.
yO
Từ trước đến nay, việc xét duyệt phương án
t
quan trắc biến dạng thường không quan tâm đến
tO tA tE Thêigi
an thời điểm biến dạng có xu thế vận động mạnh
Hình 4 Mô hình biến dạng của công trình 12 tầng nhất, mà lại chia làm 2 hay 3 giai đoạn quan trắc:
trong bài toán giai đoạn xây thô, giai đoạn hoàn thiện, giai đoạn
đưa vào sử dụng. Việc phân tích bài toán trên một
Xét đồ thị trên: tE là thời điểm biến dạng có
lần nữa làm rõ hơn xu thế biến dạng chung cho
xu thế bình ổn. Tại thời điểm tA, biến dạng có xu
các công trình cao tầng, qua đó đưa ra một
thế vận động mạnh nhất. Nếu cho rằng đây là
phương án quan trắc hợp lý.
thời kỳ biến dạng tuân theo quy luật của mô hình
biến dạng đột biến, lưu ý đến công thức 14, 18 D. KẾT LUẬN
và khả năng hoàn thành công tác đo đạc tại hiện Trong thực tế chúng ta hay sử dụng những trị
trường ngày nay. Ta bố trí lịch đo quan trắc biến quan trắc để xác định mô hình biến dạng của
dạng như sau: công trình. Tuy nhiên, chúng ta phải coi việc
+ Giai đoạn 1: 9 chu kỳ quan trắc đầu tiên nhận biết mô hình là bước khởi đầu trong việc
tiến hành từ thời điểm sau khi gắn mốc kiểm tra hoạch định phương án quan trắc. Thông qua đó
lún đến khi đổ bê tông sàn tầng 10 . chúng ta dự tính giá trị biến dạng và thời gian của
nó, số lượng chu kỳ cần quan trắc, thời gian cần
+ Giai đoạn 2: Từ chu kì 11 đến chu kỳ 15 (5
thiết cho một chu kỳ đo và khoảng thời gian giữa
chu kỳ) tiến hành từ thời điểm đổ bê tông sàn
các chu kỳ sao cho hợp lý, nhằm tiết kiệm kinh
tầng 11 đến mái. Với tòa nhà có khoảng 35 mốc
phí cho chủ đầu tư và đảm bảo yếu tố kỹ thuật,
kiểm tra, thời gian thực hiện quan trắc là trong 1
công nghệ của phương án.
ngày. Tiến hành quan trắc 1 tuần 1 chu kỳ. Thời
gian quan trắc 5 chu kỳ này là 5 tuần lễ. TÀI LIỆU THAM KHẢO:
Từ chu kỳ 16 đến chu kỳ 20 (5 chu kỳ) tương [1] Phan Văn Hiến và nnk - Trắc địa công trình –
ứng khi công trình thi công xong phần thô và bắt NXB Giao thông vận tải - 1999
đầu đi vào hoàn thiện. Tiến hành quan trắc 1 [2] Trương Chính Lộc và nnk – Trắc địa công
tuần 1 chu kỳ, thời gian quan trắc 5 chu kỳ này là trình – NXB Đại học Vũ Hán – 2005 (Tiếng
5 tuần lễ. Tổng thời gian quan trắc giai đoạn này Trung Quốc).
là 10 tuần lễ với 10 chu kỳ.
[3] è.ồ.ẽốủờúớợõ - Mồũợọốờà
+ Giai đoạn 3: từ chu kỳ 21 đến chu kỳ 23 (3 óồợọồỗốữồủờốừ ớàỏởỵọồớốộ ỗà
chu kỳ) tiến hành quan trắc 1 tháng 1 chu kỳ. ọồụợðỡàửốÿỡố ủợợðúổồớốộ - Íồọðà èợủờõà
– 1980.
