Thạc Sĩ Nghiên cứu phương pháp trắc địa quan trắc, phân tích biến dạng nền móng và tầng hầm công trình nhà c

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . iv
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . vii
MỞ ĐẦU 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG NỀN MÓNG VÀ TẦNG
HẦM CÔNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG
XÂY DỰNG . 6
1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu ở ngoài nước 6
1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu ở trong nước 9
1.3. Đánh giá chung về tình hình nghiên cứu . 12
1.4. Vấn đề tồn tại và định hướng nghiên cứu trong luận án . 13
Chương 2. QUAN TRẮC ĐỘ LÚN NỀN MÓNG VÀ TẦNG HẦM CÔNG TRÌNH
NHÀ CAO TẦNG TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG XÂY DỰNG 14
2.1. Yêu cầu kỹ thuật quan trắc độ lún trong quá trình xây dựng móng và tầng
hầm nhà cao tầng 14
2.2. Quan trắc độ lún nền móng nhà cao tầng trong giai đoạn thi công móng và
tầng hầm bằng phương pháp trắc địa . 18
2.3. Quan trắc độ lún nền móng nhà cao tầng trong giai đoạn thi công xây dựng bằng
cảm biến 27
2.4. Giải pháp kết hợp phương pháp trắc địa và phương pháp sử dụng cảm biến
quan trắc độ lún nền móng nhà cao tầng 32
Chương 3. QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG TƯỜNG VÂY NHÀ CAO TẦNG
TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG MÓNG VÀ TẦNG HẦM . 39
3.1. Yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch ngang tường vây nhà cao tầng . 39
3.2. Quan trắc chuyển dịch ngang tường vây bằng phương pháp trắc địa 43
3.3. Quan trắc chuyển dịch ngang tường vây bằng cảm biến Inclinometer 58
iii
3.4. Giải pháp quan trắc chuyển dịch ngang tường vây bằng phương pháp trắc địa
kết hợp với phương pháp sử dụng cảm biến 65
Chương 4. PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG NỀN MÓNG VÀ TẦNG HẦM CÔNG TRÌNH
NHÀ CAO TẦNG TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG XÂY DỰNG . 70
4.1. Nguyên tắc thành lập mô hình chuyển dịch công trình theo số liệu quan trắc . 70
4.2. Mô hình lún nền móng và chuyển dịch tường vây trong không gian 71
4.3. Mô hình lún và chuyển dịch nền móng nhà cao tầng theo thời gian . 80
4.4. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố gây nên chuyển dịch biến dạng công trình 83
4.5. P
công móng và tầng hầm . 86
4.6. Thành lập phần mềm phân tích biến dạng nền móng và tầng hầm . 91
Chương 5. THỰC NGHIỆM . 94
5.1. Thực nghiệm quan trắc chuyển dịch ngang tường vây nhà cao tầng trong giai đoạn
thi công móng và tầng hầm 94
5.2. Thực nghiệm thành lập mô hình lún nền móng công trình nhà cao tầng trong giai
đoạn thi công móng và tầng hầm . 107
5.3. Thực nghiệm xây dựng mô hình chuyển dịch ngang tường vây 113
5.4. Thực nghiệm phân tích tương quan tuyến tính đơn giữa mực nước ngầm và
độ lún nền nhà cao tầng 119
5.5. Thực nghiệm dự báo lún nền công trình theo hàm đa thức . 120
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN . 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 125
PHỤ LỤC 133
Phụ lục A. Số liệu quan trắc chuyển dịch ngang tường vây công trình Cục tần số vô
tuyến điện bằng phương pháp trắc địa kết hợp Inclinometer 134
Phụ lục B. Số liệu quan trắc chuyển dịch ngang tường vây công trình Golden Palace chu
kỳ 01 và 02 bằng phương pháp góc – cạnh 140
Phụ lục C. Một số máy toàn đạc điện tử có chế độ bắt mục tiêu tự động hiện nay .146
iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT Chữ viết tắt Ý nghĩa
1 TĐĐT Toàn đạc điện tử
2 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
3 GPS Global Positioning System
4 KHCN Khoa học Công nghệ
5 ADFB Analysis of Deformation of the Foundation and Basement
6 GOCA GNSS/GPS/LPS based Online Control and Alarm System
v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Kết quả quan trắc lún tại bàn 1 . 31
Bảng 2.2. Kết quả quan trắc lún tại bàn 2 . 31
Bảng 2.3. Kết quả quan trắc lún tại bàn 3 . 31
Bảng 2.4. Kết quả quan trắc lún tại đỉnh ống bằng thủy chuẩn hình học và đĩa từ . 36
Bảng 2.5. Kết quả quan trắc lún tại các bàn đo lún sau khi hiệu chỉnh sai số . 36
Bảng 2.6. Kết quả quan trắc lún tại bàn 1 bằng thủy chuẩn hình học kết hợp đĩa từ 37
Bảng 2.7. Kết quả quan trắc lún tại bàn 2 bằng thủy chuẩn hình học kết hợp đĩa từ 37
Bảng 2.8. Kết quả quan trắc lún tại bàn 3 bằng thủy chuẩn hình học kết hợp đĩa từ 38
Bảng 3.1. Sai số trung phương cho phép quan trắc chuyển dịch ngang và các cấp đo . 42
Bảng 4.1. Phân cấp hư hại công trình theo biến dạng 89
Bảng 4.2. Trị khống chế thiết kế và giám sát biến dạng hố móng công trình . 90
Bảng 4.3. Tính năng của phần mềm ADFB . 92
Bảng 5.1. Chuyển dịch tâm miệng ống dẫn hướng đo bằng trắc địa và Inclinometer . 98
Bảng 5.2. Độ lệch tâm miệng ống dẫn hướng 99
Bảng 5.3. Giá trị chuyển dịch của các điểm đo bằng Inclinometer sau khi hiệu chỉnh sai
số (điểm ICL5) 100
Bảng 5.4. Giá trị chuyển dịch của các điểm đo bằng Inclinometer sau khi hiệu chỉnh
chuyển dịch của điểm gốc (điểm ICL5) . 103
Bảng 5.5. Tọa độ và độ lún của các mốc quan trắc lún móng bè . 108
Bảng 5.6. Kết quả so sánh độ lún đo thực tế với độ lún nội suy từ mô hình . 109
Bảng 5.7. Tọa độ và độ lún của các mốc trên trục A . 110
Bảng 5.8. Kết quả so sánh độ lún đo thực tế với độ lún nội suy từ mô hình . 111
Bảng 5.9. Tọa độ và độ lún của các mốc quan trắc 112
Bảng 5.10. Kết quả so sánh độ lún đo thực tế với độ lún nội suy từ mô hình . 113
Bảng 5.11. Số liệu quan trắc chuyển dịch ngang . 114
Bảng 5.12. Kết quả so sánh chuyển dịch đo thực tế với chuyển dịch nội suy từ mô hình 116
Bảng 5.13. Số liệu quan trắc chuyển dịch ngang cạnh AB của tường vây 116
Bảng 5.14. Số liệu quan trắc chuyển dịch ngang tường vây . 117
vi
Bảng 5.15. Kết quả so sánh chuyển dịch đo thực tế với chuyển dịch nội suy từ mô hình 118
ư 119
11 121
. 121
122
8 đến chu kỳ 11 122
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Ảnh hưởng của hố đào đến công trình lân cận [11] 14
Hình 2.2. Biến dạng của khối đất xung quanh hố đào [80] . 15
Hình 2.3. Mốc đo lún sâu của các lớp đất . 21
Hình 2.4. Lắp đặt mốc quan trắc lún các lớp đất 21
Hình 2.5. Mặt bằng bố trí mốc đo lún bề mặt đất và đo lún các công trình lân cận . 22
Hình 2.6. Mặt bằng bố trí mốc đo lún công trình . 24
Hình 2.7. Ống dẫn hướng và nam châm nhện 27
Hình 2.8. Dây đo, nam châm nhện và nam châm đĩa 27
Hình 2.9. Quan trắc lún bằng đĩa từ [17] . 28
Hình 2.10. Lắp đặt mốc đo trồi đáy hố đào 29
Hình 2.11. Biểu đồ kết quả quan trắc lún bằng đĩa từ 32
Hình 2.12. Quan trắc lún bằng thủy chuẩn hình học kết hợp đĩa từ . 35
Hình 3.1. Biện pháp thi công Top-down . 39
Hình 3.2. Biện pháp thi công bán Top-down . 39
Hình 3.3. Biện pháp thi công đào mở 39
Hình 3.4. Tường chắn đất bằng bê tông cốt thép (tường Barrette) - Tường vây 40
Hình 3.5. Tường chắn đất bằng cừ thép 40
Hình 3.6. Tường chắn đất bằng cọc khoan nhồi . 40
Hình 3.7. Tường chắn đất bằng cọc xi măng đất 40
Hình 3.8. Tường chắn đất bằng ván + sườn thép hình . 40
Hình 3.9. Tường vây (tường barrette) chống đỡ thành hố đào . 41
Hình 3.10. Thi công tường vây 41
Hình 3.11. Cấu tạo mốc quan trắc chuyển dịch ngang đỉnh tường vây . 43
Hình 3.12. Sơ đồ lưới tam giác quan trắc chuyển dịch ngang tường vây 46
Hình 3.13. Sơ đồ lưới đa giác quan trắc chuyển dịch tường vây 47
Hình 3.14. Sơ đồ lưới giao hội quan trắc chuyển dịch tường vây 47
Hình 3.15. Sơ đồ hướng chuẩn quan trắc chuyển dịch ngang tường vây 48
Hình 3.16. Quan trắc tự động chuyển dịch của tường vây bằng máy TĐĐT . 50
viii
3.17. Điểm khống chế cơ sở . 50
3.18. Gương quan trắc gắn cố định trên tường vây 50
Hình 3.19. Tham số chuyển dịch ngang tường vây . 53
Hình 3.20. Đồ hình quan trắc tự động nhiều hơn 1 trạm máy 55
Hình 3.21. Cấu tạo thiết bị đo chuyển dịch ngang Inclinometer 58
Hình 3.22. Các hướng quy ước trong quan trắc chuyển dịch ngang bằng Inclinometer 59
Hình 3.23. Sơ đồ tính toán trong đo chuyển dịch ngang bằng Inclinometer . 59
Hình 3.24. Đồ thị chuyển dịch của điểm quan trắc bằng Inclinometer 61
Hình 3.25. Lắp đặt ống đo chuyển dịch ngang Inclinometer tại công trường . 63
3 ng 66
Hình 3.27. Hệ tọa độ đo chuyển dịch 66
Hình 4.1. Mô hình đối tượng quan trắc . 70
Hình 4.2. Tham số lún công trình dạng vùng [17] . 72
Hình 4.3. Phễu lún nền đất yếu 74
Hình 4.4. Chuyển dịch giữa hai hệ tọa độ . 76
Hình 4.5. Biến dạng của công trình lân cận hố đào . 87
Hình 4.6. Giao diện tổng quát phần mềm ADFB . 92
Hình 4.7. Giao diện modul tính toán tham số chuyển dịch ngang . 93
Hình 4.8. Giao diện modul xây dựng mô hình chuyển dịch ngang trong mặt phẳng . 93
5.1. Sơ ng vây công trình . 94
i gian 95
Hình 5.3. Hệ thống lưới quan trắc chuyển dịch ngang tường vây 96
Hình 5.4. Thiết kế điểm quan trắc kết hợp Inclinometer và Toàn đạc điện tử 97
Hình 5.5. Đồ thị của điểm quan trắc ICL5 trước và sau khi hiệu chỉnh sai số 102
Hình 5.6. Đồ thị điểm ICL5 trước và sau khi hiệu chỉnh chuyển dịch của điểm gốc . 106
Hình 5.7. Vị trí mặt bằng bố trí mốc quan trắc lún móng bè 107
Hình 5.8. Vị trí mặt bằng bố trí mốc quan trắc lún công trình và lún nền . 112
Hình 5.9. Bố trí mốc quan trắc chuyển dịch tường vây công trình Golden Palace . 114
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây cùng với tốc độ phát triển của các đô thị, đặc biệt
là ở các thành phố lớn việc đầu tư xây dựng các công trình nhà cao tầng phát triển
khá nhanh. Trong thiết kế nhà cao tầng hiện nay ở nước ta, hầu hết đều có tầng hầm
để giải quyết vấn đề đỗ xe và các hệ thống kỹ thuật của tòa nhà. Phổ biến là các
công trình cao từ 10 đến 30 tầng được thiết kế có từ 1 đến 3 tầng hầm để đáp ứng
yêu cầu sử dụng của Chủ đầu tư trong hoàn cảnh công trình bị khống chế chiều cao
và khuôn viên đất có hạn. Việc xây dựng tầng hầm trong nhà cao tầng đã tỏ ra có
hiệu quả tốt về mặt công năng sử dụng và phù hợp với chủ trương quy hoạch đô thị
trong tình hình phát triển đô thị và gia tăng dân số hiện nay. Tuy nhiên, khi đào đất
làm tường cừ hố đào, khi thi công móng và tầng hầm nhà cao tầng trong thời gian
gần đây không ít công trình lân cận hố đào đã bị sự cố nặng nề, gây nhiều tổn thất
về kinh tế và gây ra bức xúc trong xã hội. Những tồn tại đó phần lớn là do không
kịp thời theo dõi quan trắc và phân tích những tác động do quá trình thi công móng
và tầng hầm có thể gây ra.
Khi thi công hố đào sâu để thi công móng và tầng hầm sẽ làm thay đổi trạng
thái ứng suất dẫn tới biến dạng đất nền xung quanh khu vực hố đào và có thể làm
thay đổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị chuyển dịch và có thể gây lún, hư hỏng
công trình lân cận hố đào nếu không có giải pháp thích hợp để chống đỡ thành hố
đào. Đối với các nhà cao tầng có tầng hầm được xây chen trong khu dân cư thì
tường vây là giải pháp thích hợp để chống đỡ thành hố đào. Do vậy, trong quá trình
thi công móng và tầng hầm cần tiến hành quan trắc để xem thử những bức tường
chắn hố đào có bị chuyển dịch hay không khi đào đất ở giữa. Mặt khác, không chỉ
quan trắc tường vây mà cần phải quan trắc cả khu vực xung quanh công trình (nền
đất xung quanh hố đào, các công trình lân cận hố đào, ). Những thông số quan
trắc này giúp đơn vị thi công công trình và các cơ quan chức năng biết trước được
những tác động xấu sẽ xảy ra để từ đó cân nhắc gia cố thêm tường hay không hoặc
thay đổi phương pháp thi công.
2
Vấn đề quan trắc, phân tích biến dạng nền móng và tầng hầm nhà cao tầng
trong giai đoạn thi công xây dựng trở nên cấp thiết. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa
được chú trọng thích đáng, chưa có một nghiên cứu thấu đáo, hoàn chỉnh và một giải
pháp kỹ thuật nào được đề xuất. Vì thế, nghiên cứu phương pháp quan trắc, phân tích
biến dạng nền móng và tầng hầm công trình nhà cao tầng trong giai đoạn thi công xây
dựng là rất cần thiết. Góp phần không chỉ nhằm an toàn cho toàn cao ốc mà còn cả
các công trình lân cận, con người và các sinh hoạt bình thường của cư dân.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm góp phần phát triển và hoàn thiện
phương pháp quan trắc, phân tích biến dạng, đánh giá và mô hình hóa quá trình chuyển
dịch của nền móng và tầng hầm nhà cao tầng trong giai đoạn thi công xây dựng.
- Đối tượng nghiên cứu là: phương pháp quan trắc, phân tích biến dạng nền
móng và tầng hầm của các công trình nhà cao tầng ở Việt Nam.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: Nghiên cứu phương pháp trắc
địa, phương pháp sử dụng cảm biến quan trắc biến dạng nền móng và tường vây
nhà cao tầng; nghiên cứu kết hợp phương pháp trắc địa và phương pháp sử dụng
cảm biến để nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả quan trắc biến dạng nền móng
và tầng hầm; phân tích, đánh giá và mô hình hóa quá trình chuyển dịch của nền
móng và tường vây nhà cao tầng trong giai đoạn thi công móng và tầng hầm.
3. Nội dung nghiên cứu
1- Nghiên cứu kết hợp phương pháp trắc địa với phương pháp sử dụng cảm
biến để quan trắc lún nền móng và chuyển dịch ngang tường vây công trình nhà cao
tầng trong giai đoạn thi công móng và tầng hầm.
2- Nghiên cứu ứng dụng hệ thống quan trắc tự động để quan trắc liên tục
chuyển dịch của tường vây.
3- Xây dựng mô hình chuyển dịch, phân tích, đánh giá, dự báo chuyển dịch
nền móng và tường vây nhà cao tầng.
4- Lập phần mềm phân tích biến dạng nền móng và tầng hầm nhà cao tầng.
3
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu và cập nhật các thông
tin trên mạng internet và các thư viện.
- Phương pháp phân tích: nghiên cứu lý thuyết quan trắc biến dạng công
trình, các thuật toán xử lý số liệu đo đạc ngoại nghiệp, làm cơ sở lý luận, thiết kế dữ
liệu, mô hình toán, viết thuật toán và chương trình.
- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm cụ thể để chứng
minh lý thuyết, khẳng định tính đúng đắn, khả thi và đi đến kết luận.
- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu khác hoặc các
nội dung liên quan để so sánh, đánh giá, đưa ra giải pháp phù hợp.
- Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng các thuật toán và lập các chương
trình tính toán trên máy tính.
- Phương pháp toán học: Tập hợp các quy luật, định lý toán học để chứng
minh một số công thức phục vụ cho việc tính toán và lập chương trình máy tính.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Góp phần phát triển và hoàn thiện phương pháp quan trắc,
phân tích biến dạng, đánh giá và mô hình hóa quá trình chuyển dịch của nền móng
và tầng hầm nhà cao tầng trong giai đoạn thi công xây dựng.
Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để quan
trắc, phân tích, đánh giá và dự báo biến dạng nền móng và tầng hầm nhà cao tầng
trong giai đoạn thi công xây dựng ở thực tế sản xuất. Góp phần phòng ngừa sự cố
đối với công trình và các công trình lân cận.
6. Các luận điểm bảo vệ
Luận điểm thứ nhất: Giải pháp kết hợp phương pháp trắc địa với phương
pháp sử dụng cảm biến như đề xuất trong luận án cho phép nâng cao hiệu quả công
tác quan trắc biến dạng nền móng và tường vây nhà cao tầng.
Luận điểm thứ hai: Mô hình biến dạng công trình thành lập trên cơ sở số liệu
quan trắc cho phép đánh giá độ lún cũng như chuyển dịch ngang nền móng, tường
vây nhà cao tầng theo thời gian, trong không gian và đánh giá sự phụ thuộc giữa
biến dạng với tác nhân gây ra biến dạng đó.
4
7. Các điểm mới của luận án
1- Đề xuất giải pháp kết hợp phương pháp trắc địa với phương pháp sử dụng
cảm biến để nâng cao chất lượng và hiệu quả công tác quan trắc biến dạng nền
móng và tường vây nhà cao tầng.
2- Đề xuất thành lập các mô hình biến dạng nền móng và tường vây nhà cao
tầng theo thời gian, trong không gian và đánh giá sự phụ thuộc giữa biến dạng với
các tác nhân gây ra biến dạng.
3- Thành lập phần mềm phân tích biến dạng nền móng và tầng hầm công
trình nhà cao tầng.
8. Cấu trúc và nội dung luận án
Cấu trúc luận án gồm ba phần:
Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về luận án, tính cấp thiết, mục đích, ý
nghĩa, phương pháp, nội dung nghiên cứu của luận án, đồng thời đưa ra các luận
điểm bảo vệ và điểm mới của luận án.
Phần nội dung nghiên cứu chính được trình bày trong 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về quan trắc biến dạng nền móng và tầng hầm công
trình nhà cao tầng trong giai đoạn thi công xây dựng.
Chương 2: Quan trắc độ lún trong quá trình xây dựng nền móng và tầng hầm
công trình nhà cao tầng.
Chương 3: Quan trắc chuyển dịch ngang tường vây nhà cao tầng trong giai
đoạn thi công móng và tầng hầm.
Chương 4: Phân tích biến dạng nền móng và tầng hầm công trình nhà cao
tầng trong giai đoạn thi công xây dựng.
Chương 5: Thực nghiệm.
Phần kết luận: Tổng hợp lại những vấn đề nghiên cứu trong luận án, đưa ra
những nhận xét, đánh giá các giải pháp nâng cao hiệu quả của công tác quan trắc
biến dạng nền móng và tầng hầm công trình nhà cao tầng trong giai đoạn thi công
xây dựng cũng như định hướng cho phát triển trong tương lai.
5
9. Lời cảm ơn
Trước hết, nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu
sắc đến người hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Khánh đã tận tình hướng dẫn, giúp
đỡ và cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị giúp nghiên cứu sinh hoàn thành các nội
dung của luận án.
Nghiên cứu sinh xin cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Trắc địa - Trường đại
học Mỏ - Địa chất, các đồng nghiệp trong ngành Trắc địa và đặc biệt là các thầy, cô
trong Bộ môn Trắc địa công trình đã giúp đỡ và có những ý kiến đóng góp quý báu
cho tác giả hoàn thiện nội dung của luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở Trung tâm Tư vấn
Trắc địa và Xây dựng - Viện KHCN Xây dựng đã tận tình giúp đỡ cho tác giả được
tiếp cận và tham gia vào thực tế sản xuất để có được các số liệu thực nghiệm trong
luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn tất cả những sự giúp đỡ quý báu đó