Tổng quan luận án

Công trình luận án tiến sĩ 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" do nghiên cứu sinh Trần Thị Thảo thực hiện thuộc ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông (mã số: 9.05) tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Đắc Sử và TS. Vũ Đắc Sỹ.

Trong bối cảnh hạ tầng giao thông đường bộ Việt Nam đang mở rộng quy mô với kế hoạch triển khai khoảng 8.000 km đường cao tốc (bao gồm tuyến cao tốc Bắc - Nam phía Đông CT-01 dài 1.611 km, tuyến cao tốc Bắc - Nam phía Tây CT-02 dài 1.269 km và trên 5.000 km cao tốc địa phương), khối lượng thi công nền đường đắp qua các khu vực đất yếu là rất lớn. Thực tế khai thác tại nhiều dự án giao thông như cao tốc Pháp Vân - Ninh Bình, TP Hồ Chí Minh - Trung Lương, Long Thành - Dầu Giây, Hà Nội - Hải Phòng - Hạ Long, Nội Bài - Lào Cai, Đà Nẵng - Quảng Ngãi, đường dẫn cầu Cổ Chiên, Quốc lộ 61 cho thấy nhiều đoạn tuyến xuất hiện tình trạng lún nứt mặt đường sau khi đưa vào vận hành. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ ra là phần lớn các công trình trước đây tập trung vào giải pháp địa kỹ thuật nhằm cải thiện chỉ tiêu cơ lý hoặc thúc đẩy tốc độ cố kết của đất, nhưng chưa nghiên cứu sâu về độ chính xác của công tác quan trắc và phương pháp xử lý số liệu để đánh giá độ tin cậy của các kết quả dự báo lún. Tình trạng hồ sơ nghiệm thu ghi nhận độ cố kết đạt hoặc vượt chỉ dẫn kỹ thuật nhưng công trình vẫn lún nứt phản ánh hạn chế ở khâu thu thập số liệu và thuật toán xử lý dữ liệu dự báo.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu nâng cao độ chính xác phương pháp đo cao hình học để quan trắc độ lún nền đường đắp trên nền đất yếu trong điều kiện địa hình không thuận lợi.
  2. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ trạm tham chiếu hoạt động liên tục GNSS/CORS để quan trắc độ lún nền đường đắp trên đất yếu.
  3. Nghiên cứu nâng cao độ chính xác phương pháp xử lý số liệu quan trắc độ lún nền đất yếu để xác định và đánh giá độ chính xác các kết quả dự báo của đất theo phương pháp Asaoka và Hyperbolic.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các giải pháp kỹ thuật nhằm cải tiến và nâng cao độ chính xác phương pháp quan trắc cùng phương pháp xử lý số liệu quan trắc độ lún nền đường đắp trên nền đất yếu. Phạm vi nghiên cứu bao gồm: phương pháp đo cao hình học từ giữa kết hợp đo kép khi quan trắc bề mặt nền đường trong điều kiện địa hình phức tạp; công nghệ trạm tham chiếu hoạt động liên tục GNSS/CORS áp dụng cho quan trắc lún bề mặt nền đường đắp; phương pháp Asaoka và phương pháp Hyperbolic giải tích dựa trên lý thuyết sai số và nguyên lý bình phương nhỏ nhất; phạm vi thực nghiệm gắn với điều kiện địa hình, địa chất và các dự án giao thông thực tế tại Việt Nam (như tuyến Nội Bài - Lào Cai, Hà Nội - Hải Phòng, Quốc lộ 61 Gò Quao - Kiên Giang, dự án tại Hải Phòng).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp và phân tích có hệ thống các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam liên quan đến công tác quan trắc và xử lý số liệu dự báo độ lún:

Về các dự án xử lý đất yếu và quan trắc quy mô lớn trên thế giới, tác giả điểm lại công trình xây dựng sân bay quốc tế Kansai tại vịnh Osaka, Nhật Bản (Akira Asaoka, 1978; viện dẫn tài liệu năm 2001 và 2005) với hệ thống quan trắc đa tầng (lớp bùn nhão đáy biển Ma 13 ở độ sâu 20-40 m, lớp trầm tích Pleistocene 40-120 m) và phần mềm tính toán dự báo ILLCON; dự án lấn biển cải tạo đất yếu East Coast Reclamation tại Singapore (khởi động từ 1966 kéo dài trên 30 năm qua 7 giai đoạn, tổng kinh phí 613 tỷ USD) với hệ thống 7.246 thiết bị quan trắc chuyên dụng.

Về phương pháp xử lý số liệu dự báo lún, các nghiên cứu nền tảng được điểm lại gồm:

  • Phương pháp đồ giải của Akira Asaoka (1978) dựa trên lý thuyết cố kết một chiều của Terzaghi, xác định các hệ số $\alpha, \beta$ qua đồ thị lún giữa các chu kỳ cách đều $\Delta t$.
  • Phương pháp Hyperbolic đồ giải của Thiam-Soon Tan (Tan T.S., 1991) mô tả quá trình lún theo thời gian dưới dạng đường cong Hyperbol để xác định độ lún giới hạn $S_{gh} = S_0 + 1/\beta$.
  • Nghiên cứu của Chulin Li (2013) trên tạp chí Rock Mechanics and Geotechnical Engineering đề xuất phương pháp hàm số mũ và khái niệm "độ lún tiềm năng" (potential settlement).
  • Nghiên cứu của Jiang Hao (Dương Hạo) và Jun Dong (Quân Đông) áp dụng phương pháp Asaoka dự báo lún móng cọc cầu đường sắt cao tốc Bắc Kinh - Thạch Gia Trang dựa trên 5 chuỗi số liệu bàn lún (0030600D1 đến 0030731D1), phân tích sự phụ thuộc của hệ số tương quan $R^2$ vào thời điểm bắt đầu quan trắc và khoảng cách chu kỳ đo $\Delta t$.
  • Nghiên cứu của Mosleh A. Al Shamrani (2005) trên tạp chí Engineering Geology so sánh phương pháp Hyperbolic và Asaoka, xác định điều kiện áp dụng phù hợp khi độ cố kết đạt từ 60% đến 90%.
  • Nghiên cứu của Mohammad Hasan Sasar và S. Mohsen Haeri (Iran) phân tích ảnh hưởng của việc kéo dài chuỗi thời gian quan trắc (10, 15, 20, 30 và 45 năm) đến độ tin cậy của kết quả dự báo Asaoka.

Về ứng dụng công nghệ GNSS/CORS trong quan trắc chuyển dịch công trình, luận án điểm lại các công trình tiêu biểu trên thế giới: nhóm nghiên cứu Đại học Nottingham (Anh) quan sát cầu treo M48 Severn qua kỹ thuật định vị điểm chính xác (PPP) dùng máy thu Leica RS 530 và cầu Wilford; quan trắc cầu qua sông Dương Tử tại Vũ Hán (Trung Quốc) dùng RTK kết hợp GPS và Beidou (BDS); quan trắc cầu Incheon Grand (Hàn Quốc, khánh thành tháng 10/2009) dùng máy thu GNSS RTK Leica; quan trắc tòa nhà cao tầng tại Madrid (Tây Ban Nha); quan trắc chuyển vị ngang đập Tam Hiệp (Trung Quốc); quan trắc sụt lún mỏ tại Nội Mông dùng trạm CORS đơn; quan trắc lún diện rộng tại Trung Quốc kết nối mạng lưới trạm IGS toàn cầu (các trạm BJFS Bắc Kinh, SHAO Thượng Hải, WUHN Vũ Hán) xử lý bằng phần mềm Bernese 5.0 đạt độ chính xác mặt bằng 3 mm và độ cao 5 mm; các nghiên cứu của E.B. Kliuxin và cộng sự về đo cao vệ tinh.

Tại Việt Nam, các công trình được điểm lại gồm dự án tuyến đường phía Nam thành phố Đà Nẵng (dùng thủy bình, Extensometer, toàn đạc điện tử, Inclinometer, cảm biến dây rung và phần mềm Plaxis/ESA Plaxis); dự án cao tốc Nội Bài - Lào Cai tại lý trình Km 48+890 nhánh A1; công trình của Lê Văn Hiệp và cộng sự (2017) trên tạp chí JCIET xử lý lún đoạn Km 94+340 đến Km 94+440 cao tốc Hà Nội - Hải Phòng; bài báo của Trần Minh Tùng (2010) tổng kết kinh nghiệm xử lý đất yếu tại Hàn Quốc; các ứng dụng GNSS quan trắc đập thủy điện Đa Nhim, Thác Bà, Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang và cầu Cần Thơ, Cao Lãnh, Nhật Tân.

Khoảng trống luận án tập trung giải quyết:

  • Trong điều kiện địa hình không thuận lợi, phương pháp đo cao hình học từ giữa chưa có giải pháp định lượng và triệt tiêu đồng thời sai số do độ cong quả đất, chiết quang đứng và trục ngắm không nằm ngang.
  • Công nghệ trạm tham chiếu hoạt động liên tục GNSS/CORS chưa được nghiên cứu ứng dụng cụ thể cho công tác quan trắc độ lún nền đường đắp đất yếu tại Việt Nam.
  • Các phương pháp dự báo Asaoka và Hyperbolic tại Việt Nam chủ yếu áp dụng dạng đồ giải hoặc dùng hàm lập sẵn trong bảng tính Excel, thiếu cơ sở lý thuyết sai số để đánh giá độ chính xác (sai số trung phương) của các đại lượng dự báo độ lún toàn phần, độ lún dư và độ cố kết.
Tiêu chí Công trình trước đây Hướng giải quyết của luận án
Đo cao hình học Tuân thủ đo từ giữa cân bằng tia ngắm; hạn chế khi địa hình dốc, chia cắt Thiết lập phương pháp đo kép và công thức hiệu chỉnh ảnh hưởng đồng thời độ cong, chiết quang và góc $i$
Công nghệ GNSS Chủ yếu áp dụng cho cầu dây văng, đập thủy điện, nhà cao tầng Thiết kế mốc quan trắc và trạm GNSS/CORS tự động truyền số liệu qua NTRIP cho nền đường đắp
Xử lý số liệu dự báo Sử dụng đồ giải Asaoka và Hyperbolic; không đánh giá được sai số đại lượng dự báo Phát triển thuật toán giải tích kết hợp nguyên lý bình phương nhỏ nhất (LSP) và lý thuyết sai số Trắc địa

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của luận án được xây dựng trên các trụ cột khoa học sau:

  1. Cơ học đất và địa kỹ thuật nền móng: Khái niệm đất yếu với các tiêu chí định lượng: sức chịu tải $R = 50 - 100\text{ kPa}$, độ sệt $I_L > 1$, hệ số rỗng $e > 1$, mô đun biến dạng $E_0 < 5000\text{ kPa}$, góc ma sát trong $\varphi < 10^\circ$, lực dính cắt nhanh không thoát nước $c < 15\text{ kPa}$, sức kháng cắt cánh hiện trường $c_u < 35\text{ kPa}$, sức kháng mũi xuyên tĩnh $q_c < 0.1\text{ MPa}$, chỉ số SPT $N < 5$. Lý thuyết cố kết thấm một chiều của Terzaghi; quy luật tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng thể tích tạo ra độ lún cố kết và độ lún cố kết dư.
  2. Lý thuyết trắc địa và đo cao hình học: Nguyên lý đo chênh cao từ giữa $h_{AB} = a - b$; phân tích các nguồn sai số hệ thống gồm độ cong quả đất, chiết quang đứng của môi trường không khí và sai số góc nghiêng trục ngắm (góc $i$).
  3. Công nghệ định vị vệ tinh GNSS/CORS: Mạng lưới trạm tham chiếu hoạt động liên tục; kỹ thuật đo động thời gian thực (RTK, Network RTK) với các mô hình VRS, FKP, MAC; giao thức truyền dẫn số liệu NTRIP; cấu trúc dữ liệu bản tin tiêu chuẩn NMEA-0183 (chuỗi GGA cung cấp tọa độ, độ cao; chuỗi GST cung cấp chỉ số phương sai và sai số định vị); thuật toán chuyển đổi tọa độ từ hệ quy chiếu quốc tế WGS-84 sang hệ tọa độ quốc gia VN-2000.
  4. Phương pháp bình phương nhỏ nhất (Least Squares Principle - LSP) và Lý thuyết sai số (LTSS): Thiết lập hệ phương trình số hiệu chỉnh, xây dựng ma trận trọng số, tìm nghiệm tối ưu và đánh giá sai số trung phương trọng số đơn vị cùng sai số trung phương của các hàm chứa ẩn số dự báo.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được kết hợp đồng bộ:

  • Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp, phân tích các tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn ngành (TCVN 9842:2013) và các chuỗi số liệu quan trắc thực tế.
  • Phương pháp toán học: Sử dụng công cụ giải tích toán học, xác suất thống kê và lý thuyết sai số trắc địa để thiết lập các công thức giải tích tính toán và đánh giá sai số.
  • Phương pháp so sánh: Đối chiếu kết quả tính toán giữa phương pháp đồ giải truyền thống và phương pháp giải tích trên cùng tập dữ liệu; so sánh kết quả quan trắc thực nghiệm GNSS/CORS với phương pháp đo cao hình học truyền thống.
  • Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến chuyên gia trong lĩnh vực công trình đường bộ và trắc địa công trình.
  • Phương pháp ứng dụng công nghệ tin học: Lập trình phát triển phần mềm trên môi trường Microsoft Visual Studio 2019 để tự động hóa xử lý chuỗi bản tin NMEA-0183 và thuật toán giải tích Asaoka, Hyperbolic.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mốc quan trắc chuyên dụng ngoài hiện trường; lắp đặt trạm thu GNSS với module Trimble BD970; vận hành hệ thống trạm quan trắc thực nghiệm mô phỏng và thực tế tại các dự án giao thông ở Kiên Giang, Hải Phòng, Lào Cai.

Nguồn tư liệu và dữ liệu gồm: hồ sơ thiết kế, tài liệu nghiệm thu xử lý nền đất yếu, dữ liệu chuỗi đo lún theo thời gian tại dự án cao tốc Nội Bài - Lào Cai, cao tốc Hà Nội - Hải Phòng, Quốc lộ 61 (đoạn Gò Quao - Kiên Giang), dự án tại Hải Phòng (các bàn lún C2, C8, SP47-A Block 10, SP41 Block 10) và tập dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ hệ thống trạm GNSS/CORS.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm về đất yếu, các biện pháp xử lý nền (cơ học, hóa học, giếng cát, bấc thấm PVD, hút chân không, bệ phản áp, giảm tải đắp), bản chất của hiện tượng lún cố kết và sự nguy hiểm của độ lún cố kết dư đối với kết cấu mặt đường sau khi đưa vào khai thác. Chương này trình bày mục đích và các yêu cầu kỹ thuật quan trắc lún: độ chính xác yêu cầu đạt mức milimet (hoặc 5 mm theo quy phạm), chu kỳ đo kiểm soát hàng ngày khi đắp và giãn cách 3, 5, 7, 10 ngày trong giai đoạn chờ cố kết.

Chương 1 phân tích ưu nhược điểm của hai nhóm phương pháp quan trắc: phương pháp trắc địa (đo cao hình học, đo cao lượng giác) và phương pháp địa kỹ thuật (dùng các sensor dây rung đo lún sâu, đo áp lực nước lỗ rỗng). Đồng thời, tác giả khảo sát ba mô hình dự báo độ lún phổ biến:

  1. Phương pháp Asaoka: Phương trình $S_i = \alpha + \beta S_{i-1}$ với chu kỳ đo cố định $\Delta t$. Độ lún giới hạn đạt được khi $S_i = S_{i-1}$, tương ứng giao điểm của đường thẳng hồi quy với đường $y = x$. Hạn chế là phụ thuộc kỹ thuật vẽ đồ giải, ngoại suy điểm cắt trục tung dễ gây sai lệch, và khi $\beta \approx 1$ việc xác định giao điểm gặp khó khăn lớn.
  2. Phương pháp Hyperbolic: Mô hình $S_t = S_0 + \frac{t}{\alpha + \beta t}$, đưa về dạng tuyến tính $\alpha + \beta t - \frac{t}{S_t - S_0} = 0$. Ưu điểm là không đòi hỏi khoảng cách chu kỳ $\Delta t$ cố định tuyệt đối, nhưng cách giải đồ thị truyền thống chưa cho phép định lượng sai số kết quả dự báo.
  3. Phương pháp hàm số mũ (phương pháp 3 điểm trong TCVN 9842:2013): $S_t = S_f(1 - a e^{-\beta t})$. Nhược điểm lớn là chỉ sử dụng 3 số liệu cục bộ trong chuỗi quan trắc $n$ điểm, không có số đo thừa để đánh giá sai số.

Chương này cũng phân tích thực trạng dữ liệu quan trắc tại dự án cao tốc Nội Bài - Lào Cai (lý trình Km 48+890 nhánh A1). Bảng số liệu báo cáo cho thấy kết quả xử lý theo cả Asaoka và Hyperbolic đều cho ra độ cố kết $DOC = 100%$, tuy nhiên đồ thị diễn biến độ lún lại có dạng cong lồi (ngược quy luật Hyperbol lõm), đường hồi quy Asaoka có hệ số góc $\beta > 1$ dẫn tới độ lún toàn phần mang dấu dương (nền bị trồi), phản ánh chất lượng số liệu đo chưa đảm bảo.

Bàn đo lún (Cao tốc Nội Bài - Lào Cai) Độ lún dự báo Asaoka ($S_f$) Độ lún dự báo Hyperbolic ($S_f$) Độ cố kết Asaoka ($DOC$) Độ cố kết Hyperbolic ($DOC$)
Bên trái (Km 0+100) 507 mm 507 mm 100% 100%
Tim đường (Km 0+100) 467 mm 467 mm 100% 100%
Bên phải (Km 0+100) 452 mm 452 mm 100% 100%

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

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác của hai phương pháp quan trắc hình học và công nghệ vệ tinh:

Đối với phương pháp đo cao hình học từ giữa trong điều kiện địa hình không thuận lợi (không thể bố trí khoảng cách máy đến hai mia bằng nhau), tác giả thiết lập công thức xác định số hiệu chỉnh tổng hợp do ảnh hưởng đồng thời của độ cong quả đất, chiết quang đứng và trục ngắm không nằm ngang (sai số góc $i$): $$\Delta h_{r,i} = \Delta f_r + \Delta f_i = \frac{1 - k}{2R} \Delta s \sum s + \frac{i''}{\rho''} \Delta s$$ Trong đó $\Delta s = s_2 - s_1$ là chênh lệch khoảng cách từ máy đến mia trước và mia sau; $\sum s = s_1 + s_2$ là tổng chiều dài tia ngắm; $R$ là bán kính quả đất; $k$ là hệ số chiết quang đứng; $i''$ là góc nghiêng trục ngắm. Để triệt tiêu ảnh hưởng này khi không thể cân bằng trạm máy, tác giả đề xuất quy trình đo kép trong đo cao hình học từ giữa bằng cách bố trí hai trạm máy hoặc thay đổi chiều cao máy/chiều dài tia ngắm có kiểm soát.

Đối với ứng dụng công nghệ GNSS/CORS, tác giả xây dựng giải pháp trạm quan trắc tự động liên tục phục vụ theo dõi lún bề mặt nền đường đắp:

  • Thiết lập sơ đồ kết nối truyền dẫn dữ liệu từ máy thu GNSS qua giao thức NTRIP về máy chủ trung tâm.
  • Sử dụng module thu nhận và xử lý tín hiệu đa hệ thống vệ tinh Trimble BD970.
  • Xây dựng phần mềm trên môi trường Microsoft Visual Studio 2019 để đọc, giải mã các dòng tin tiêu chuẩn NMEA-0183: chuỗi GGA (thời gian UTC, vĩ độ, kinh độ, chỉ số chất lượng định vị RTK, số lượng vệ tinh, độ cao trắc địa) và chuỗi GST (độ lệch chuẩn phương sai vị trí và độ cao).
  • Thiết lập mô đun chuyển đổi tọa độ từ hệ quy chiếu quốc tế WGS-84 sang hệ tọa độ quốc gia VN-2000 phục vụ đồng bộ dữ liệu kỹ thuật công trình.
  • Thực nghiệm mô phỏng khẳng định khả năng xác định độ biến dạng lún đạt độ chính xác tương đương phương pháp trắc địa truyền thống.

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

Chương 3 là phần đóng góp lý thuyết trọng tâm của luận án, chuyển đổi hai phương pháp đồ giải Asaoka và Hyperbolic sang phương pháp giải tích chặt chẽ:

  1. Nâng cao độ chính xác phương pháp Asaoka giải tích:
  • Từ phương trình quan hệ $S_i = \alpha + \beta S_{i-1}$, thay vì lập đồ thị tìm giao điểm, tác giả áp dụng nguyên lý bình phương nhỏ nhất (LSP) để giải hệ phương trình số hiệu chỉnh tuyến tính, xác định bộ hệ số tối ưu $\alpha$ và $\beta$ cùng ma trận nghịch đảo hệ số $[Q]$.
  • Độ lún toàn phần (độ lún giới hạn) được tính giải tích: $S_f = \frac{\alpha}{1 - \beta}$.
  • Áp dụng định luật truyền sai số trắc địa để thiết lập công thức xác định sai số trung phương trọng số đơn vị $\mu$ và sai số trung phương của độ lún toàn phần $m_{S_f}$, sai số độ lún dư $m_{\Delta S}$ và sai số độ cố kết $m_U$.
  1. Nâng cao độ chính xác phương pháp Hyperbolic giải tích:
  • Tuyến tính hóa phương trình Hyperbol thành dạng $y_i = \alpha + \beta x_i$ với biến đổi $x_i = t_i$ và $y_i = \frac{t_i}{S_{t_i} - S_0}$.
  • Ứng dụng LSP để tính toán giải tích nghiệm tối ưu của $\alpha$ và $\beta$, loại bỏ hoàn toàn sai số chủ quan do vẽ đường dóng và ngắm mắt trên đồ thị.
  • Tính độ lún giới hạn: $S_{gh} = S_0 + \frac{1}{\beta}$, độ lún dư $\Delta S_t = \frac{1}{\beta} - \frac{t}{\alpha + \beta t}$ và độ cố kết $U_t = \frac{S_t}{S_{gh}}$.
  • Thiết lập hệ thống công thức tính sai số trung phương tương ứng ($m_{S_{gh}}, m_{\Delta S_t}, m_{U_t}$).
  1. Xây dựng phần mềm tính toán tự động: Tác giả xây dựng lưu đồ khối và lập trình hoàn chỉnh chương trình máy tính trên Visual Studio 2019, tích hợp module xử lý số liệu theo cả hai thuật toán Asaoka giải tích và Hyperbolic giải tích. Chương trình cho phép nhập chuỗi đo, tự động kiểm tra tính hợp lý của chuỗi dữ liệu, loại bỏ điểm dị thường, xuất bảng tổng hợp dự báo kèm theo sai số trung phương định lượng.

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

Chương 4 kiểm chứng các giải pháp lý thuyết đã đề xuất qua thực nghiệm hiện trường và số liệu thực tế:

  1. Thực nghiệm mô hình quan trắc tự động bằng GNSS/CORS:
  • Lựa chọn tuyến đường đắp trên đất yếu thực tế tại Việt Nam để bố trí mạng lưới quan trắc.
  • Thiết kế và chế tạo mốc quan trắc lún kết hợp: thân mốc bằng thép neo sâu vào nền đắp, đỉnh mốc gắn tấm đỡ chuyên dụng có ren định vị antenna GNSS và có khắc dấu ngắm chuẩn cho mia thủy bình nhằm phục vụ đo kiểm chứng song song.
  • Xác định chính xác chiều cao tâm pha antenna; lắp đặt và cấu hình trạm thu GNSS hiện trường, kết nối truyền dữ liệu liên tục qua mạng 4G/Internet về máy chủ xử lý trung tâm theo giao thức NTRIP.
  • Vận hành hệ thống đo tự động, so sánh số liệu đo cao GNSS/CORS sau khi xử lý chuỗi GGA/GST với số liệu đo thủy bình hình học chính xác cao, khẳng định hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng độ chính xác yêu cầu.
  1. Thực nghiệm xử lý số liệu chuỗi đo tại các dự án thực tế:
  • Xử lý chuỗi số liệu quan trắc lún tại dự án Quốc lộ 61 (đoạn Gò Quao - Kiên Giang) và dự án Y tại Hải Phòng bằng chương trình tính toán Asaoka và Hyperbolic giải tích đã lập trình.
  • Phân tích chi tiết số liệu tại các bàn lún C2, C8 và bàn lún SP47-A Block 10, SP41 Block 10 tại Hải Phòng. Kết quả so sánh giữa phương pháp đồ giải truyền thống và phương pháp giải tích cho thấy phương pháp giải tích triệt tiêu được độ lệch do người dựng đồ thị, đồng thời cung cấp các chỉ số sai số trung phương rõ ràng, giúp tư vấn giám sát có căn cứ định lượng khi quyết định dỡ tải hoặc kết thúc xử lý nền đất yếu.
Dự án / Bàn lún Phương pháp xử lý Độ lún toàn phần dự báo $S_f$ / $S_{gh}$ Độ cố kết $U$ (%) Sai số trung phương $m_{S_f}$ Hệ số tương quan $R^2$
Dự án Y Hải Phòng (SP47-A) Asaoka đồ giải 1.405,80 mm 95,20% Không xác định 0,982
Dự án Y Hải Phòng (SP47-A) Asaoka giải tích (Luận án) 1.412,35 mm 94,85% $\pm 4,12\text{ mm}$ 0,991
Dự án Y Hải Phòng (SP47-A) Hyperbolic giải tích (Luận án) 1.418,60 mm 94,50% $\pm 5,30\text{ mm}$ 0,989

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được những kết quả và đóng góp mới về mặt khoa học cũng như thực tiễn như sau:

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

  1. Thiết lập công thức toán học định lượng ảnh hưởng đồng thời của độ cong quả đất, chiết quang đứng và sai số góc trục ngắm không nằm ngang trong đo cao hình học từ giữa; chứng minh tính hiệu quả của phương pháp đo kép để triệt tiêu các sai số này trong điều kiện địa hình trắc địa không thuận lợi.
  2. Thiết lập cơ sở khoa học và quy trình công nghệ ứng dụng hệ thống trạm tham chiếu hoạt động liên tục GNSS/CORS truyền dữ liệu thời gian thực qua giao thức NTRIP phục vụ quan trắc tự động độ lún nền đường đắp đất yếu.
  3. Hoàn thiện phương pháp xử lý số liệu quan trắc độ lún theo mô hình Asaoka và Hyperbolic từ dạng đồ giải sang dạng giải tích chính xác dựa trên nguyên lý bình phương nhỏ nhất (LSP) và lý thuyết sai số Trắc địa; thiết lập hệ thống công thức giải tích cho phép xác định độ tin cậy và sai số trung phương của các đại lượng dự báo (độ lún toàn phần, độ lún dư, độ cố kết).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất:

  • Chế tạo thành công mẫu mốc quan trắc lún đa năng ngoài hiện trường, cho phép kết nối đồng thời thiết bị ăng-ten GNSS và mia đo cao hình học.
  • Xây dựng phần mềm máy tính trên nền tảng Visual Studio 2019 tự động giải mã bản tin NMEA-0183 (GGA, GST), chuyển đổi tọa độ WGS-84 sang VN-2000 và tính toán tự động các thông số dự báo lún theo phương pháp Asaoka, Hyperbolic giải tích kèm đánh giá sai số.
  • Đề xuất kiến nghị kỹ thuật cho các đơn vị tư vấn thiết kế và giám sát: lựa chọn khoảng thời gian chu kỳ đo cố định $\Delta t$ thích hợp, xác định đúng thời điểm bắt đầu xử lý số liệu quan trắc và sử dụng thuật toán giải tích thay thế đồ giải để kiểm soát chất lượng thi công nền đường đắp trên đất yếu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào quan trắc lún bề mặt nền đường đắp, chưa tích hợp đồng thời các cảm biến quan trắc dịch chuyển ngang và áp lực nước lỗ rỗng sâu trong thân nền vào cùng một hệ thống phần mềm GNSS/CORS. Hệ thống trạm quan trắc tự động phụ thuộc vào chất lượng đường truyền internet/4G ngoài hiện trường và nguồn điện cung cấp liên tục tại các vị trí thi công vùng sâu, vùng xa.

Về hướng nghiên cứu tiếp, luận án định hướng mở rộng triển khai mô hình trạm GNSS/CORS trên nhiều dạng địa hình, địa chất công trình khác nhau dọc các tuyến cao tốc Bắc - Nam; tích hợp dữ liệu quan trắc đa nguồn (lún mặt bằng GNSS/CORS, lún sâu đa tầng, dịch chuyển ngang bằng Inclinometer và tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng) vào một nền tảng phần mềm xử lý dữ liệu thời gian thực tập trung; nghiên cứu áp dụng thuật toán bình sai mạng lưới động để nâng cao hơn nữa độ chính xác đo cao vệ tinh.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Địa kỹ thuật công trình tại các trường đại học và viện nghiên cứu: tham khảo phương pháp luận giải tích hóa mô hình dự báo lún, lý thuyết sai số trắc địa áp dụng trong công trình và kỹ thuật xử lý dữ liệu GNSS/CORS.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế, tư vấn giám sát và nhà thầu thi công: tham khảo quy trình đo kép trong đo cao hình học ở địa hình dốc, cấu tạo mốc quan trắc chuyên dụng, phần mềm tính toán giải tích Asaoka và Hyperbolic để lập báo cáo nghiệm thu xử lý nền đất yếu đạt độ tin cậy cao.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và ban quản lý dự án giao thông: tham khảo cơ sở khoa học để hoàn thiện tiêu chuẩn, chỉ dẫn kỹ thuật liên quan đến công tác quan trắc và nghiệm thu nền đường đắp trên đất yếu tại Việt Nam.

Phần đáng tham khảo nhất trong luận án gồm: công thức tính số hiệu chỉnh sai số đo kép trong Chương 2; hệ thống thuật toán và lưu đồ khối phương pháp Asaoka/Hyperbolic giải tích trong Chương 3; cấu tạo bản vẽ mốc quan trắc và quy trình kết nối trạm GNSS BD970 qua NTRIP trong Chương 2 và Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Các tiêu chí định lượng để nhận diện đất yếu được tác giả nêu trong luận án là gì? Theo luận án, đất yếu được xác định khi có các chỉ tiêu: sức chịu tải $R = 50 - 100\text{ kPa}$, độ sệt $I_L > 1$, hệ số rỗng $e > 1$, mô đun biến dạng $E_0 < 5000\text{ kPa}$, góc ma sát trong $\varphi < 10^\circ$, lực dính kết cắt nhanh không thoát nước $c < 15\text{ kPa}$, sức kháng cắt cánh hiện trường $c_u < 35\text{ kPa}$, sức kháng mũi xuyên tĩnh $q_c < 0,1\text{ MPa}$ và chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT $N < 5$.

2. Trong đo cao hình học từ giữa, các nguồn sai số ảnh hưởng đồng thời được tác giả phân tích gồm những yếu tố nào? Tác giả phân tích ảnh hưởng đồng thời của ba yếu tố: độ cong quả đất, chiết quang đứng của môi trường không khí và trục ngắm của máy thủy chuẩn không nằm ngang (sai số góc $i$). Tổng số hiệu chỉnh được mô tả qua công thức phụ thuộc vào độ chênh khoảng cách từ máy đến hai mia ($\Delta s$) và tổng chiều dài tia ngắm ($\sum s$).

3. Phương pháp Asaoka đồ giải truyền thống bộc lộ những nhược điểm kỹ thuật nào? Phương pháp Asaoka đồ giải yêu cầu chu kỳ đo $\Delta t$ phải hoàn toàn cố định, khâu vẽ đồ thị phụ thuộc vào thao tác ngoại suy chủ quan để tìm điểm cắt trục tung (hệ số $\alpha$), và khi hệ số dốc $\beta$ xấp xỉ bằng 1 thì việc xác định giao điểm với đường thẳng $y = x$ để tìm độ lún giới hạn $S_f$ trở nên kém chính xác và không đánh giá được sai số trung phương.

4. Hai chuỗi bản tin NMEA-0183 nào được giải mã trong chương trình xử lý số liệu GNSS/CORS của luận án? Chương trình giải mã chuỗi bản tin GGA (cung cấp tọa độ không gian, độ cao trắc địa, trạng thái định vị RTK, số lượng vệ tinh) và chuỗi bản tin GST (cung cấp giá trị phương sai và các chỉ số sai số chuẩn của phép đo vị trí, độ cao).

5. Điểm bất thường trong chuỗi số liệu quan trắc tại dự án cao tốc Nội Bài - Lào Cai được luận án chỉ ra là gì? Số liệu thực tế tại đoạn Km 48+890 nhánh A1 cho thấy đồ thị lún theo thời gian có dạng đường cong lồi (trái với quy luật Hyperbol lõm), khi xử lý theo Asaoka cho hệ số dốc $\beta > 1$ dẫn đến độ lún toàn phần mang dấu dương (nền đường bị trồi), dù báo cáo vẫn ghi nhận độ cố kết đạt 100%.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Thị Thảo đã giải quyết đồng bộ bài toán nâng cao độ chính xác quan trắc và xử lý số liệu dự báo độ lún nền đường đắp trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam. Tác giả đã hoàn thiện công thức hiệu chỉnh sai số đo cao hình học bằng phương pháp đo kép, ứng dụng trạm GNSS/CORS tự động truyền số liệu qua NTRIP và phát triển thành công thuật toán giải tích cho hai mô hình Asaoka và Hyperbolic dựa trên nguyên lý bình phương nhỏ nhất và lý thuyết sai số. Các kết quả lý thuyết và phần mềm xây dựng trong luận án đã được kiểm chứng qua thực nghiệm mô phỏng và chuỗi số liệu tại các dự án giao thông thực tế, cung cấp cơ sở khoa học và công cụ tin cậy phục vụ công tác giám sát, nghiệm thu nền đường đắp trên đất yếu.