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 1. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU Ở NGOÀI NƢỚC Trong điều kiện đô thị khi xây dựng ngầm thƣờng gây ra nhiều hệ lụy xấu chẳng những đối với công trình ở gần nhƣ lún, nứt, thậm chí sụp đổ mà còn làm thay đổi chế độ thủy động của nƣớc dƣới đất. Đối với quá trình đào đất để thi công móng và tầng hầm công trình nhà cao tầng khi lấy đi một lƣợng đất nào đó sẽ làm thay đổi trạng thái ứng suất dẫn tới biến dạng của khối đất quanh hố đào. Đất sẽ chuyển dịch về phía hố đào, độ lớn của chuyển dịch phụ thuộc vào chất lƣợng của kết cấu chống giữ, loại đất, khoảng cách cũng nhƣ vị trí và tải trọng của công trình lân cận.
Tổng hợp các loại chuyển dịch này sẽ làm mặt đất ở lân cận hố đào lún xuống. Nếu trong vùng ảnh hƣởng này có công trình thì công trình sẽ bị biến dạng. Vì vậy, quan trắc biến dạng nền móng công trình nhà cao tầng trong quá trình thi công móng và tầng hầm là đối tƣợng nghiên cứu của nhiều nhà khoa học tại các viện nghiên cứu và các trƣờng đại học lớn trên thế giới. Các hƣớng nghiên cứu để đảm bảo hiệu quả cho công tác quan trắc biến dạng nền móng công trình nhà cao tầng bao gồm: 1- Quan trắc chuyển dịch nền móng nhà cao tầng trong giai đoạn thi công móng và tầng hầm Công tác quan trắc chuyển dịch nền móng nhà cao tầng trong giai đoạn thi công móng và tầng hầm chủ yếu là quan trắc trong quá trình thi công hố đào để thi công móng và tầng hầm.
Các hƣớng nghiên cứu là xác định nội dung quan trắc và phƣơng pháp quan trắc. - Xác định nội dung quan trắc: nội dung quan trắc thƣờng đƣợc nêu trong các tiêu chuẩn thiết kế, thi công hoặc quản lý. Ví dụ, theo JGJ 120 - 99 [82], nội dung quan trắc trong quá trình thi công hố đào bao gồm: quan trắc chuyển dịch theo phƣơng ngang của kết cấu chống giữ; biến dạng của đƣờng ống ngầm và công trình 7 xung quanh; mực nƣớc ngầm; nội lực trong cọc, tƣờng; lực kéo trong đất; lực dọc trong thanh chống; biến dạng trụ đứng; độ lún theo chiều sâu của các lớp đất và độ trồi đất ở đáy hố móng; áp lực ngang trên bề mặt kết cấu chống giữ. - Phƣơng pháp quan trắc: phƣơng pháp quan trắc chuyển dịch trong quá trình thi công hố đào phục vụ thi công móng và tầng hầm gồm phƣơng pháp trắc địa và phƣơng pháp sử dụng cảm biến.
Phƣơng pháp trắc địa thƣờng dùng để quan trắc chuyển dịch bề mặt còn phƣơng pháp sử dụng cảm biến dùng để quan trắc chuyển dịch theo chiều sâu. Trong phƣơng pháp sử dụng cảm biến thiết bị dùng để đo chuyển dịch ngang của kết cấu chống giữ thành hố đào là Inclinometer còn thiết bị quan trắc lún theo chiều sâu là Extensometer. Về vấn đề quan trắc chuyển dịch nền móng nhà cao tầng có các công trình nghiên cứu [46], [47], [48], [49], [52], [53], [54]. 2- Phân tích đánh giá kết quả quan trắc chuyển dịch nền móng và tầng hầm nhà cao tầng Công tác phân tích đánh giá kết quả quan trắc biến dạng công trình gồm có: - Phân tích đánh giá kết quả quan trắc biến dạng công trình trong không gian ba chiều.
- Phân tích đánh giá kết quả quan trắc biến dạng công trình theo thời gian, từ đó đƣa ra đƣợc biến dạng công trình trong tƣơng lai. - Phân tích đánh giá ảnh hƣởng của các nhân tố tác động đến biến dạng công trình. Trong quan trắc biến dạng nền móng và tầng hầm nhà cao tầng, các hƣớng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nâng cao độ chính xác quan trắc, nâng cao mức độ tin cậy của giá trị quan trắc và phân tích số liệu quan trắc nhằm kiểm soát sự cố có thể xảy ra đối với công trình và công trình lân cận. Sự cố công trình thực tế về hố móng sâu đƣợc phân tích dựa trên kết quả quan trắc đƣợc thiết kế và lắp đặt trƣớc khi thi công tầng hầm và bổ sung kịp thời trong quá trình diễn biến sự cố.
Phƣơng pháp kiểm soát sự cố khá chủ động nhờ phân tích một cách khoa học các thông tin từ quan trắc [53]. Hwang, Za-Chieh Moh and C. Wang (2007) đã chỉ ra rằng: biến động điểm đáy của ống Inclinometer là không thể tránh khỏi, thậm chí kể cả khi đáy ống đƣợc lắp đặt trong tầng cuội sỏi. Trong đo chuyển dịch ngang bằng cách áp dụng các điểm đáy ống nhƣ điểm tham chiếu có thể sẽ là sai lầm.
Các điểm ở phía trên của ống dẫn hƣớng cần đƣợc theo dõi để đọc, có thể đƣợc hiệu chỉnh cho phù hợp [62].Taha (2005), Inclinometers là những công cụ tốt để đo lƣờng và quan trắc sự biến dạng ngang của đất do đào đắp. Tuy nhiên ống dẫn hƣớng sử dụng phải đủ sâu để có đƣợc kết quả đáng tin cậy. Vì lý do này ống dẫn hƣớng Inclinometers lắp đặt bên trong tƣờng vây phải đƣợc lắp đặt ít nhất là đến hết chiều sâu bức tƣờng hoặc thậm chí sâu hơn. Đó là khuyến cáo để lắp đặt các Inclinometers nhằm thực hiện các mô hình phân tích chính xác hơn về thông số chuyển dịch biến dạng của đất bên ngoài của bức tƣờng ngăn hoặc cho tiêu chuẩn thiết kế tốt hơn [47].
3- Tự động hóa quá trình quan trắc và xử lý số liệu Về mặt tự động hóa quá trình quan trắc và xử lý số liệu, ngoài các hãng sản xuất thiết bị và phần mềm quan trắc tự động, các tác giả Reiner Jäger, Simone Kälber, Manuel Oswald and Martin Bertges (2006) đã xây dựng hệ thống điều khiển và cảnh báo trực tuyến dựa trên GNSS (hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng toàn cầu), GPS (hệ thống định vị toàn cầu), LPS (hệ thống định vị cục bộ) để quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình một cách liên tục [61]. Ngoài ra, tự động hóa quan trắc và xử lý số liệu có các công trình nghiên cứu [51], [55], [57], [58], [63]. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU Ở TRONG NƢỚC Ở nƣớc ta cuối những năm 1980 việc quan trắc biến dạng các công trình xây dựng đã đƣợc nhiều ngành quan tâm. Điều đó xuất phát từ một thực tế là ngày càng có nhiều công trình xây dựng đòi hỏi độ chính xác cao trong thi công xây lắp và phải đảm bảo một yêu cầu nghiêm ngặt trong khai thác và vận hành chúng.
Các số liệu đầy đủ chính xác về sự biến dạng của công trình là những tài liệu hữu ích quan trọng. Dựa vào các số liệu này chúng ta không chỉ khẳng định đƣợc độ an toàn, bền vững của công trình mà còn cho phép đƣa ra những dự đoán về độ biến dạng của công trình trong tƣơng lai, giúp cho công tác nghiên cứu và xử lý các sự cố của công trình nhƣ lún, nghiêng, chuyển dịch một cách hợp lý về khoa học cũng nhƣ hiệu quả về kinh tế. Năm 1985 đã có tiêu chuẩn TCVN 3972:1985 “Công tác trắc địa trong xây dựng công trình” [34] đã nói đến quan trắc biến dạng công trình. Từ đó đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học các cấp, một số luận án, luận văn nghiên cứu về quan trắc biến dạng công trình để hoàn thiện công tác quan trắc công trình, đáp ứng đƣợc yêu cầu quan trắc đối với các công trình cụ thể.
1- Nghiên cứu về lý thuyết - Nghiên cứu phƣơng pháp và quy trình quan trắc biến dạng công trình: Quy trình công nghệ quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình đã đƣợc tác giả Trần Khánh (1991) thể hiện trong báo cáo đề tài nhánh của đề tài cấp nhà nƣớc 46A-05-01 [13]. Đã có nhiều nhà khoa học trong nƣớc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ, máy móc và thiết bị nhằm nâng cao độ chính xác trong công tác quan trắc chuyển dịch công trình, giảm thiểu về kinh phí, thời gian quan trắc, những vấn đề này thể hiện trong các công trình nghiên cứu [3], [4], [5], [9], [13], [27], [28], [29]. Đã có nhiều công trình nghiên cứu trở thành tiêu chuẩn quốc gia để làm cơ sở cho quan trắc biến dạng công trình [34], [35], [36], [37], [38]. - Nghiên cứu về thiết kế lƣới và xử lý số liệu quan trắc biến dạng công trình: 10 Để mạng lƣới quan trắc biến dạng đáp ứng đƣợc yêu cầu về độ chính xác và yêu cầu về thời gian thì hệ thống lƣới quan trắc cần đƣợc thiết kế tối ƣu.
Về mặt thiết kế tối ƣu lƣới quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình đã có công trình nghiên cứu của tác giả Nguyễn Quang Phúc (2006). Trong công trình nghiên cứu này đã trình bày đầy đủ về đặc điểm công tác thiết kế hệ thống lƣới quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình và những kết quả nghiên cứu thiết kế tối ƣu lƣới quan trắc biến dạng công trình trên máy tính điện tử. Các nghiên cứu cũng cho thấy, việc thiết kế tối ƣu lƣới quan trắc biến dạng trên máy tính điện tử là đơn giản và hiệu quả [20]. Trong công trình nghiên cứu [29] cũng đã đề cập đến thiết kế tối ƣu độ chính xác lƣới và thiết kế tối ƣu chi phí thi công lƣới.
Công tác xử lý và phân tích số liệu quan trắc là công việc rất quan trọng góp phần nâng cao tính chính xác của công tác đánh giá độ biến dạng công trình. Vấn đề này đã đƣợc các nhà khoa học trong nƣớc khảo sát và thể hiện qua các công trình nghiên cứu [2], [10], [15], [19], [32]. Ví dụ, trong công trình [15] đã đề xuất các biện pháp cần thiết để làm giảm tác động của các nguồn sai số số liệu gốc và sai số hệ thống trị đo đến kết quả đo biến dạng. - Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị hiện đại trong quan trắc biến dạng công trình: Trong phƣơng pháp trắc địa truyền thống để xác định đƣợc chuyển dịch ngang và chuyển dịch thẳng đứng của công trình thƣờng phải quan trắc riêng theo các phƣơng pháp khác nhau.
Nhƣ vậy không những chu kỳ quan trắc kéo dài, khối lƣợng công tác lớn mà còn tăng thêm khó khăn cho phân tích biến dạng.
