QUAN TRẮC

a. Tổng quan:
Trong thiết kế các công trình xây dựng nói chung và các công trình cầu nói riêng, việc đặt ra những giả thuyết nhằm đơn giản hóa mô hình tính toán lý thuyết sẽ dẫn đến việc bài toán phân tích và tính toán không thể phản ánh hết các trạng thái hoạt động và ứng xử của công trình trong điều kiện hoạt động bình thường hoặc trong quá trình khai thác. Mặc dù rất nhiều phương pháp tính toán cũng như phần mềm tính toán được phát triển nhanh chóng trong thời gian qua, chẳng hạn như việc ứng dụng các mô hình tính toán ba chiều (với các yếu tố bề mặt phi tuyến), nhưng những kết quả tính toán lý thuyết nhận được vẫn chỉ là sự tương đối gần với ứng xử thực tế của công trình.
Một trong những biện pháp mang lại nhiều triển vọng để đánh giá quá trình làm việc và khai tháccủa các công trình cầu là lắp đặt trên một số cấu kiện hoặc bộ phận kết cấu cầu các thiết bị quan trắc, các cảm biến chuyển vị hay các cảm biến đo lường liên tục các đại lượng vật lý của công trình: từ các trạng thái biến dạng đến các trạng thái ứng suất trong các thành phần kết cấu của cầu. Hệ thống quan trắc công trình cầu SHMS bắt đầu được đưa vào ứng dụng và phát triển trên thế giới trong những năm gần đây. Phần lớn các công trình cầu lớn trên thế giới đều được lắp đặt những hệ thống quan trắc khác nhau nhằm liên tục theo dõi và thu thập các dữ liệu (các đại lượng vật lý) trong suốt quá trình hoạt động và khai thác của cầu.

 

b. Nội dung quan trắc:
Một công trình cầu lớn thông thường là một công trình có kết cấu phức tạp, nhịp lớn – điều này dẫn đến sự ảnh hưởng của biến đổi nhiệt là rất lớn, đặc biệt trong điều kiện khí hậu Việt Nam khi nhiệt độ tại một số vùng trong mùa hè có thể đạt ngưỡng 40o C, ngoài ra sự ảnh hưởng của gió (nhất là đối với các cầu dây văng, dây võng có trụ tháp cao) cũng là rất đáng kể. Vì thế việc thiết lập một hệ thống quan trắc tổng thể để đo đạc cũng như thu thập các dữ liệu, các đại lượng vật lý là hết sức cần thiết. Để làm được điều đó hệ thống quan trắc tổng thể cần phải bao gồm các thành phần sau:
– Hệ thống quan trắc trạng thái kết cấu (ứng suất, độ võng);
– Hệ thống quan trắc khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, hướng và tốc độ gió…);
– Hệ thống giám sát hình ảnh (camera giám sát giao thông, vận hành cầu);
– Hệ thống quan trắc chuyển vị và biến dạng.
Các thông tin dữ liệu thu thập được từ các thiết bị quan trắc và các cảm biến sẽ được ghi lại bởi máy chủ lắp đặt trên cầu rồi được chuyển đến trung tâm lưu trữ bằng mạng Internet hoặc GSM (GPRS).

 

c. Chi tiết nội dung quan trắc:
* Hệ thống quan trắc trạng thái kết cấu:
Một trong những nhiệm vụ của hệ thống quan trắc SHMS là hỗ trợ các kỹ sư và chuyên gia theo dõi trạng thái kết cấu của công trình tại thời gian thực trong suốt quá trình vận hành và khai thác bình thường của công trình, đồng thời đánh giá những trạng thái đặc biệt như dưới sự tác động của một cơn gió lốc, ảnh hưởng của xe quá tải, quá khổ hay tai nạn giao thông trên cầu. Vì thế việc lựa chọn các điểm (vị trí) lắp đặt các thiết bị quan trắc cùng với việc lựa chọn các đại lượng cần quan trắc và đo đạc ở những vị trí đó cần được tính toán và phân tích kỹ lưỡng đồng thời phải xem xét sự tác động và ảnh hưởng tới công trình bởi nhiều mô hình tính toán cũng như tổ hợp tải trọng khác nhau. Khi các giá trị quan trắc của các đại lượng vật lý vượt quá ngưỡng cho phép thì hệ thống sẽ báo động cho đơn vị quản lý và bảo trì công trình bằng email thông qua mạng Internet hoặc bằng tin nhắn thông qua mạng di động.
* Hệ thống quan trắc khí tượng:
Hệ thống quan trắc khí tượng có chức năng cung cấp các dự liệu về khí tượng và thời tiết trong khu vực công trình, thông báo các chỉ số nhiệt độ bản mặt cầu, lượng nước mưa để điều chỉnh tốc độ thông xe cùng với lưu lượng xe nhằm đảm bảo an toàn giao thông trên cầu. Các thành phần chính của hệ thống quan trắc khí tượng bao gồm nhiệt kế, phong kế, máy đo lượng mưa, cảm biến mặt đường, đo nhiệt độ mặt đường, đánh giá độ ẩm của mặt đường và trạm khí tượng với thiết bị truyền phát dữ liệu qua cáp.
* Hệ thống quan trắc hình ảnh:
Chức năng của hệ thống quan trắc hình ảnh là một hệ thống camera giám sát, chuyển các hình ảnh ghi lại tại công trình và chuyển đến Trung tâm vận hành và lưu trữ dữ liệu. Công tác giám sát bằng hình ảnh cho phép điều tiết giao thông trên cầu được hiệu quả hơn, đồng thời xác định những sai phạm và tai nạn trong giao thông trên cầu để kịp thời đưa ra những phương pháp xử lý hữu hiệu. Hệ thống quan trắc hình ảnh bao gồm các camera giám sát có độ phân giải cao cho phép giám sát cả ngày lẫn đêm trong mọi điều kiện thời tiết, camera theo dõi mực nước, thiết bị thu ghi và lưu trữ hình ảnh giám sát.
* Hệ thống quan trắc biến dạng và chuyển vị (quan trắc địa tin học – geomatic):
Địa tin học (geomatic) là khoa học sử dụng và phát triển trên cơ sở hạ tầng của khoa học thông tin để giải quyết các vấn đề về địa lý, khoa học Trái Đất và liên quan đến các nhánh của kỹ thuật. Địa tin học kết hợp việc phân tích và mô hình hóa không gian, xây dựng cơ sở dữ liệu không gian, thiết kế hệ thống thông tin, tương tác giữa con người-máy tính và các công nghệ mạng. Sự khác biệt lớn nhất của quan trắc địa toán với quan trắc thông thường đó là cho phép chúng ta đánh giá các quá trình biến đổi động của cả công trình đồng thời xác định các hiệu ứng của hiện tượng đó. Nhờ đó ta có sự kiểm soát tổng thể đối với cả công trình với khả năng phân tích và mô phỏng các hiện tượng xảy ra.

 

d. Kết quả:
Hệ thống quan trắc được thiết kế riêng biệt cho mỗi công trình cầu dựa trên các đặc điểm kết cấu của từng công trình, tình hình tài chính cũng yêu cầu của chủ đầu tư. Hệ thống quan trắc cầu phải có độ bền cao, phải đảm bảo độ chính xác cao trong suốt thời gian hoạt động.
Giá thành của toàn hệ thống quan trắc là không lớn so với tổng chi phí xây dựng cầu, chiếm khoảng 0,3% đến 1,5% tổng giá trị đầu tư công trình cầu tùy thuộc vào mức độ phức tạp của hệ thống quan trắc. Công tác quản lý và vận hành hệ thống quan trắc cũng không phải là chi phí lớn so với tổng chi phí duy tu và bảo dưỡng công trình, nhưng hệ thống quan trắc lại yêu cầu rất cao về nhân sự cũng như kinh nghiệm của chuyên gia quản lý.
Ưu điểm lớn nhất của hệ thống quan trắc công trình cầu là giám sát liên tục các hoạt động cũng như biến đổi của kết cấu nhằm vận hành và khai thác công trình được hiệu quả và an toàn hơn. Dựa trên cơ sở phân tích và đánh giá các dữ liệu quan trắc chúng ta đưa ra được những quyết định đúng đắn cho việc duy tu bảo dưỡng công trình cầu.
Những kết quả quan trắc cho phép chúng ta đánh giá được sự đúng đắn của các giả thuyết đưa ra trong quá trình thiết kế và thi công. Việc quan trắc thường xuyên công trình cho phép chúng ta kiểm soát được hoạt động của công trình dưới sự ảnh hưởng của các tổ hợp tải trọng khác nhau, giúp cho các chuyên gia xác định được quá trình lão hóa của các kết cấu để có biện pháp phòng tránh, nâng cao tuổi thọ của công trình cầu.

Quan trắc biến dạng công trình nhà cao tầng là công tác rất quan trọng và rất cần thiết để đánh giá khả năng làm việc hiệu quả của kết cấu công trình và độ ổn định của chất lượng nền móng so với các giá trị đã được tính toán theo thiết kế nhằm đảm bảo công trình vận hành tối ưu và an toàn nhất đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng làm việc một cách hiệu quả và bền vững theo thời gian.

A. QUAN TRẮC DỊCH CHUYỂN TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG:

a. Quan trắc hiện tượng lún, trồi hố móng:
Khi xây dựng phần móng của các nhà cao tầng người ta phải lấy một khối lượng rất lớn đất đá ở dưới hố móng đi. Áp lực của khối đất đá này lên bề mặt có độ sâu bằng độ sâu thiết kế của hố móng gọi là áp lực bề mặt. Sau khi lấy hết đất đá ở hố móng, do không còn áp lực bề mặt nên nền hố móng sẽ bị trồi lên. Trong giai đoạn xây dựng phần móng khi tải trọng của tòa nhà dần dần tăng lên thì sử trồi của nền hố móng cũng dần dần giảm đi. Để phân tích quá trình lún của các tòa nhà cao tầng cần thiết phải theo dõi đánh giá hiện tượng trồi của nền móng từ khi mở móng cho tới khi nó bị dập tắt hoàn toàn.
Để theo dõi hiện tượng này, trước khi mở móng phải tiến hμnh khoan một số lỗ khoan đường kính từ 100-200mm đến độ sâu thấp hơn mặt móng khoảng 50cm sau đó để nguyên ống thép và đổ bê tông vào trong ống, trên đầu có gắn đầu nước để quan trắc. Để xác định độ trồi lên của hố móng phải tiến hành quan trắc xác định độ cao của các mốc trước và sau khi mở hố móng. Đối với các nhà cao tầng có diện tích > 2000m 2 có thể đặt 4 mốc, các nhà có diện tích nhỏ hơn chỉ cần 2 hoặc 1 mốc.
Sau khi lấy hoàn toàn đất đá ở dưới móng đi người ta bắt đầu thi công phần móng và các tầng ngầm. Trong giai đoạn này, do tải trọng của công trình tăng dần nên mặt hố móng lại dần dần lún xuống, vì vậy phải thường xuyên kiểm tra độ cao của mốc quan trắc. Hiện tượng trồi của mặt hố móng được coi là tắt hoàn toàn khi độ cao của mốc quan trắc trở lại giá trị ban đầu và chỉ sau giai đoạn này mới bắt đầu gắc mốc và quan trắc độ lún của công trình

b. Quan trắc dịch chuyển ngang của bờ cừ
Sau khi lấy đất đá đi sự cân bằng sẽ bị phá với làm cho các cọc cừ có xu hướng bị di chuyển và nghiêng về phía trong của hố móng. Giá của độ dịch chuyển này có thể đạt tới 10cm hoặc lớn hơn. Vì vậy trong quá trình đào hố móng, bộ phận trắc địa phải tiến hành quan trắc dịch chuyển ngang của bờ cừ để kịp thời có các biện pháp xử lý đảm bảo an toàn cho công trình đang xây dựng cũng như công trình lân cận.
Để quan trắc dịch chuyển ngang của bờ cừ có thể sử dụng nhiều phương pháp như phương pháp hướng chuẩn đo góc nhỏ, phương pháp xác định toạ độ của các điểm trên bờ cừ .v.v.. hoặc sử dụng sử dụng chương trình “đường thẳng tham chiếu” (Reference Line) được cài đặt trong các máy toàn đạc điện tử.

 

B. QUAN TRẮC ĐỘ NGHIÊNG NHÀ CAO TẦNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG:

Quan trắc độ nghiêng của các tòa nhà cao tầng trong giai đoạn thi công gồm 2 công đoạn:
+ Quan trắc vị trí thực tế của các trục chi tiết và các kết cấu độ nghiêng của công trình: là sự không trùng khít của các trục ở các tầng trên khi chiếu xuống tầng 1 (mặt bằng cơ sở). Trong giai đoạn thi công, độ nghiêng của một công trình xuất hiện do các sai số của người thi công gây nên vì vậy việc kiểm tra độ nghiêng trong quá trình thi công (hay quan trắc độ nghiêng) thực tế là xác định vị trí của các trục và các kết cấu so với vị trí của chúng ở mặt bằng cơ sở Việc quan trắc được thực hiện bằng các thiết bị đo thông thường như thước thép đã kiểm định, máy toàn đạc điện tử.
+ Quan trắc độ nghiêng thực tế của hệ khung: Sau khi kiểm tra vị trí các trục và các cấu kiện cần tiến hành quan trắc độ nghiêng thực tế của hệ khung của tòa nhà. Việc này tốt nhất nên sử dụng các máy toàn đạc điện tử có chế độ đo trực tiếp không cần gương. Vị trí đo thường là các góc nhà và các điểm đặc trưng của tòa nhà.

 

C. QUAN TRẮC ĐỘ LÚN NHÀ CAO TẦNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG:

Sau khi thi công xong phần móng cần phải xây dựng các mốc chuẩn và gắn các mốc đo lún vào các vị trí chịu lực của công trình theo đúng thiết kế.
Mốc chuẩn là hệ thống các mốc chuẩn cố định, có độ cao không thay đổi theo thời gian. Thông thường các mốc chuẩn được đặt vào lớp đất ổn định bằng cách khoan sâu vào lòng đất đến tầng đá gốc và cách chân móng của tòa nhà một khoảng > 1,5 lần chiều cao của tòa nhà. Tuy nhiên do tác động của nhiều nguyên nhân mà mốc chuẩn nhiều trường hợp có thể cũng bị lún. Vì vậy khi xây dựng hệ thống mốc chuẩn cần nghiên cứu kỹ tài liệu địa chất công trình, địa chất thuỷ văn. Đồng thời phải xây dựng mốc chuẩn thành từng cụm mỗi cụm 3 mốc, số lượng cụm mốc chẩn tuỳ theo diện tích và số lượng của các tòa nhà mà xây dựng một cách hợp lý tiện cho việc kiểm tra sự ổn định của cụm mốc chuẩn sau này.
Các mốc đo lún được xây dựng với số lượng mốc tuỳ theo kết cấu của tòa nhà, với nhà kết cấu không có khung chịu lực chịu lực bởi tường gạch và móng băng. Các mốc được chôn cách nhau 10 đến 15 m tại vị trí tường giao nhau cần phải đặt thêm mốc. Với nhà khung chịu lực mốc đo lún được đặt tại các vị trí cột chịu lực của công trình phân bố theo trục ngang dọc của công trình và các vị trí tiếp giáp của các đơn nguyên. Với các nhμ vách cứng được đặt theo chu vi công trình với khoảng cách từ 15 đến 20 m có một mốc. Các mốc được đặt cao hơn mặt nền từ 15 cm đến 20 cm với các mốc có thể dựng được mia lên mặt mốc và 0.8m đến 2m với mốc sử dụng mia treo. khoảng cách từ mốc tới tường từ 3 đến 4cm.
Việc tính toán bình sai các kết quả đo lún của từng chu kỳ và toàn bộ quá trình đo được tiến hμnh bằng phương pháp số bình phương nhỏ nhất. Kết quả sau khi bình sai của mỗi chu kỳ cần được sử lý so sánh với chu kỳ dầu tiên để tìm ra độ trồi lún của mỗi mốc,tốc độ lún, độ lún tương đối, độ lún tổng cộng, độ lún trung bình. Lập bảng thống kê độ cao và lún tổng cộng của các mốc trong chu kỳ hiện tại độ lún tổng cộng của các mốc, tính độ lún trung bình của công trình trong chu kỳ đang xét và độ lún tổng cộng của công trình. Chỉ rõ các mốc có diễn biến đặc biệt ( mốc có độ lún lớn nhất, mốc có độ lún nhỏ nhất).Vẽ biểu đồ lún theo thời gian, theo các trục chính, vẽ đường đồng mức lún chu mỗi chu kỳ tiếp theo. Bàn giao kết quả đo lún khi đo xong từng chu kỳ cho đơn vị thiết kế vụ thi công để có biện pháp xử lý theo dõi.

 

D. QUAN TRẮC ĐỘ LÚN VÀ ĐỘ NGHIÊNG TRONG QUÁ TRÌNH THÁC SỬ DỤNG:

* Quan trắc độ lún của nhà cao tầng trong quá trình khai thác sử dụng: Việc quan trắc độ lún của nhà cao tầng trong quá trình khai thác sử dụng là sự kế tục quá trình này trong giai đoạn thi công. Quá trình này được tiến hành trong nhiều năm và chỉ dừng qua sát khi tốc độ lún đã ổn định và hoàn toàn tắt lún. Như vậy qua trình đo lún sau khi hoàn thiện công trình cần được phân định rõ hai giai đoạn đó là giai đoạn lún giảm dần, giai đoạn ổn định và tắt lún. Giai đoạn lún giảm dần từ 1 đến 2 năm, chu kỳ đầu tiên của giai đoạn này từ 3 đến 6 tháng sau khi công trình hoàn thiện, chu kỳ tiếp theo mỗi tháng một lần tuỳ theo tốc độ lún của công trình mà quyết định. Giai đoạn ổn định vụ tắt lún được đo theo chu kỳ từ 1 đến 2 năm cho đến khi giá trị lún hoàn toàn nằm trong giới hạn ổn định.
* Quan trắc độ nghiêng của nhà cao tầng trong quá trình khai thác sử dụng:
Việc đo độ nghiêng của các tòa nhà cao tầng trong giai đoạn khai thác sử dụng bắt đầu bằng việc đánh dấu các điểm đặt máy cố định và các điểm đo tại các vị trí được xem xét cẩn thận theo yêu cầu của cơ quan thiết kế. Các điểm quan trắc có thể làm bằng kim loại và gắn cố định vào công trình, cũng có thể đánh dấu các điểm quan trắc bằng sơn hoặc dán vào đó các gương giấy đặc biệt. Các điểm đặt máy được cố định bằng mốc bê tông kiên cố trên mặt đất cách công trình một khoảng phù hợp để đo ngắm một cách thuận lợi và đảm bảo độ chính xác. Nếu điều kiện cho phép thì nên chọn khoảng cách từ máy tới chân công trình xấp xỉ bằng chiều cao của nó Các phương pháp xác định độ nghiêng và phẳng của tường có thể xử dụng một trong các cách sau: Phương pháp chiếu bằng chỉ đứng của máy kinh vĩ và Phương pháp sử dụng máy toàn đạc điện tử.

 

E. QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH LÂN CẬN:
Xây dựng nhà cao tầng trên một khu vực nào đó là thay đột một loạt các tính chất Cơ lý của đất đá, chế độ nước ngầm, các chỉ tiêu của địa chất công trình, địa chất thủy văn không những của riêng khu vực nền móng của tòa nhà cao tầng những thay đổi này còn lan toả ra khu vực xung quanh. Hơn nữa hoạt động của các thiết bị động lực, thiết bị khoan, việc lấy một khối lượng đất lớn ra khỏi nền móng nhà sẽ gây ra các biến dạng đáng kể cho các công trình xung quanh vì vậy việc quan trắc biến dạng cho các công trình xung quanh là một việc làm hết sức cần thiết. Nội dung quan trắc biến dạng của các công trình xung quanh bao gồm:
– Đo đạc xác định các vết nứt.
– Quan trắc độ lún của các công trình.
– Quan trắc độ nghiêng của các công trình.