МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ БССР

Белорусский дорожный НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ИНСТИТУТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАСЧЕТНОГО УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ
ВОД ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Минск 1974

Изложены основные положения по установлению расчетного уровня грунтовых вод для условий западных районов II и III дорожно-климатических зон СССР.

Приведена методика определения расчетного уровня грунтовых вод, позволяющая устанавливать его величину по данным разовых замеров УГВ в процессе изыскания дорог.

Предисловие

Ежегодно в весенний период на отдельных участках дорог деформируется дорожная одежда из-за недостаточной несущей способности земляного полотна.

Потеря устойчивости земляного полотна возникает в результате переувлажнения грунтов, происходящего обычно за счет капиллярного влагонакопления от близко залегающих грунтовых вод.

Требования СНиП II-Д.5-72 по возвышению низа дорожной одежды над расчетным уровнем грунтовых вод часто не выдерживаются лишь потому, что в процессе изысканий был зафиксирован фактический уровень грунтовых вод, который, как правило, ниже расчетного.

Настоящие Методические рекомендации позволят проектным организациям устанавливать расчетный уровень грунтовых вод при назначении высоты насыпи по данным изысканий.

Методические рекомендации разработаны на основе результатов исследовательских работ, проведенных сектором водно-теплового режима БелдорНИИ в 1970-1974 гг. на сети постоянно действующих наблюдательных постов, расположенных на автомобильных дорогах, находящихся в различных условиях увлажнения.

При составлении Методических рекомендаций использованы материалы многолетних наблюдений за уровнем грунтовых вод на опорной сети Белорусского геолого-гидрологического треста Управления геологии при СМ БССР.

Методические рекомендации разработаны руководителем сектора водно-теплового режима БелдорНИИ, канд. техн. наук Р.З. Порицким и младшим научным сотрудником В.Н. Корюковым.

Общие положения

1. Проектирование земляного полотна автомобильных дорог осуществляют в соответствии с положениями СНиП II-Д.5-72, Инструкции по сооружению земляного полотна автомобильных дорог (ВСН 97-63), типовых проектов сооружений на автомобильных дорогах (вып. 14-69).

Настоящие Рекомендации используют для установления расчетного уровня грунтовых вод при назначении возвышения низа дорожной одежды в западных районах II и III дорожно-климатических зон (западнее линии, соединяющей Воронеж, Орел, Смоленск, Псков).

Грунтовыми водами, оказывающими влияние на устойчивость земляного полотна, называют первый от поверхности земли водоносный слой, в котором все поры грунта заполнены водой (зона насыщения). От зоны насыщения до поверхности земли (зона аэрации) степень увлажнения грунта изменяется. Над зоной насыщения находится слой грунта, увлажненный капиллярной влагой, поднимающейся за счет сил смачивания по капиллярам грунта. Капиллярная влага гидравлически связана с грунтовой водой, поэтому высота капиллярного увлажнения грунта изменяется с изменением уровня грунтовых вод.

При проектировании земляного полотна необходимо вывести зону промерзания грунта из сферы капиллярного увлажнения за счет возвышения низа дорожной одежды над расчетным уровнем грунтовых вод.

2. На продольный профиль проектируемой дороги наносят данные фактических замеров уровня грунтовых вод в период изысканий и расчетный уровень, определенный в соответствии с настоящими Рекомендациями. Выделяют участки, на которых необходимо снизить влагонакопление в грунтах, с учетом безопасной глубины залегания грунтовых вод, при которой они не оказывают существенного влияния на увлажнение активной зоны земляного полотна (табл. 1).

Если низ дорожной одежды не удается возвысить над уровнем грунтовых вод на безопасную высоту, следует назначать специальные меры по осушению земляного полотна.

Таблица 1

Примечание. I, II, III - дорожно-климатические районы согласно «Указаниям по проектированию земляного полотна автомобильных дорог в Полесье» (Минск, 1973).

3. В западных районах СССР в зоне аэрации до 1,5 м четко выражены два подъема: зимне-весенний и осенний (рис. 1).

Рис. 1. Графики колебаний уровней грунтовых вод с различными режимами:

1 - с мощностью зоны аэрации 0,5-1,0 м; 2 - то же 1-3 м; 3 - то же свыше 5 м.

По мере увеличения мощности зоны аэрации величина осеннего подъема уровня грунтовых вод уменьшается и при Н>3 м осеннего подъема не наблюдается. В зоне аэрации до 3 м (рис. 2) для западных районов II и III дорожно-климатических зон характерен дополнительный зимний подъем грунтовых вод, обусловленный наличием продолжительных зимних оттепелей. Величина и продолжительность подъема грунтовых вод в период оттепелей практически равны весеннему подъему (см. рис. 2). Влияние подъема грунтовых вод в период оттепелей на величину увлажнения грунтов значительное. В этот период происходит интенсивное влагонакопление за счет миграции влаги от близко залегающих грунтовых вод.

На основе анализа сезонного колебания грунтовых вод для условий запада II и III дорожно-климатических зон за расчетный уровень грунтовых вод при проектировании дорог следует принимать максимальный многолетний зимне-весенний уровень, наблюдавшийся в данной местности.

Рис. 2. График колебаний уровней грунтовых вод:

1 - по материалам Белорусского геолого-гидрологического треста; 2 - по данным ВСЕГИАГЕО; 3 - по данным БелдорНИИ

Методы установления расчетного уровня грунтовых вод

4. Расчетный (максимальный) уровень грунтовых вод может быть установлен визуальными наблюдениями, методами «аналога» и математической статистики.

5. Метод визуальных наблюдений включает три способа установления расчетного уровня грунтовых вод: геоботанический; фиксацией верхней границы оглеения; наблюдениями на гидрологических постах.

Геоботанический метод основан на соответствии определенных видов растений грунтовым и гидрогеологическим условиям местности. В «Указаниях по проектированию земляного полотна автомобильных дорог в Полесье» приведена таблица распространения лесных пород в зависимости от вида грунта, характера и степени увлажнения, которой следует пользоваться в процессе изысканий. При этом необходимо учитывать, что признаками избыточного увлажнения грунтов являются оглеение и оторфовывание связных грунтов и наличие ортзандовых прослоек в песках. Этот метод используют при изысканиях для составления ТЭО.

Установить расчетный уровень грунтовых вод можно фиксацией верхней границы оглеения грунтов. По внешнему виду оглеение представляет собой отдельные, обычно вытянутые пятна различной величины, карманы, потеки сизовато-зеленовато-голубоватого цвета. Верхнюю границу оглеения фиксируют в разведочных выработках, которые размещают в соответствии с «Указаниями по инженерно-геологическим обследованиям при изысканиях автомобильных дорог» (М., Союздорпроект, 1963). В местах, где зафиксирована верховодка, за расчетный уровень грунтовых вод следует принимать поверхность земли.

6. Расчетный уровень грунтовых вод может быть установлен постоянными наблюдениями за динамикой грунтовых вод в районе строительства дороги. С этой целью на характерных участках местности организуют гидрологические посты, оборудованные специальными колодцами, в которых измеряют уровень грунтовых вод. Правила оборудования постов и методы измерения изложены в «Инструктивных указаниях по организации и производству наблюдений за режимом подземных вод» (М., 1955).

7. Расчетный уровень грунтовых вод методом «аналога» устанавливают следующим образом:

- определяют глубину залегания грунтовых вод на трассе дороги;

- по данным геолого-гидрологической службы Министерства геологии СССР отыскивают гидрологический пост или станцию, ведущую наблюдения за грунтовыми водами в районе изыскания дороги и находящуюся в аналогичных грунтово-гидрологических условиях;

- для гидрологического поста «аналога» выбирают данные о глубине залегания грунтовых вод в момент их определения на трассе дороги и расчетный уровень для этого поста;

- устанавливают расчетный уровень грунтовых вод по зависимости

,                                                               (1)

где  - расчетный уровень грунтовых вод на трассе;

 - расчетный уровень грунтовых вод по данным многолетних наблюдений на гидрологическом посту;

 - глубина залегания грунтовых вод, измеренная на трассе дороги;

 - глубина залегания грунтовых вод на гидрологическом посту, измеренная в тот же день, что и на трассе дороги.

Если на гидрологическом посту ведутся наблюдения за грунтовыми водами более 10 лет, величину  устанавливают по зависимости

,                                                          (2)

где  - средний из максимальных уровней грунтовых вод за n лет наблюдений;

t - нормированное отклонение уровня грунтовых вод от среднего при заданной обеспеченности (табл. 2).

 - среднее квадратическое отклонение;

 - максимальный уровень грунтовых вод за каждый i-й год наблюдений;

n - число лет наблюдений.

Для дорог с усовершенствованными типами покрытий расчеты ведут с 5 %-ной обеспеченностью (повторяемость расчетного уровня один раз в 20 лет), для дорог с переходными типами покрытий - с 10 %-ной обеспеченностью (повторяемость - один раз в 10 лет).

Таблица 2

8. Ориентировочный расчетный уровень грунтовых вод может быть установлен, если вблизи трассы дороги имеется питьевой колодец. В этом случае измеряют одновременно глубину залегания грунтовых вод от поверхности земли на трассе дороги и в колодце. Затем на срубе колодца отыскивают следы, характеризующие наивысшее положение уровня, и измеряют его глубину от поверхности земли. Расчетный уровень грунтовых вод определяют по зависимости (1) без установления вероятности (обеспеченности) его превышения за ряд лет.

9. Статистические методы позволяют устанавливать расчетный уровень грунтовых вод по данным наблюдений за основными факторами, оказывающими влияние на колебания грунтовых вод.

При прогнозировании расчетного уровня в районах избыточного увлажнения использованы следующие данные: минимальный уровень грунтовых вод, наблюдаемый в августе-октябре, суммарные жидкие осенние и твердые зимние осадки.

Уравнение множественной корреляции для трехфакторной зависимости имеет вид

,                                             (3)

где Н_р - прогнозируемый расчетный уровень грунтовых вод;

Н_min - минимальный осенне-летний уровень грунтовых вод;

Q_ос - суммарное количество осенних осадков;

Q₃ - суммарное количество зимних осадков;

К₀, К₁, К₂, К₃ - коэффициенты, определяемые по уравнениям

,                                                  (4)

;                                 (5)

;                                                  (6)

.                                                                (7)

Для нахождения коэффициентов по зависимостям (4-7) устанавливают величины их определителей по следующим уравнениям:

;

;

;                                     (8)

;

;

;

.

В уравнениях (8) Н_р, Н_min, Q_ос, Q₃ - разности между частным значением этого переменного и соответствующим средним значением для ряда наблюдений. Величины в квадратных скобках, например [Н_min, Q_oc] , являются суммой произведений соответствующих разностей.

10. Для определения Н_p по уравнению (3) используют данные о минимальном уровне грунтовых вод в осенне-летний период (Н_min). Изыскания дорог могут выполняться в любой месяц года, поэтому установление связи между Н_min и измеренным на трассе уровнем производят методом парной корреляции по зависимости

,                                                      (9)

где  - среднестатистический минимальный многолетний уровень грунтовых вод;

Z - коэффициент корреляции, оценивающий тесноту связи и определяемый по уравнению

;

δ - среднеквадратическое отклонение прогнозируемых уровней;

,

откуда                                             ;

.

Здесь Н_изм - измеренный уровень грунтовых вод на трассе;

Н_ср - среднестатистический многолетний уровень грунтовых вод в месяц измерения его на трассе.

Среднестатистические значения  и Н_ср вычисляли по всем скважинам за многолетие с доверительной вероятностью 0,9.

11. Точность и достоверность полученных результатов проверяют с помощью коэффициента корреляции Р из зависимости

                                                          (10)

Коэффициент Р устанавливают с помощью определителей, приведенных в уравнениях (8) и (11).

;

;                                     (11)

.

12. Применение статистических методов возможно лишь для генетически однородных условий формирования режима грунтовых вод. Статистическую обработку различных видов и разновидностей режима, обусловленных влиянием геологического строения района, рельефа и его расчлененности, температуры воздуха, мощности и состава золы аэрации, ближайших водоемов, осуществляли раздельно.

Выделили три района: северный, центральный и южный (Полесье) (см. «Указания по проектированию земляного полотна автомобильных дорог в Полесье»). Внутри каждого района выделили участки, отличающиеся друг от друга по условиям питания грунтовых вод. К пойменным относили те, где на режим грунтовых вод оказывают влияние близлежащие водоемы, остальные - к междуречьям. Затем каждый участок разбивали на типы местности по характеру и степени увлажнения (в зависимости от толщины зоны аэрации). К первому типу местности (сухие места) относили участки с глубиной залегания грунтовых вод от 3 до 5 м, ко второму (сырые места) - от 1 до 3 м и к третьему (мокрые места) - до 1 м.

13. Статистическую обработку выполняли по изложенной методике для 65 гидрологических постов с периодом наблюдений не менее 10 лет. Результаты расчетов сведены в таблицы 3, 4, 5. В табл. 3 даны значения коэффициентов К₀, К₁, К₂ и К₃ для вычисления расчетного уровня грунтовых вод по зависимости (3), в табл. 4 - значения величин, входящих в уравнение для расчета минимального уровня грунтовых вод , в табл. 5 - расчетное количество осенних и зимних осадков. Порядок пользования таблицами иллюстрируется примерами расчета.

14. Гидрологические посты организованы в местах залегания наиболее распространенных разновидностей грунтов на территории БССР (пески мелкие и пылеватые: супеси легкие, легкие пылеватые и пылеватые). Для других разновидностей грунтов прогноз Н_р следует производить по методам, изложенным ранее.

Для облегчения расчетов составлена программа для ЭВМ «Промïнь», которую БелдорНИИ может выслать по требованию.

Таблица 3

Примечания.

1. Н_р вычисляют для конкретных условий по зависимости (3) с применением соответствующих коэффициентов.

Величину Н_min вычисляют по зависимости (9) и коэффициентам, приведенным в табл. 4. Q_ос и Q₃ выбирают по табл. 5 для ближайшей к району строительства метеорологической станции.

2. При вычислении расчетного уровня грунтовых вод для случая залегания их в период изысканий от 0 до 1 м могут быть получены отрицательные значения. Тогда за расчетный уровень грунтовых вод следует принимать поверхность земли.

Таблица 4

Примечания.

1. При подсчете минимального уровня грунтовых вод меньшие значения Н_ср следует принимать в случае, когда количество осадков в месяц, предшествующий изысканиям, больше нормы не менее чем на 15-20 %, средние значения - когда близко к норме и большие значения - когда меньше нормы не менее чем на 15-20 %.

2. Под нормой для конкретной метеорологической станции подразумевается многолетнее количество осадков, выпавших в определенном месяце.

Таблица 5

Примечание. Расчетное количество осадков приведено с 5 %-ной обеспеченностью.

Примеры расчета

Пример I.

При проектировании строительства дороги II технической категории в процессе изысканий на участке дороги 15 мая обнаружены грунтовые воды на глубине 1,8 м от поверхности земли. Определить расчетный уровень грунтовых вод, если известно, что в районе изысканий имеется гидрологический пост, находящийся в сходных условиях, с периодом наблюдений n = 12 лет.

Решение. Расчетный уровень грунтовых вод определяем по зависимости (1):

.

По данным наблюдений на гидрологическом посту выбираем глубину залегания грунтовых вод 15 мая  = 2,2 м, средний уровень, наблюдаемый на посту за период 12 лет, равен  = 1,6 м.

Величину  вычисляем по зависимости

.

Нормированное отклонение уровня выбираем по табл. 2 для дороги II технической категории с 5 %-ной обеспеченностью при n = 12 лет, t =2,2.

Величину среднеквадратической ошибки находим из уравнения

.

Для облегчения расчетов составляют следующую таблицу.

.

Вычисляем  = 1,6 - 2,2 · 0,27 = 1,0 м.

Окончательно получим

 м

Расчетный уровень на участке проектируемой дороги равен 0,82 м от поверхности земли.

Пример II.

Для условий, приведенных в первом примере, нужно определить расчетный уровень, если в питьевом колодце, находящемся вблизи участка дороги, уровень воды 15 мая равен 2,6 м.

Решение. Для нахождения  пользуемся зависимостью (1).

При этом необходимо отыскать на срубе колодца следы, характеризующие наивысший уровень воды в колодце. Расстояние от поверхности земли до замеченных следов соответствует значению =1,3 м.

Вычисляем  м.

Расчетный уровень равен 0,9 м.

Пример III.

Определить расчетный уровень грунтовых вод с помощью статистического метода, если 20 мая грунтовые воды обнаружены на глубине 1,8 м от поверхности земли на участке проектируемой дороги, находящейся во II дорожно-климатическом районе (вблизи г. Минска) в пойме реки.

Решение. Расчетный уровень грунтовых вод вычисляют по зависимости (3).

Для выполнения расчетов по зависимости необходимо отыскать соответствующие коэффициенты и величины.

Из табл. 3 для приведенных в задаче условий выбираем значения коэффициентов К₀=1,22; К₁=0,417; К₂=-0,002; К₃=-0,004.

Расчетное количество осенних и зимних осадков выбираем из табл. 5 для ближайшей к участку дороги метеорологической станции Минск.

Q_ос= 100 мм; Q₃ = 240 мм.

Для определения Н_min воспользуемся уравнением парной корреляции (9):

,

По табл. 4 для соответствующих условий выбирают значения ; С; Н_ср. При этом значение Н_ср - в зависимости от количества осадков, выпавших в месяц, предшествующий изысканиям. С 20 апреля по 20 мая количество осадков было близко к «норме».

Тогда

=1,87; С=0,61; Н_ср=1,08.

Вычисляем Н_min с учетом, что Н_изм по условию равно 1,8 м:

.

Подставляем полученные значения величин в зависимость (3) и производим вычисление:

Н_р=1,22+0,417·2,31-0,002·180-0,004·240=1,22+0,96-0,36-0,96=0,86 м.

Таким образом, расчетный уровень грунтовых вод на участке дороги Н_р=0,86 м.

СОДЕРЖАНИЕ