Сопротивление грунта — практическое руководство как определить основной параметр (75 фото) — Строительный портал — Strojka-Gid.ru

Удельное сопротивление грунта — это физический параметр, который определяет степень сопротивления грунта прохождению через него электрического тока, иными словами — позволяет определить его проводимость.

Данный параметр определяется как сопротивление, создаваемое условным кубом грунта с длиной рёбер 1 м с присоединёнными к разным сторонам электродами. Единица измерения — Ом на метр.

Любой грунт обладает сложной структурой, включающей в себя твёрдые частички, жидкость (воду в связанном и свободном виде) и воздух, причём ток проводит в основном именно вода.

По своим характеристикам любой грунт обладает очень плохой проводимостью; однако чем она выше (и, соответственно, меньше  сопротивление), тем меньшее число заземлителей нужно устанавливать для получения низкого сопротивления заземления.

А ведь именно оно позволяет грунту поглощать ток от молний и при утечках, что защищает оборудование от поломок, а работающих с ним людей — от травм.

При расчётах нужно знать величину сопротивления грунта там, где вы планируете его оборудовать.

На эту цифру влияют различные факторы:

• температура — один из наиболее важных параметров. При её снижении сопротивление растёт, поскольку замёрзшая вода почти не проводит ток; так, при падении до -5 градусов значение сопротивления возрастает в 8 раз;
• влажность грунта — чем она выше, тем грунт легче проводит ток. При снижении влажности сопротивление возрастает, сильно это проявляется у песчанистых, глинистых и суглинистых грунтов;
• структура грунта;
• наличие в воде растворённых солей и других электролитов — чем их больше, тем сопротивление меньше.

Данные параметры меняются по сезонам. Зимой, когда земля промерзает, значения удельного сопротивления выше всего.

Стоит отметить следующий факт. Грунт состоит из слоёв, имеющих разное среднее сопротивление и разделённых относительно чёткими границами, и в каждом слое сопротивление почти не меняется.

Верхний слой (до трёх метров) наиболее сильно подвержен изменениям.

Измерение сопротивления

Чем точнее будет измерено сопротивление, тем надёжнее можно будет оборудовать заземляющее сооружение. Не придётся как устанавливать лишние электроды, так и расширять заземляющие устройства постфактум.

Самые точные результаты будут, если измерения будут проводиться отдельно по сезонам. Но это бывает накладно.

Чаще измерения делают в конце весны или начале лета,  при этом для того, чтобы рассчитать сопротивление грунта при промерзании (или его высыхания), используют поправочные коэффициенты — промерзания, влажности, сезонные; они определяются для каждой климатической зоны отдельно.

Измерения могут проводиться одним из двух методов: амперметра-вольтметра и вертикального электрического зондирования. За расчётное сопротивление грунта берут наибольший результат.

Существуют таблицы сопротивления грунтов, позволяющие узнать примерные величины сопротивления для различных видов грунта в разных климатических зонах.

Однако ориентироваться на эти цифры можно только тогда, когда нет никаких других известных данных. Надёжнее и правильнее делать замеры на месте.

Удельное сопротивление преимущественно зависит от характеристик типа грунта. Чернозём и глина обладают низким сопротивлением — всего 80 Ом*м, суглинок — чуть большим, 100 Ом*м. Для песчаных грунтов содержание влаги влияет на сопротивление очень сильно, и значения могут колебаться от десятка до тысяч Ом*м.

Чем выше содержание горных пород, тем выше сопротивление: каменистые виды грунта способны обладать сопротивлением в тысячи Ом*м, а для грунтов с вечной мерзлотой цифры могут достигать 50000 Ом*м.

Стоит отметить, что в каменистых и вечномёрзлых грунтах, помимо прочего, организовать заземление трудоёмко и дорого, что иногда требует использовать специальные методы по снижению удельного сопротивления.

Как понизить сопротивление

Традиционный способ снизить сопротивление заземлителя — увеличить число электродов и/или размер заземлителя.

Рост габаритов позволяет добиться многих преимуществ, поскольку глубинные слои мало зависят от сезонных колебаний. Так, при увеличении размеров заземлителя от 10 метров до 100 колебания сопротивления уменьшаются в десятки раз.

Однако в каменистых и вечномерзлых грунтах обычные методы сложны для реализации. Установка дополнительных электродов связана с трудностями и дополнительными тратами; кроме того, давление пластов грунта выталкивает горизонтальные электроды. Поэтому для таких грунтов нужны иные типы решений.

Замена грунта нужного объёма на грунт с более низким сопротивлением. Способ неплох для каменистых типов, но для вечномёрзлых польза метода ограничена: новый грунт тоже будет промерзать.

Объёмы заменяемого грунта зачастую огромны, а результат не всегда бывает удовлетворительным.

Установка выносного заземлителя в местах грунта, где сопротивление ниже, чем в других. Технологии позволяют устанавливать такое заземление на расстояниях до 2 км, но и такое решение требует большого объёма работ по установке дополнительных коммуникаций.

Использование солей и электролитов, снижающих сопротивление грунта. Метод позволяет сократить размеры заземлителя в разы, но со временем химические вещества вымываются. Поэтому процедуру придётся повторять раз в несколько лет.

Электролитическое заземление. Совмещает в себе замену части грунта и действие электролитов. Для него используется особый электрод, наполненный смесью электролитов; они распределяются в рабочей области при прохождении тока, а стабилизируется процесс наполнителем.

Внимательно учитывайте удельное сопротивление при монтаже заземляющих устройств. Сделанные замеры позволят сэкономить вам много сил, времени и денег, а правильно смонтированное заземление обезопасит вас и вашу технику.

Фото сопротивления грунта

Также рекомендуем посетить:

• Шлифовка бруса
• Утепление фасадов
• Самовсасывающий насос
• Установка кондиционера
• Арка из гипсокартона своими руками
• Ремонт в хрущевке
• С чего начать ремонт квартиры
• Как подключить люстру
• Как утеплить мансарду
• Как построить баню
• Армирование фундамента
• Гидроизоляция подвала
• ОСБ плита
• Как избавиться от плесени
• Как шпаклевать гипсокартон
• Облицовка цоколя
• Ленточный фундамент
• Состав раствора
• Проводка в квартире
• Как снять старые обои
• Укладка ондулина
• Ремонт ванной комнаты
• Кварцевая лампа
• Как сделать гамак
• Дома из клееного бруса
• Датчик движения для включения света
• Облицовка печи
• Утеплитель для балкона
• Как снять старую краску
• Как сделать жалюзи
• Как мыть натяжные потолки в домашних условиях
• Вес листовой стали
• Фурнитура для мебели
• Трещины на потолке
• Откосы своими руками
• Как выбрать входную дверь
• Конденсат на окнах
• Очистить чайник от накипи
• Москитные сетки на пластиковые окна
• Септик из бетонных колец
• Расположение розеток

Сопротивление грунта – практическое руководство как определить основной параметр (75 фото) – Строительный портал – Strojka-Gid.

ru

Удельное сопротивление грунта – это величина, которая количественно характеризует свойство земли, почвы как электропроводника. Единица измерения данного параметра – Ом*метр, то есть математически величина представляет собой произведение сопротивления и длины проводы. Этот параметр – частный случай удельного электрического сопротивления материалов.

Практический смысл данной величины в том, чтобы определить, насколько эффективно в данном конкретном грунте будет происходить заземление ближайшего электрооборудования. Различаются расчетное (теоретическое) и измеренное (практическое) значения этого параметра. Первое вычисляется по специальным формулам, второе устанавливается опытным путем.

Существуют справочные данные, в которых содержатся средние теоретические (расчетные) значения удельного сопротивления грунта разных видов. Так, для влажной глины эта величина составляет 20 Ом*м, для сухого песка от 1 500 до 4 200 Ом*м, для садовой земли – 40 Ом*м, для черноземных почв – 60 Ом*м, для каменного угля – 150 Ом*м.

Величины расчетного электрического удельного сопротивления грунта (таблица)

Грунт	Удельное сопротивление, среднее значение (Ом*м)	Сопротивление заземления для комплекта ZZ-000-015, Ом	Сопротивление заземления для комплекта ZZ-000-030, Ом	Сопротивление заземления для комплекта ZZ-100-102, Ом
Вечномерзлый грунт (песок)	50 000	Требуются специальные мероприятия по уменьшению удельного сопротивления грунта. Например, замена грунта (подробнее на отдельной странице).
Вечномерзлый грунт (суглинок)	20 000
Кварц	15 000
Талый слой (у поверхности) в зонах вечномерзлого грунта	500 – 1000	43 – 87	24 – 47	20 – 39
Дресва (мелкий щебень/крупный песок)	5 500	477	260	227
Известняк поверхностный	3 000 – 5 000	260 – 434	142 – 236	118 – 196
Щебень мокрый / сухой	3 000 / 5 000	260 / 434	142 / 236	118 / 196
Песок сухой	1 000 – 4 000	87 – 347	47 – 189	39 – 165
Базальт	2 000	174	94	78
Гранит	1 100 – 2 000	95 – 174	52 – 94	43 – 78
Песчаник	1 000	87	47	39
Бетон	40 – 1 000	3 – 87	2 – 47	1,5 – 39
Гравий однородный	800	69	38	31
Песок влажный	500	43	24	20
Гравий глинистый, неоднородный	300	26	14	12
Гнейс разложившийся	275	24	12	11
Песок влажный	130 – 400	11 – 35	6 – 19	5 – 16
Лёсс (желтозем)	250	22	12	10
Каменный уголь	150	14	7	6
Супесь (супесок)	150	14	7	6
Мергель	150	14	7	7
Суглинок при температуре минус 5 С°	150	–	–	6
Суглинок полутвердый, лессовидный	100	9	5	4
Мел	60	5	3	2
Глина полутвердая	60	5	3	2
Сланец графитовый	55	5	3	2
Мергель глинистый	50	4	2	2
Торф при температуре 0 С°	50	4	2	2
Вода равнинной реки	50	4	2	2
Вода прудовая	40	0,3	0,2	0,2
Садовая земля	40	3	2	1,5
Зола, пепел	40	3	2	1,5
Вода грунтовая	20-60	0,3	0,2	0,2
Песок, сильноувлажненный грунтовыми водами	10 – 60	0,8 – 5	0,5 – 3	0,4 – 2
Суглинок, сильноувлажненный грунтовыми водами	10 – 60	0,8 – 5	0,5 – 3	0,4 – 2
Ил	30	3	1,5	1
Торф	25	2	1	1
Глина, сильноувлажненная грунтовыми водами	20	1,5	1	0,5
Солончак	20	1,5	1	0,5
Кокс	2,5	0,2	0,1	0. 1
Графитовая крошка	0,1 – 2	0	0	0
Вода морская	0,2	0	0	0

Сопротивление заземления для комплектов ZZ-000-015 и ZZ-000-030, указанное в таблице, может использоваться при различных конфигурациях заземлителя – и точечной, и многоэлектродной.

Вместе с таблицей ориентировочных величин расчетного удельного сопротивления грунта предлагаем Вам воспользоваться географической картой уже смонтированных ранее заземлителей на базе готовых комплектов заземления ZandZ с результатами замеров сопротивления заземления.

Глина, суглинок, супесь (различия)

Рыхлые осадочные грунты, состоящие из глины и песка, классифицируются по содержанию в них глинистых частиц:

Влияние различных факторов

Состав земли, размеры, конфигурация и компактность размещения её фрагментов, влагосодержание и температура, содержание растворимых химических компонентов (солей, кислот, щелочей, остатков гниения органических примесей) отражаются на значении уровня электропроводности. Все эти параметры трансформируются в зависимости от времени года, поэтому меняются и свойства грунта, причём в обширном диапазоне.

В условиях сухого и жаркого лета верхние почвенные слои просыхают, зимой промерзают, в обоих случаях противодействие токорастеканию значительно увеличивается. Так, на глубине 30 см при понижении температуры воздуха с 0 °C до минус 10 °C удельное электросопротивление грунта возрастает в 10 раз, а на глубине 50 см — в 3 раза. Это позволяет оценить коррозионную активность почвы и получить исходные данные для выбора эффективной конструкции заземления или проектирования электрозащитного оборудования для подземного сооружения.

Исходя из этого, коррозионная активность грунтов делится на группы, сведения о которых приводятся в таблице:

Коррозионная активность	Удельное электросопротивление, Ом·м
Низкая	более 100
Средняя	от 20 до 100
Повышенная	от 10 до 20
Высокая	от 5 до 10
Весьма высокая	до 5

Электросопротивление грунта непосредственно влияет на монтажные работы: чем меньше его значение, тем проще произвести установку заземляющих устройств, а это снижает денежные и трудовые затраты.

Ведь для того чтобы эффективно противостоять растеканию тока при организации заземления установки для производства электроэнергии, отопительного или молниезащитного оборудования в почве с низким удельным сопротивлением, будут применяться заземлители существенно меньшего размера.

Способы получения необходимых параметров

Заземлители традиционной конструкции состоят из набора вертикальных и горизонтальных электродов и монтируются в беспроблемных, «хороших» грунтах. Вертикальные электроды обладают множеством достоинств, т. к. с увеличением глубины:

• характеристики почвы более стабильны;
• сезонные колебания меньше дают о себе знать;
• содержание влаги повышается и тоже снижает сопротивление.

Горизонтальные электроды применяются для нужд соединения, но могут использоваться и как самостоятельные элементы, когда невозможно нормально смонтировать вертикальные заземлители или требуется устройство определённой конструкции. В критических условиях вечной мерзлоты или тяжёлых грунтов монтаж классического заземления неэффективен. Специфическая ситуация местности потребует гигантских размеров заземляющих устройств, а в результате явления выталкивания электроды просуществуют в почве не более года.

Для решения этих проблем специалисты разработали ряд методик:

• Нужные объёмы «плохих» грунтов изымаются и заменяются «хорошими»: углём или глиной. В случае вечной мерзлоты эффект от этого будет краткосрочным, т. к. грунт-заместитель тоже рано или поздно застывает.
• В районах, имеющих низкое удельное сопротивление почв, монтируются установки выносного заземления на удалении до 2 км от основного источника.
• Используются химические соединения — соли и электролиты. Хлористый натрий (обычная поваренная соль), хлористый кальций, сернокислая медь (медный купорос) уменьшают сопротивление промерзающего грунта, но требуют обновления через непродолжительное время (от 2 до 4 лет), т. к. подвержены вымыванию.

Лучшее решение проблемы — создание комплекса электролитического заземления. В нём выгодно сочетается химическая обработка почвы и замена грунта. Для этого используются электролитические электроды, которые наполняются подготовленной смесью минеральных солей и равномерно распределяются по рабочему пространству. Процесс выщелачивания реагентов становится более стабильным за счёт использования специального околоэлектродного заполнителя, увеличивающего площадь контакта с почвой. Это позволяет решать проблемы установки традиционных заземлителей, существенно уменьшает размеры и количество оборудования, снижает объёмы общестроительных работ.

Конфигурация заземлителя

Сопротивление заземления напрямую зависит от площади электрического контакта электродов заземлителя с грунтом, которая должна быть как можно большей. Чем больше площадь поверхности заземлителя, тем меньше сопротивление заземления.

Чаще всего, из-за наименьшей сложности монтажа, в роли заземлителя используется вертикальный электрод в виде стержня/трубы/уголка.

Для увеличения площади контакта заземлителя с грунтом:

• увеличивается длина (глубина) электрода
• используется несколько соединенных вместе коротких электродов, размещенных на некотором расстоянии друг от друга (контур заземления). В таком случае площади единичных электродов просто складываются вместе, что подробно описано на отдельной странице о расчёте заземления.

Применение на практике

Уровень электропроводности земли — величина непостоянная. На его значение влияют разнообразные факторы, среди которых основные — влажность, температура, структура и воздухопроницаемость. При установке заземляющего устройства требуется достоверная информация о местах проведения строительных работ. Чтобы сопротивление заземлителя не превысило допустимую норму, необходимо точно обозначить пределы, в которых оно может изменяться.

Все данные для нужд проектирования получают при помощи геологических изысканий и измерений на конкретном объекте. Полученные результаты подлежат корректировке с учётом времени года, ведь нормируемые значения необходимо обеспечить при самых критических условиях. И только если выясняется, что возможность привязки к местности по разным причинам отсутствует, пользуются справочными таблицами, при этом расчёт всегда будет ориентировочным.

Выбор контура

Перед расчетом контура Вам предоставляется возможность выбрать один из следующих вариантов заземляющих устройств:

• Треугольная конструкция, параметры которой определяются еще на этапе проектирования.
• Линейное сооружение протяженного типа, монтируемое по периметру защищаемого объекта.
• Модульно-штыревая заземляющая конструкция.

Каждый из перечисленных выше способов сборки и последующего монтажа заземляющих устройств нуждается в подробном рассмотрении.

Треугольная конструкция

Этот вариант изготовления ЗК – самый известный и распространенный среди профессионалов и любителей. Для обустройства такой конструкции потребуется приготовить следующие элементы:

• Двухметровые металлические стержни (арматурные прутья) в количестве 3-х штук.
• Столько же стальных перемычек, предназначенных для объединения прутьев в единую конструкцию.
• Медная шина, необходимая для соединения ЗК с точкой сбора жил от заземляемого оборудования в распределительном шкафу (ГЗШ – главная заземляющая шина).

Плоскость сварного контура с уже вбитыми в землю штырями при обустройстве ЗУ должна располагаться на глубине примерно 30-60 см.

Линейный контур

Линейное заземление выбирается в случае, когда к защитному сооружению требуется подключить несколько единиц оборудования, размещенных на удалении один от другого. Оно состоит из нескольких вбитых в землю штырей (3), расположение которых относительно друг друга выбирается из расчетных данных.

Линейная схема контура заземления для частного дома

От собранной по этой схеме конструкции, как и в случае с треугольником в сторону распределительного щитка с ГЗШ делается отвод (2). Перед тем как рассчитать такой ЗК – следует учесть, что общее число штырей ограничено взаимным влиянием аварийных токов, протекающих в каждом одиночном заземлителе.

Модульно-штыревое заземление

Модульный тип ЗУ применяется в ситуациях, когда площадь на участке перед домом ограничена небольшими размерами и допускается обустройство одной штыревой конструкции.

Схема монтажа одиночного заземляющего электрода

Она содержит в своем комплекте следующие элементы:

• Стальной стержень полутораметровой длины с медным покрытием и имеющейся на
• рабочей части резьбой.
• Специальную муфту из латуни, обеспечивающую получение резьбового соединения вертикально вбиваемого штыря с заземляющим отводом.
• Латунные зажимы особой конструкции, гарантирующие надежное сочленение металлических штырей с соединительной полосой.
• Наконечники для самих заземляющих стержней.
• Насадку с ударной площадкой, позволяющую передавать импульс от забивающего инструмента (вибромолота).

Комплект модульно-штыревого заземления

Обратите внимание: Для надежной защиты от коррозии все резьбовые элементы стержней покрываются графитной пастой, входящей в комплект фирменной поставки.

Защитная смазка сохраняется долгое время и не растекается при нагревании штырей и других элементов такого ЗУ. Входящая в состав антикоррозийная лента устойчива к воздействию агрессивных сред и защищает от разрушения всю конструкцию в целом.

Подробно о монтаже модульно-штыревого заземления читайте на этой странице.

Влияние свойств грунта на заземление

Уменьшение значений удельного электросопротивления почвы создаёт более благоприятные условия для растекания электрического заряда. Поглощение токов утечки и разрядов молний надёжно защищает заглублённые металлоконструкции. Тем самым предотвращаются электротравмы работников и нарушения функционирования других приборов.

Средства и сети связи, электрические подстанции и медицинские учреждения с энергоёмким оборудованием требуют более низких значений сопротивления заземлителей, нежели компоненты электрической сети в виде ЛЭП и простые жилые дома. Их установка и безопасное использование регламентируется ПУЭ и многочисленными отраслевыми стандартами, а нормы указываются в сопроводительной документации к установленным приборам.

Во всех климатических зонах одни и те же явления природы по-разному воздействуют на почву, что нашло отражение в специальных коэффициентах промерзания, увлажнения и сезонности. Когда грунт намокает, его удельное сопротивление в несколько раз снижается, а при промерзании — увеличивается. Коэффициент увлажнения оказывает существенное влияние на удельное электросопротивление грунта. Его применяют для корректировки измерений в местах планируемого устройства заземления в ряде случаев:

1. Грунт перенасыщен влагой — выпало много осадков. Измеренный показатель соответствует минимально возможному.
2. Грунт имеет среднюю влажность — осадки были немногочисленными. Замеры тоже имеют среднее значение.
3. Грунт сухой — осадков мало. Результат измерений сопротивления грунта — максимальный.

Рост размеров заземляющих устройств уменьшает зависимость конструкции от климатических явлений.

Это объясняется тем, что ток растекается на глубину, соответствующую горизонтальным габаритам заземлителя, и основное воздействие приходится на внутренние слои почвы, которые имеют заведомо невысокое удельное сопротивление.

Сопротивление заземления

Сопротивление заземления (сопротивление растеканию электрического тока) определяется как величина «противодействия» растеканию электрического тока в земле, поступающего в неё через заземлитель.

Измеряется в Ом и должно иметь минимально низкое значение. Идеальный случай — нулевая величина, что означает отсутствие какого-либо сопротивления при пропускании «вредных» электротоков, что гарантирует их ПОЛНОЕ поглощение землей.

Так как идеала достигнуть невозможно, все электрооборудование и электроника создаются исходя из некоторых нормированных величин сопротивления заземления = 60, 30, 15, 10, 8, 4, 2, 1 и 0,5 Ом.

Заземление – одно из базовых понятий в электротехнике. С его помощью осуществляется принудительное замыкание токопроводящих частей электроустановки в землю. Это обязательное требование для ее безопасной эксплуатации.

Как работает заземление?

Принцип работы заземления базируется на следующих утверждениях:

1. Нельзя полностью избежать пробоя изоляции на корпус электроустановки, а также значительно уменьшить ее сопротивление.
2. Когда потенциал затрагивает корпус, это невозможно определить по внешним параметрам.
3. Если в этом случае человек дотронется до корпуса электроустановки, он окажется под воздействием высокого потенциала.
4. В данной ситуации электрический ток проходит через тело человека от проводящей поверхности к земле, что опасно для жизни.
5. Чтобы избежать этой опасности, необходимо достичь разности потенциалов между приводящей поверхностью и землей. Для этого следует при помощи провода с небольшим сопротивлением соединить с землей части корпуса, выполненные из металла.

Благодаря этому в случае пробоя изоляции основной ток уйдет в землю, не затрагивая тело человека.

Почему земля обладает низким сопротивлением?

Закон Ома гласит, что ток во всех случаях протекает по замкнутому контуру. То есть ток движется через электроустановку с подключенной к ней системой заземления от одного из полюсов электростанции до заземляющего электрода. Небольшое заземление всей конструкции не гарантирует малое сопротивление обратной ветви цепи. Почва обладает достаточно большим удельным сопротивлением, поэтому кажется, что тело человека не становится дополнительным элементом заземления.

Стоит учитывать, что сопротивление обратной ветви контура заземления будет небольшим, поскольку между заземляющими электродами электроустановки и электростанции сечение среды очень велико.

Благодаря этому система заземления не только обеспечивает отличную защиту и надежность без обрывов, но и позволяет избежать прокладки доп.кабеля для коммутации соединителей электростанции и объекта.

Что еще нужно знать о заземлении?

Важно понимать, что для качественной работы системы заземления необходимо, чтобы переходной сопротивление, возникающее между землей и заземляющий электродом, было невелико. Этого можно достигнуть благодаря большой площади контакта (для этого выполняют сварку крепко скрепленных друг с другом пластин), а также с помощью установки электродов в грунте ниже глубины его промерзания, поскольку в этом случае его удельное сопротивление резко увеличивается. С реализацией данной задачи отлично справляются вертикальные заземлители.

Сопротивление человеческого тела равняется нескольким сотням Ом, поэтому максимально допустимое сопротивление системы заземления не может составлять более 4 Ом.

Источник

Цель расчета защитного заземления

Обустраиваемое на стороне потребителя заземляющее устройство предназначено для защиты не только персонала, обслуживающего электроустановки, но и рядовых пользователей.

Важно! Опасный потенциал может попасть на металлические части оборудования во время работы с ним совершенно случайно (из-за повреждения изоляции проводов, например).

Полноценный расчет заземления гарантирует образование надежного контакта защитного устройства с землей, приводящего к растеканию тока и снижению уровня опасного напряжения.

Таким образом, назначение расчета заземляющих устройств – создание условий, исключающих риск поражения живых организмов высоким потенциалом путем его снижения в точке замыкания. В отсутствие хорошо просчитанного и функционального заземлителя любое прикосновение к корпусу поврежденного оборудования равнозначно прямому контакту с фазной жилой.

Сопротивление грунтов сдвигу – прочность на сдвиг

Прочность на сдвиг – это соотношение сжимающего вертикального (σ) и сдвигающего горизонтального, или касательного (τ) напряжений. Их воздействие на грунт в двух плоскостях ведет к тому, что частицы перемещаются относительно друг друга. Возникают деформации, которые в определенный момент ведут к разрушению грунта. Чем больше нагрузка сжатия, тем сильнее должен быть сдвиг, чтобы грунт потерял свою целостность.

• Сопротивление грунтов сдвигу (прочность на сдвиг)
• Определение показателей сопротивления сдвигу
• Одноплоскостной срез
• Метод медленного среза
• Метод быстрого среза
• Трехосное сжатие
• Особенности сопротивления сдвигу у разных грунтов
• Сопротивление сдвигу у скальных грунтов
• Сопротивление сдвигу несвязных дисперсных грунтов
• Сопротивление сдвигу связных глинистых грунтов
• Сопротивление сдвигу мерзлых грунтов

Сдвиг бывает поверхностным и глубоким. В первом случае деформации затрагивают лишь верхние слои грунта, не влияют на общую устойчивость массива. Глубокий сдвиг проходит по криволинейной плоскости, в нем задействовано несколько грунтовых слоев. Такая деформация ведет к существенному повреждению и даже разрушению массива.

Сдвигающие силы действуют практически на все грунты при ведении строительных работ. Показатель влияет на несущую способность материала, устойчивость насыпей, откосов и зданий.

Его определяют:

• Перед возведением зданий любого уровня
• При прокладке дорог всех классов
• При возведении насыпей
• При строительстве дамб и плотин
• При разработке карьеров (для расчета крутизны стенок)
• При разработке способов крепления шахт и подземных выработок
• Для прогнозирования оползней в горной местности и укрепления склонов
• При разработке плана укрепления речных берегов

Дальше мы опишем, как определяется сопротивление грунта сдвигу.

Определение показателей сопротивления сдвигу

Грунт при сдвиге разрушается за счет того, что на него действует сжимающая сила от вертикальной нагрузки и сдвигающая от касательной (горизонтальной). Чем интенсивнее сжатие, тем больше нужно приложить усилий, чтобы срезать или сдвинуть материал. Прочность в этом случае определяется соотношением нагрузок, а не критическим напряжением.

Она выражается уравнением Кулона (предельного равновесия):

Детальнее об этих величинах вы можете прочитать в продолжении текста и других статьях нашего сайта.

Для определения прочности грунта при сдвиге используют такие методы:

• Одноплоскостной срез
• Трехосное сжатие

Методики описаны в ГОСТ 12248-2010. Информацию о них вы найдете в следующей части текста.

Одноплоскостной срез

Этим методом определяется угол внутреннего трения всех грунтов, сцепления глинистых, органических и скальных типов. По формуле вычисляют прочность при сдвиге.

Материал испытывают в специальных приборах, которые обеспечивают касательную и вертикальную нагрузку. Для получения точных данных проводят три опыта с одним и тем же образцом, но разными напряжениями.

Метод одноплоскостного среза имеет две схемы:

• Медленного среза (консолидировано-дренированного) – не учитывает водонасыщение
• Быстрого среза (неконсолидированного) – для глинистых грунтов и плодородных почв с текучестью (Il) менее 0,5 и для просадочных разновидностей, полностью насыщенных водой

В опытах используют образцы с природным сложением либо заданной плотностью и пористостью (при изъятии из предварительно уплотненных массивов). Глинистые грунты и песок берут в состоянии естественной влажности, а просадочные – полностью насыщенные влагой.

Пробы должны иметь форму цилиндра со следующими параметрами:

• Диаметр – от 70 мм
• Высота – 1/3 либо 1/2 диаметра
• Наибольший размер частиц – до 1/5 высоты

Для проведения опыта используется срезной прибор и уплотнитель.

Составные части срезного прибора:

• Коробка для срезов (срезная), которая состоит из движущейся и неподвижной части, рабочего кольца, сплошных и переформированных жестких штампов
• Устройство для сжатия материала – его вес подбирают так, чтобы стартовое давление на пробу не превышало 0,025 МПа
• Устройство для передачи срезающей касательной (горизонтальной) нагрузки

Уплотнители используются, если нужно проверять прочность грунта с определенными параметрами влажности и плотности.

Составные части уплотнителя:

• Обойма в форме цилиндра, куда помещают кольцо с грунтом
• Жесткий штамп с перфорациями
• Приспособление для создания вертикального давления на пробу
• Емкость для насыщения исследуемого материала водой
• Гидроизоляция
• Измерительный прибор для снятия данных о вертикальных деформациях

Готовый образец ставят на весы. При необходимости его уплотняют перфорированным штампом. Во время процедуры фиксируют показатели вертикальной деформации. Если нужно испытывать водонасыщенный грунт, его помещают в ванну и наливают воду, пока она не появится на поверхности образца. Просадочные грунты увлажняют до достижения максимальной плотности. Набухающие глины после стабилизации объема (прекращения набухания) нагружают, чтобы отжать лишнюю жидкость.

Дальнейшие действия зависят от метода, которым проводятся испытания.

Метод медленного среза

Перед началом испытания грунт уплотняют, при этом выбирают такое максимальное давление, которое на массив будет оказывать фундамент или другая конструкция. Минимальное и среднее давление в процессе опыта определяют как 0,25 и 0,5 от максимального. Если данных о нагрузках на массив нет, выбирают стандартные из таблицы.

Ступени уплотнения держат 15-25 минут, лишь последнюю – до момента 100% фильтрационной консолидации t100 (плотности, при которой отжимается вся вода, а поровое давление практически равно 0). После прекращения воздействия ступени записывают данные вертикальной деформации грунта. На основе этих данных строят график. По нему определяют t100, которое будет использоваться в дальнейших расчетах.

После уплотнения грунта его следует перенести в срезной прибор и предпринять следующие шаги:

1. Удалить жидкость из емкости, если опыт проводился на предварительно насыщенном водой грунте
2. Закрепить кольцо с грунтом в срезной коробке
3. Установить штамп с перфорациями
4. Отрегулировать прибор нагрузки
5. Установить подвижную и неподвижную часть так, чтобы зазор между ними был 0,5 мм для глинистых и органических грунтов и 1 мм – для песка
6. Установить измерительный прибор для фиксации вертикальных деформаций

Нагружают пробу тем же давлением, которое применялось при уплотнении. Нагрузку передают в одну ступень.

Она длится:

• Для песка – 5 мин
• Для супеси – 15 мин
• Для глины и суглинка – 30 мин

После завершения испытания с вертикальными нагрузками переходят к горизонтальному срезу и фиксации соответствующих деформаций. Сначала в журнал вносят стартовые данные о состоянии образца (вертикальные размеры), далее выбирают режим: статический (ступенчатый) или непрерывный (кинематический).

При непрерывном режиме скорость деформирования грунта высчитывают следующим образом:

Скорость деформирования при срезании у глинистых грунтов коррелирует с числом пластичности. Данные приведены ниже.

Ступенчатое увеличение давления должно быть на уровне 5%. Этап завершают, когда величина деформации приближается к значениям, приведенным в таблице.

Ниже приведено приблизительное время воздействия ступени для распространенных разновидностей грунтов.

Деформация становится стабильной, если за данный выше отрезок времени она не увеличивается более чем на 0,05%.

Статическое испытание считается завершенным, если на очередном этапе часть грунта отделяется от остальной или если его деформирование превышает 10%.

При кинетическом режиме скорость деформации стабильная. Ее данные для разных типов грунтов приведены в таблице.

Деформацию и величину касательной нагрузки фиксируют каждый раз, когда режущий прибор продвигается на 0,25-0,5 мм. Обычно фиксируют около 20 таких показателей. Испытание считается завершенным, если грунт деформируется больше, чем на 10% от изначального значения, или если нагрузка достигает максимума, после чего не увеличивается либо снижается.

Метод быстрого среза

Образец готовят и устанавливают также, как и в предыдущем случае. Вместо перфорированного штампа берут сплошной. Пробу нагружают одной ступенью, величину которой определяют по предлагаемому давлению на массив или берут из таблицы.

Не более, чем через 2 минуты после приложения давления, делают срез грунта. При кинематическом испытании скорость срезания должна быть 2-3 мм/мин. При ступенчатом методе касательная сила на каждой ступени должна быть не больше 10% от сжимающей. Ступени сменяются с перерывами в 10-15 с. Момент окончания испытания определяют так же, как в предыдущей методике.

После завершения опыта вычисляют горизонтальную (τ) и вертикальную (σ) нагрузку, при которых происходит сдвиг грунта.

Для этого используют формулы:

Показатель горизонтальной нагрузки определяют минимум в трех разных опытах. Из полученных цифр выстраивают график. Наибольшее значение τ – это предельное сопротивление грунта сдвигу.

Трехосное сжатие

Трехосным сжатием определяют:

• Устойчивость грунта к сдвигу
• Угол внутреннего трения
• Сцепление
• Коэффициент фильтрационной консолидации

Последние три характеристики напрямую зависят от устойчивости грунта к сдвигу.

Испытание проводится в камере, где материал имеет возможность расширяться в стороны. Его сдавливают в горизонтальной и вертикальной плоскости, по соотношению разнонаправленных нагрузок определяют прочность.

Сложение грунта может быть нарушенным или естественным, в зависимости от поставленной задачи. Образцам придают цилиндрическую форму с диаметром среза 35 мм. Соотношение между высотой и диаметром – 1,85:2,25. Отдельные зерна не должны превышать 1/6 диаметра.

Прибор для трехосного состоит из таких деталей:

• Камеры с уплотнителем и двумя штампами (сплошным и перфорированным), которые обеспечивают боковое расширение материала, отжимание жидкости из пор и измерение ее объема; все детали в ней герметичные, с минимальным трением между отдельными частями
• Прибор для измерения, создания и поддержания заданного давления в камере
• Приспособление для вертикального сжатия грунта
• Измеритель деформаций
• Измеритель давления в грунтовых порах
• Система противодавления

Этапы подготовки к испытаниям:

1. Грунт извлекают из массива цилиндром с заостренной и скошенной внутрь нижней частью. Диаметр приспособления на 0,5-1 мм больше, чем диаметр острого края.
2. Аккуратно достают пробу из цилиндра, делают замеры диаметра и высоты. До 50% площади глинистого грунта обклеивают фильтровальной бумагой для удаления влаги и ускорения консолидации (уменьшения давления жидкости в порах).
3. Систему противодавления заполняют дистиллированной водой.
4. Пробу оборачивают увлажненной фильтровальной бумагой, ставят ее на диск с порами, насыщенным водой, который располагается в основании камеры. Далее на образец надевают резиновую оболочку (используют расширитель). Связный грунт подготавливают еще перед размещением в камере, несвязный – непосредственно на ее основании. Песок закладывают послойно из водной взвеси.
5. На подготовленный грунт устанавливают верхний штамп и крепят его резиновым либо металлическим уплотнителем.
6. Камеру устанавливают на основание и проводят отцентровку грунтовой пробы.
7. Корпус крепят к основанию.
8. В корпус наливают воду, из которой предварительно удалены воздушные пузырьки.
9. Подключают все измерительные приборы и записывают их стартовые показания.

Дальнейшие испытания проводятся тремя методами:

• Неконсолидировано-недренированным
• Консолидировано-недренированным
• Консолидировано-дренированым

Детально о них читайте в продолжении статьи.

Неконсолидировано-недренированный метод

Образец сначала доводят до естественной плотности всесторонним обжатием без дренажа. Нагружают грунт непрерывно либо ступенями. В первом случае скорость наращивают на 0,5-2% за минуту, во втором – увеличивают давление на каждой ступени на 2-10% (перерыв между ступенями – от 15 с до 1 мин).

Испытание заканчивается, когда грунт начинает разрушаться. Его разгружают и берут образец для определения влажности.

Во время опыта записывают значения вертикальной деформации. При непрерывном методе это делают, когда деформация достигает 1% от изначального либо предыдущего значения. При ступенчатой технике фиксируют деформацию после каждой ступени.

Консолидировано-недренированный метод

Перед началом испытания грунт полностью насыщают водой и проводят его реконсолидацию (разуплотнение). Затем давление в камере повышают, чтобы дополнительно уплотнить материал и удалить через дренаж излишнюю влагу. Давление при консолидации должно соответствовать нагрузке, которую будет испытывать грунт в естественных условиях. Если таких данных нет, их берут из таблицы.

Одна ступень выдерживается 5 минут при исследовании песков и 15 минут при опытах с глинистыми и органическими грунтами. После завершения фиксируют деформацию и вносят данные в журнал. Материал уплотняют до момента, когда поровое давление упадет до нуля. В конце определяют высоту пробы, объем вытесненной жидкости и самого грунта. Когда высота изменится на 1%, цифры вписывают в журнал. Это промежуточные значения вертикальной деформации.

Консолидировано-дренированный метод

Испытание проводится после предварительной реконсолидации и водонасыщения образца. Затем его уплотняют, отводя влагу в дренажную систему. На следующем этапе грунт сжимают со всех сторон.

Далее обеспечивают ступенчатую либо непрерывную нагрузку. В первом случае на каждой ступени увеличивают давление на определенный процент от заданного в камере перед началом испытания. В таблице ниже мы разместили эти значения.

При кинематическом (беспрерывном) режиме фиксируют стартовую высоту. Когда она изменяется на 0,05%, записывают полученную цифру. Это будет значением деформирования грунта в вертикальном направлении.

При ступенчатом режиме данные о деформации снимают через определенные промежутки времени.

Для каждого типа грунта они будут своими:

• Для песков – спустя 1 мин, потом через 5 и 15 мин, потом каждые полчаса
• Для глинистых грунтов – спустя 1 и 5 мин, потом через 15 и 30 мин, дальше через 1 и 2 ч, потом еще три раза каждые два часа; завершают фиксацию показателей в самом начале и в конце следующего рабочего дня

Испытание заканчивают, когда грунт начнет разрушаться, после чего переходят к вычислениям.

Прочность грунта при трехосном сжатии определяется на основе нескольких показателей:

• Относительной вертикальной деформации
• Девиатора напряжения

Относительная вертикальная деформация высчитывается по формуле:

Для определения девиатора напряжения используется формула:

Прочность на сдвиг при трехосном сжатии — это зависимость относительной вертикальной деформации от девиации напряжения. Значения двух величин при разных нагрузках заносят в график. На нем отмечают точки с давлением, при котором грунт разрушается. Затем рисуют круги Мора-Кулона, радиус которых ровен (σ1-σ3)/2, а координаты центров (σ1+σ3)/2.

После завершения построения графика рассчитывают угол внутреннего трения и сцепление. О них вы можете прочитать в соответствующих статьях на нашем сайте.

Недренировано-неконсолидированным методом изучают сопротивление грунта недренированному сдвигу (Cu).

Его вычисляют по формуле:

Особенности сопротивления сдвигу у разных грунтов

Сопротивление сдвигу, как и другие виды прочности, зависят от строения грунтов и некоторых внешних факторов. Характеристика зависит, в первую очередь, от типа связей и дисперсности грунтов.

В продолжении текста вы узнаете о прочности на сдвиг таких видов грунтов:

• Скальных
• Несвязных дисперсных
• Связных глинистых
• Мерзлых

Сопротивление сдвигу у скальных грунтов

Прочность на сдвиг у скальных грунтов намного выше, чем у дисперсных. Это связано с высоким показателем сцепления. Сопротивление сдвигу особенно высокое у монолитных пород с минимальными признаками выветривания.

На сцепление и сопротивление сдвигу скальных грунтов влияют такие факторы:

• Тип и прочность структурных связей
  Грунты с кристаллическими решетками (магматические и метаморфические) намного прочнее, чем осадочные. В последних преобладают цементационные связи, образованные глинистыми минералами (слюдой, каолином), кремнистыми и железистыми соединениями, известняком.
• Зернистость
  Грунты, состоящие из мелких зерен (граниты, диориты), лучше сопротивляются сдвигу, чем крупнозернистые и крупнокристаллические (габбро). Это связано с большим количеством связей между отдельными элементами.
• Однородность структуры
  В скальных грунтах встречаются включения более слабых пород. Если их много, структура становится неоднородной, и прочность на сдвиг падает.
• Текстура
  Эта характеристика влияет на сопротивляемость сдвигу слоистых грунтов. Прочность на сдвиг повышается, если напряжение направлено поперек слоев, и, наоборот, резко падает при направлении давления параллельно слоям.
• Пористость и трещиноватость
  Эти признаки в грунте появляются вследствие выветривания и ведут к снижению всех видов прочности.
• Количество и состав поровой жидкости
  Сопротивление сдвигу снижается при повышении влажности, насыщении воды солями двухвалентных металлов (магния или кальция). Наиболее ярко эта тенденция выражена в частично растворимых осадочных грунтах (гипсе, доломите, меле).

Сопротивление сдвигу несвязных дисперсных грунтов

Прочность при сдвиге несвязных грунтов довольно низкая. Их зерна контактируют между собой только посредством трения. Такая физическая связь быстро разрывается под воздействием касательных напряжений. Сопротивление горизонтальным нагрузкам будет зависеть от угла откоса и угла внутреннего трения, без учета связности.

На устойчивость к сдвигу дисперсных несвязных грунтов влияют:

• Текстура зерен
  Трение между шероховатыми поверхностями зерен намного выше, чем между гладкими. Поэтому у карьерного песка или гравия прочность на сдвиг всегда выше, чем у гальки или речного песка. В первом случае зерна не окатанные, во втором – окатанные и гладкие. Показатель повышается в грунтах с частицами неправильной формы (например, угловатыми или заостренными).
• Дисперсность и гранулометрический состав
  Показатель снижается в грунтах с высоким содержанием мелких зерен. Они легче смещаются под воздействием горизонтальных нагрузок, чем крупные. Похожая ситуация наблюдается, когда гранулометрический состав неоднороден. Мелкие и пылеватые частицы становятся своеобразной смазкой, уменьшают сцепление между крупными зернами.
• Плотность и пористость
  Уплотненный грунт с незначительным содержанием пор устойчивее к сдвигу, чем рыхлый. Это связано с более прочными контактами между отдельными зернами.
  Для несвязных грунтов характерно такое явление, как дилатансия – увеличение объема (разрыхление) при воздействии касательного напряжения. Сначала грунт уплотняется и консолидируется. Перед разрушением плотность становится максимальной и постепенно снижается, происходят дилатансия и падение прочности.
• Влажность
  Лучше всего сопротивляется сдвигу сухой грунт. Влага снижает силу трения между зернами, и они легче смещаются. Если влажность увеличивается, и вода заполняет мелкие капилляры, увеличивается связность между частицами. Это ведет к временному увеличению прочности. Под давлением жидкость выходит из грунта. Он сначала уплотняется, но потом в процесс включается дилатансия, и массив разрушается.

Сопротивление сдвигу связных глинистых грунтов

Связные грунты по своей структуре немного напоминают скальные. Они состоят из отдельных частиц, связанных между собой цементирующим веществом и кристаллическими решетками. При повышении влажности часть контактов разрушается или ослабевает, в материале преобладают слабые коагуляционные связи между отдельными молекулами, которые разрушаются при повышении влажности. Отдельные зерна также контактируют между собой за счет силы трения.

Способность сопротивляться сдвигу у связных грунтов обусловлена сцеплением, но оно намного слабее, чем у скальных. Этот показатель варьируется в широких пределах. Например, в иле он составляет всего 0,001-0,0001 МПа, а в твердой глине – 0,5-1 МПа.

Прочность на сдвиг в первую очередь зависит от типа связей в грунте. Они могут быть кристаллизационными (молекулы прочно связаны в кристаллические решетки), цементационными (элементы скрепляются между собой), коагуляционные (молекулы слабо связаны химическими контактами).

Грунты с кристаллизационными и цементационными связями (твердые литифицированные глины и суглинки) достаточно устойчивы к сдвигу. Показатель снижается в илах и органических почвах, так как в них преобладают коагуляционные связи. В супесях многие частицы удерживаются вместе лишь силой трения, в них сцепление на сопротивление сдвигу почти не действует. Устойчивость зависит от величины угла внутреннего трения.

На прочность во многом влияет структура. Она всегда выше в массиве, чем в отобранном образце.

Некоторые авторы классифицируют глинистые грунты по чувствительности к сдвигу в зависимости от показателя структурной прочности (St):

• Нечувствительные – St меньше 1
• Чувствительные – St от 1 до 4
• Очень чувствительные – St от 4 до 8
• Слабо плывунные – St от 8 до 16
• Плывунные – St от 16 до 64
• Чрезвычайно плывунные – St больше 64

Плывунные грунты могут сдвигаться под собственным весом, при воздействии вибрации или минимальной нагрузки.

Глинистые грунты нередко имеют слоистую структуру и разную направленность частиц. Как и в скальных, их прочность на сдвиг повышается, если прикладывать горизонтальное напряжение перпендикулярно слоям.

Большое влияние на устойчивость к сдвигу оказывает его влажность. Самый прочный связный грунт – совершенно сухой. В нем компактно расположены частицы, между ними существуют прочные связи. При увлажнении расстояние между отдельными зернами увеличивается, так как на их поверхности образуется водная пленка. При воздействии горизонтальных нагрузок возникают пластические деформации.

При переходе в текучее состояние грунт приобретает плывунные свойства. При малейшей вибрации или под незначительным давлением он начинает перемещаться, как жидкость. Это делает основания чрезвычайно неустойчивыми.

Значение имеет и состав поровой жидкости. Если в ней много растворенных солей и электролитов, возникает явление коагуляции. Оно ярко выраженно в мелкодисперсных грунтах. Отдельные частицы грунта слипаются в агрегаты, увеличивается пористость и рыхлость. В результате материал становится более чувствительным к сдвигу даже при низкой влажности.

Сопротивление сдвигу мерзлых грунтов

В мерзлых грунтах лед обеспечивает дополнительные цементационные связи, что повышает их прочность на сдвиг. Но этот показатель может отличаться в разных типах грунтов. На него существенно влияет дисперсность. Самое высокое сопротивление сдвигу – у среднего и мелкого песков. Практически весь лед, который находится в порах такого грунта, замерзает и прочно скрепляет частицы между собой.

У глинистых грунтов льдистое сцепление слабее. Капиллярная и связанная вода часто не замерзает, что способствует ослаблению связей. Самая низкая прочность в этой группе будет у глины, немного выше она у суглинка и еще выше – у супеси.

Прочность на сдвиг у крупнообломочных грунтов, крупного и гравелистого песка при замерзании увеличивается. Но лед не может связать крупные частицы так прочно, как мелкие. При горизонтальных нагрузках контакты быстро разрушаются. Поэтому прочность таких мерзлых грунтов будет всегда меньше, чем у мелкозернистых.

На сопротивление сдвигу мерзлых грунтов влияет засоленность. Электролиты вызывают коагуляцию и изменение структуры грунта. В нем увеличивается количество пор, рыхлость, что ведет к падению прочности. Кроме того, соли снижают температуру замерзания, в грунте появляется большее количество свободной воды.

При таянии сцепляющее действие льда на грунт сглаживается, повышается его влажность. При повышении температуры прочность на сдвиг мерзлого грунта резко снижается. Она может быть гораздо меньше, чем у такой же не замерзшей разновидности.

Прочность на сдвиг проверяется при всех видах строительных работ. Показатель часто зависит от способа определения. Поэтому специалисты применяют разные методы, чтобы иметь лучшее представление об этой характеристике грунта. Самостоятельно определить прочность невозможно, необходимо заказывать лабораторные исследования. Это поможет правильно спланировать строительство здания или дороги, избежать лишних трат на ремонт, коррекцию дефектов фундамента или стен.

Типовые значения удельного сопротивления грунта

Почему важны точные данные об удельном сопротивлении грунта?

Удельное электрическое сопротивление грунта (удельное сопротивление грунта) является одним из наиболее важных факторов и оказывает существенное влияние на напряжения прикосновения и шаговые напряжения, возникающие при замыкании системы заземления/заземления.

Если вы намереваетесь выполнить моделирование системы заземления или измерения безопасности, ваш проект или ваша оценка будут настолько точными, насколько точны данные об удельном сопротивлении грунта.

Отклонение удельного сопротивления грунта

Удельное сопротивление изменяется от менее   1 Ом.м для морской воды до 10 ⁹ Ом.м для песчаника .

Удельное сопротивление зависит не только от типа почвы, но и от температуры, влажности, содержания минералов и плотности. Следовательно, удельное сопротивление следует измерять в полевых условиях на фактическом месте установки, а условия, при которых оно было измерено, также необходимо регистрировать.

Когда использовать типичные значения удельного сопротивления грунта

Существует ряд причин в зависимости от стадии вашего проекта.

1. Для предварительного проектирования системы заземления.

Ваш проект, который находится на стадии тендера, включает в себя значительный компонент заземления (например, подстанцию), и фактические измерения удельного сопротивления грунта не проводились. Чтобы оценить стоимость системы заземления, вам необходимо оценить удельное сопротивление грунта.

2. Для проверки измерений удельного сопротивления почвы.

Если у вас уже есть измерения удельного сопротивления грунта и вы хотите проверить их на основе ваших геотехнических знаний о местной почве и условиях.

Типовые значения удельного сопротивления грунта

В таблицах 1-3 приведены типичные значения удельного сопротивления грунта в зависимости от типа грунта. Чтобы использовать эти значения для вашего проекта, вы должны обратиться к геотехническому отчету или, если он недоступен, выяснить типы почв, которые присутствуют в регионе вашего проекта (есть геологические карты).

Кроме того, в таблице 4 указано удельное сопротивление типичных материалов поверхностного слоя, используемых для подстанций.

Таблица 1. Диапазон удельного сопротивления земли [ссылка. 1]

Влажная органическая почва
Влажная почва
Сухая почва
Коренная порода	10 000

Таблица 2 – Диапазон удельного сопротивления грунта [ссылка. 2]

Влажная органическая почва
Сухая гумусная почва
Влажная почва
Известняковый сланец
Моренный песчаник
Песок крупный, гравий
Коренная порода	10 000

Таблица 3. Геологический период и формация [ref. 3]

1 Морская вода
10 Необычно низкий уровень		Суглинок Глина Мел
30 Очень низкий			Мел Ловушка Диабаз Известняк Песчаник
100 Низкий
300 Средний				Сланец Известняк Песчаник Доломит
1000 Высокая
3000 Очень высокий					Песчаник Кварцит Сланец Гранит Гнейс
10 000 Необычно высокая	Крупный песок и гравий в поверхностных слоях

Таблица 4. Удельное сопротивление типовых материалов поверхностного слоя подстанций

Бетон (мокрый)	50 – 100
Бетон (сухой)	2000 – 10 000
Щебень для поверхностных покрытий (мокрый)
Асфальт (мокрый)	10 000

Ссылки:

[1] IEEE Std 80 – Руководство IEEE по безопасности заземления подстанций переменного тока

[2] CIGRE TB 95 Руководство по влиянию высоковольтных систем на металлические трубопроводы

[3] IEEE Std 81: 2012 г. – Руководство IEEE по измерению удельного сопротивления земли, импеданса земли и потенциалов поверхности земли системы заземления

Связанные статьи:

Основы проектирования заземления

В этом учебном пособии представлены основные концепции, используемые при проектировании систем заземления подстанций. Обсуждается важная терминология, в том числе повышение потенциала сети, напряжения прикосновения и ступенчатые напряжения, а также распределение тока.

Сравнительное исследование программного обеспечения для заземления

Приложение H к стандарту IEEE 80-2013 содержит результаты тестов для сравнения и оценки программных инструментов и методологий, используемых для анализа заземления подстанции.

Удельное сопротивление грунта

Метки: молниезащита инструкции и рекомендации для дизайнера для установщика монтаж заземление

Расчетное удельное электрическое сопротивление грунта (Ом*м) — параметр, определяющий уровень «проводимости» грунта как проводника, то есть насколько хорошо в такой среде будет протекать электрический ток от заземлителя.
Это измеренное значение, которое зависит от состава почвы,
его размер и плотность его частиц, влажность и температура, концентрация в нем растворимых химических веществ (солей, кислотных и щелочных остатков).

Использование в расчетах

Удельное электрическое сопротивление грунта является основным параметром для расчета заземления.
Чем меньше это значение, тем меньше сопротивление заземления смонтированного устройства.


Значения расчетного удельного электрического сопротивления грунта (таблица)

Грунт	Удельное сопротивление, среднее значение (Ом*м)	Сопротивление заземления для комплекта ZZ-000-015 Ом	Сопротивление заземления для комплекта ZZ-000-030 Ом	Сопротивление заземления для комплекта ZZ-100-102 Ом
Асфальт	200 – 3200	17 – 277	9,4 – 151	8,3 – 132
Базальт	2000	Требуются специальные мероприятия (замена почвы)
Бентонит (разновидность глины)	2-10	0,17 – 0,87	0,09 – 0,47	0,08 – 0,41
Бетон	40 – 1000	3,5 – 87	2 – 47	1,5 – 41
Вода
Морская вода	0,2	0	0	0
Прудовая вода	40	3,5	2.	1, 7
Вода равнинной реки	50	4	2,5	2.
Грунтовые воды	20 – 60	1,7 – 5	1-3	1 – 2, 5
Вечномерзлый грунт (вечномерзлый грунт)
Вечная мерзлота – талый слой (летом на поверхности)	500 – 1000	–	–	20 – 41
Вечномерзлые почвы (суглинки)	20 000	Требуются специальные мероприятия (замена почвы)
Вечномерзлый грунт (песок)	50 000	Требуются специальные мероприятия (замена почвы)
Глина
Влажная глина	20	1, 7	1	0,8
Полутвердая глина	60	5	3.	2,5
гнейс дезинтегрированный	275	24	12	11,5
Гравий
Глинистый гравий, неоднородный	300	26	14	12,5
Гомогенный гравий	800	69	38	33
Гранит	1100 – 22000	Требуются специальные мероприятия (замена почвы)
Гранитный гравий	14 500	Требуются специальные мероприятия (замена почвы)
Графитовая стружка	0,1 – 2	0	0	0
Гранитный грунт (мелкий гравий/крупный песок)	5500	477	260	228
Пепел, древесный	40	3,5	2.	1, 7
Известняк (поверхностный)	100 – 10 000	8,7 – 868	4,7 – 472	4.1 – 414
Известняк (внутри)	5 – 4000	0,43 – 347	0,24 – 189	0,21 – 166
Ил	30	2,6	1,5.	1
Уголь	150	13	7	6
Кварц	15 000	Требуются специальные мероприятия (замена почвы)
Каменный уголь	2,5	0,2	0, 1	0, 1
Лесс (желтозем)	250	22	12	10
Меловой камень	60	5	3.	2,5
Мергель земляной
Мергель обыкновенный	150	14	7	6
Мергель глинистый (50-75% частиц глины)	50	4	2.	2.
Песок
Песок, сильно смачиваемый грунтовыми водами	10 – 60	0,9 – 5	0,5 – 3	0,4–2,5
Песок умеренно увлажненный	60 – 130	5-11	3-6	2,5–5,5
Влажный песок	130 – 400	10 – 35	6 – 19	5 – 17
Влажный песок	400 – 1500	35 – 130	19 – 71	17 – 62
Сухой песок	1500 – 4200	130 – 364	71 – 198	62 – 174
Супесчаные (песчаные глины)	150	13	7	6
Песчаник	1 000	87	47	41
Садовая почва	40	3,5	2.	1, 7
Солевой раствор	20	1,7	1	0,8
Суглинок
Суглинки, сильно смоченные грунтовыми водами	10 – 60	0,9 – 5	0,5 – 3	0,4–2,5
Полутвердый суглинок лессовидный	100	9	5	4
Суглинок при температуре минус 5 °С	150	–	–	6
Супесчаные (супесчаные)	150	13	7	6
Шифер	10 -100
Графитовый сланец	55	5	2,5	2,3
Песчаный суглинок (песчаная глина)	150	13	7	6
Торф
Торф при температуре 10°	25	2.	1	1
Торф при температуре 0°С	50	4	2,5	2.
Чернозем	60	5	3.	2,5
Щебень
Влажный щебень	3000	260	142	124
Щебень сухой	5000	434	236	207

Сопротивление заземления для комплектов ЗЗ-000-015 и ЗЗ-000-030 Указано в таблице и может использоваться при различных конфигурациях заземлителя – как точечном, так и многоэлектродном.

Вместе с таблицей ориентировочных значений расчетного удельного сопротивления грунта предлагаем Вам воспользоваться географической картой уже смонтированных заземлителей на базе готовых комплектов ZANDZ с результатами замеров сопротивления заземления.

Типы почв Республики Казахстан и их электрические сопротивления (карта)

Тип почвы	Ом*м
Поверхностный известняк	5 050
Гранит	2000
Базальт	2000
Песчаник	1 000
Однородный гравий	800
Влажный песчаник	800
Глинистый гравий	300
Чернозем	200

 

Тип почвы	Ом*м
Различные смеси песка и глины	150
лёссовидные суглинки	100
Полутвердая глина	60
Глиняный сланец	55
Пластичный суглинок	30
Пластичная глина	20
Слои подземных вод	5

 

Глина, суглинок, супесь (различия)

Глина, суглинок, супесь (различия)
Рыхлые водные грунты, состоящие из глины и песка, классифицируют по содержанию в них глинистых частиц:

• глинистые – более 30%. Клей очень гибкий, хорошо сворачивается в шнур (между руками). Свернутый глиняный шар сжимается в блин без образования трещин по краям.
1. тяжелая – более 60%
2. обыкновенный – от 30 до 60% с преобладанием глинистых частиц
3. запыленный – от 30 до 60% с преобладанием песка
• суглинок – От 10% до 30% глины. Этот грунт достаточно пластичен, при растирании его между пальцами отдельные песчинки не ощущаются. Скатанный шар из суглинка дробится в блин с образованием трещин по краям.
1. тяжелые – от 20 до 30%
2. средний – от 15 до 20%
3. светлый – от 10 до 15%
• супесь (суглинистый песок) – не менее 10% глины. Является переходной формой от глинистых к песчаным почвам. Супесь наименее пластична из всех глинистых почв; при растирании между пальцами можно почувствовать песчинки; плохо сворачивается в шнур. Скатанный из песчаного грунта шарик рассыпается при сжатии.
  

Зависимости от условий

Зависимость удельного сопротивления грунта (суглинистого суглинка) от его влажности (данные IEEE Std 142-1991):

Зависимость удельного сопротивления грунта (глинистого суглинка) от его температуры (данные из IEEE Std 142-1991):  

На этом графике хорошо видно, что при температуре ниже нуля грунт резко увеличивает свое удельное сопротивление , что связано с переходом воды в другое агрегатное состояние (из жидкого в твердое) – практически прекращаются процессы переноса зарядов ионами солей и кислотно-щелочными остатками.

 

Статьи по Теме:




Руководство по измерению удельного электрического сопротивления грунта

I. Полезность измерения удельного электрического сопротивления грунта

Удельное электрическое сопротивление грунта представляет собой ключевой фактор при проектировании соответствующих систем заземления из-за его прямой пропорциональности сопротивлению заземления. Это также верно при рассмотрении простых электрических схем, специальных систем заземления с низким сопротивлением или более сложных вопросов, связанных с исследованиями повышения потенциала земли (EPR). Соответствующие исследования и модели грунта являются основой всех проектов заземления и выполняются на основе точного измерения удельного сопротивления грунта.

II. Методы измерения удельного сопротивления почвы

Измерение удельного электрического сопротивления почвы может выполняться с использованием различных методов, таких как геологические карты, сейсмические испытания и георадар. В этих методах оценка удельного сопротивления грунта в основном основана либо на (i) расстоянии между электродами, либо (ii) на методах спутниковой съемки [1].

Лабораторные испытания также могут быть выполнены на небольших образцах грунта для измерения удельного сопротивления.

A. Метод спутниковой съемки

Со спутниковых или бортовых датчиков измерения выполняются путем обнаружения конкретных химических и материальных связей для оценки удельного электрического сопротивления почвы. В этом дистанционном зондировании передача информации осуществляется с помощью электромагнитного излучения (ЭМИ). По источнику ЭМИ сенсорика подразделяется на пассивную и активную [2]. Пассивное зондирование (левая часть рис. 1) основано на естественных сигналах, которые могут быть получены (т. е. излучение, испускаемое объектом или отраженное объектом), в то время как активное дистанционное зондирование, как показано в правой части рис. 1, обеспечивает собственное излучение.


Рис. 1. Техника на основе визуализации

Фактическое обнаружение материалов в основном зависит от спектрального охвата, характеристик спектрометра, распространенности материала и силы поглощения этого материала в диапазоне длин волн. Действительно, были разработаны алгоритмы для использования спектральной информации, полученной от датчиков, а также для лучшего удовлетворения вычислительных потребностей этих огромных наборов данных [2].

B. Методика на основе расстояния между электродами

Этот метод основан на законе Ома, а принцип измерения обычно состоит в использовании четырех выровненных электродов. Возможны несколько вариантов расположения электродов, и метод Веннера является наиболее распространенным методом размещения электродов. Как показано на рис. 2, постоянный ток «I» подается между двумя внешними электродами C1 и C2 (называемыми токовыми электродами), а затем измеряется напряжение «V» между двумя внутренними электродами P1 и P2 (называемыми потенциальными электродами). ) [3].

Отношение напряжения к току (В/I) представляет собой сопротивление R объема грунта Следовательно, кажущееся удельное сопротивление грунта (p) рассчитывается следующим образом:

по расположению испытательных электродов.

 

Рис. 2. Расстояние между электродами На основе методики


В большинстве случаев записи измерений удельного сопротивления обычно выражаются в Ом. 𝑚, должны включать данные о температуре и информацию о влажности почвы на момент измерения. Расстояние между ними, как правило, намного больше, чем пройденная глубина [4]. Таблица I иллюстрирует математические выражения геометрического фактора «𝑘» для наиболее распространенных методов измерения удельного сопротивления грунта.

Таблица I. Выражение удельного сопротивления грунта для различного расстояния между электродами

Для однородного грунта измеренное удельное сопротивление будет приблизительно одинаковым, какая бы комбинация ни была принята для расположения электродов, что не имеет места, когда грунт неоднороден, как это бывает чаще всего [5].

III. Практическое руководство по съемке 2D и 3D

объем грунта, удельное сопротивление которого измеряется, представляет собой приблизительно полусферу, центр которой находится в середине станции, в точке O, а диаметр равен разделяющему расстоянию (r=a ). Достаточно увеличить значение а, чтобы зондирование опустилось на большую глубину, что называется вертикальным зондированием. Используя систему Веннера, можно постепенно увеличивать расстояние между электродами, сохраняя ту же точку, что и центр станции.

Рис. 3. Представление зоны измерений в методике измерения Веннера

По серии замеров можно будет оценить удельное сопротивление слоев, из которых в конечном итоге складывается грунт, и приблизительную мощность каждого из них [4] . Действительно, горизонтальные обследования являются гораздо более распространенной практикой.

При съемке 2D и 3D могут использоваться два основных типа измерений:

1. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ ЗВУКОВАНИЕ: серия измерений должна выполняться путем движения вдоль прямой линии; линия, образованная четырьмя электродами, параллельна или перпендикулярна оси этой последовательности.
2. ВЕРТИКАЛЬНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ: после выравнивания земли измерения проводятся в каждой из точек пересечения линий, образующих сетку.

Для выполнения этого теста не требуется тяжелого оборудования. Тем не менее, измерение требует тяжелой работы и длительного времени для определения крупномасштабного профиля удельного сопротивления грунта.

IV. Моделирование удельного сопротивления грунта

Важно создать точную модель удельного сопротивления грунта в качестве основы для проектирования системы заземления. Для интерпретации измерений удельного сопротивления грунта можно использовать три модели, а именно: 1D, 2D и 3D модели [4].

2D-профили являются наиболее практичными и экономичными моделями, которые обеспечивают компромисс между получением очень точных результатов и снижением затрат на съемку.

A. Одномерное моделирование удельного сопротивления грунта

Одномерная модель предполагает, что удельное электрическое сопротивление грунта изменяется по глубине в зависимости от стратификации грунта, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Одномерная модель удельного сопротивления грунта

Согласно Согласно IEEE Std 80 [3], двухслойных структур обычно достаточно для получения приемлемого дизайна. Действительно, стратификацию грунта и количество слоев можно определить, нанеся на график измеренное удельное сопротивление грунта в зависимости от расстояния между электродами. На Рисунке 5 показан пример эволюции удельного сопротивления грунта в зависимости от расстояния между скважинами и их интерпретация.

Рис. 5. Удельное сопротивление грунта на расстоянии


Для однородного грунта кажущееся удельное сопротивление остается практически постоянным в зависимости от межэлектродного расстояния. Обычно можно использовать однородную модель, когда нет большой разницы между сопротивлениями разных слоев. В случае, когда кажущееся сопротивление увеличивается (соответственно уменьшается) в зависимости от расстояния между ними, результаты могут быть интерпретированы двухслойной моделью грунта; верхний слой с низким (соответственно высоким) удельным сопротивлением, который перекрывает нижний слой с высоким (соответственно низким) удельным сопротивлением. Стоит отметить, что ту же процедуру следует соблюдать и для более сложной вариации удельного сопротивления грунта, например, верхняя кривая показывает, что грунт может быть представлен трехслойной моделью.

Удельное сопротивление грунта можно моделировать трехслойным, если изменение кажущегося сопротивления грунта после увеличения уменьшается (или наоборот). Например, если кривая уменьшается после увеличения, результаты можно интерпретировать как наличие слоя с высоким удельным сопротивлением между двумя слоями с низким удельным сопротивлением.

B. Двухмерное и трехмерное моделирование удельного сопротивления грунта

В одномерном моделировании существует ограничение метода зондирования удельного сопротивления. Это ограничение заключается в пренебрежении горизонтальными изменениями подземного сопротивления. Для этой цели более точной моделью недр является 2D-модель. В этой модели удельное сопротивление изменяется в вертикальном и горизонтальном направлениях, как показано на рис. 6.9.0005 Рис. 6. Двумерная модель удельного сопротивления грунта

Серия измерений должна быть установлена ​​четырехштырьковым методом. В каждом измерении расстояние между электродами изменяется для вертикальных зондирований, а положение изменяется для горизонтальных зондирований. 3D-моделирование явно похоже на процедуру 2D-моделирования.

В 3D-модели последовательные 2D-модели должны создаваться параллельно, где их комбинация образует 3D-модель.

Рис. 7. Трехмерная модель удельного сопротивления грунта

Построение одномерной модели удельного сопротивления грунта

Однородные модели грунта широко используются для оценки шагового и контактного напряжений. Приблизительное равномерное удельное сопротивление грунта можно рассматривать как среднее арифметическое измеренных данных кажущегося сопротивления следующим образом [1]:

сопротивления на разных расстояниях или глубинах.

Двухслойная одномерная модель удельного сопротивления грунта характеризуется тремя параметрами, а именно: двумя сопротивлениями верхнего и нижнего слоев, а также толщиной верхнего слоя. Эта модель почвы может быть аппроксимирована с помощью различных графических методов, описанных Блаттнером-Давалиби, Эндреньи, Сунде и др. [1].

В методе Зунде график (основанный на данных четырехконтактного теста Веннера), показанный на рис. 8, используется для аппроксимации двухслойной модели грунта.

Параметры 𝜌1 и 𝜌2 получены путем проверки нанесенных на график измерений удельного сопротивления. Только h получается графическим методом Сунде следующим образом:

1. Постройте график кажущегося удельного сопротивления 𝜌𝑎 по оси y в зависимости от расстояния между выводами по оси x.
2. Оцените 𝜌1 и 𝜌2 из графика, приведенного в a), где 𝜌𝑎, соответствующее меньшему интервалу, равно 𝜌1, а большему интервалу равно 𝜌2. Расширьте график кажущегося сопротивления на обоих концах, чтобы получить эти экстремальные значения удельного сопротивления, если полевых данных недостаточно.
3. Определите 𝜌2/𝜌1 и выберите кривую на графике Сунде, которая точно соответствует, или выполните интерполяцию и нарисуйте новую кривую на графике.
4. Выберите значение по оси Y для 𝜌𝑎/𝜌1 в наклонной области соответствующей кривой 𝜌2/𝜌1 графика Сунде.
5. Считайте соответствующее значение 𝑎/ℎ по оси x.
6. Вычислите 𝜌𝑎, умножив выбранное значение на 𝜌1.
7. Считайте соответствующее расстояние между датчиками по графику кажущегося удельного сопротивления, приведенному в а). h) Вычислите h, глубину верхнего уровня, используя соответствующее расстояние между зондами, a.
Рис. 8. График удельного сопротивления грунта по Сунде [3]

CDEGS — одно из немногих доступных программ, которое можно использовать для расчета структуры удельного сопротивления грунта по результатам полевых испытаний. Многослойность может быть получена согласно спецификации пользователя.

Построение двухмерной модели удельного сопротивления грунта

Типичное одномерное зондирование удельного сопротивления включает от 10 до 20 показаний, тогда как двумерное построение изображений включает примерно от 100 до 1000 измерений. Для сравнения, трехмерные съемки обычно включают несколько тысяч измерений [5]. На основе измеренного кажущегося удельного сопротивления с помощью RES2DINV за несколько секунд можно создать 2D-модель удельного сопротивления грунта.

RES2DINV — это компьютерная программа, в которой используется метод обращения Гаусса-Ньютона методом наименьших квадратов с ограничением гладкости для создания 2D-модели геологической среды на основе электрических съемок с использованием системы ABEM/Lund. Он поддерживает массивы Веннера, Шлюмберже, полюс-полюс, полюс-диполь, диполь-диполь, множественный градиент и нетрадиционные массивы. На рис. 9 показан пример электрического изображения испытательного поля Кардиффского университета с использованием RES2DINV.

Рис. 9. Расчетная двухмерная модель удельного сопротивления грунта, использованная RES2DINV

Если у вас есть какие-либо вопросы относительно этой детали или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь связаться с нами через наш веб-сайт, чтобы отправить запрос.

Ссылки

[1] A. Sarris et al. (2018), Введение в геофизические и геохимические методы в цифровой геоархеологии. Цифровая геоархеология, Springer.