اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک

دسته‌بندی: ارتینگ

اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک از اساسی‌ترین اندازه‌گیری‌هاییست که در همه مراحل طراحی، اجرا، تست و ... یک سیستم زمین اثرگذار است. نتیجه این اندازه‌گیری در کنار فضای در دسترس (برای اجرای طرح) عملا مهم‌ترین عوامل در طراحی سیستم‌های زمین محسوب می‌شوند. در این مقاله به روش‌های سه‌نقطه‌ای و چهارنقطه‌ای (ونر و شلومبرگر-پالمر) از اجرای این اندازه‌گیری پرداخته می‌شود.

مقدمه

چندی پیش در مقاله‌ای تحت عنوان «اندازه‌گیری مقاومت خاک از زبان ونر» به مقاله اصلی آقای فرانک ونر (سال 1916) در حوزه اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک پرداخته شد. هرچند که این مقاله ایده کلی اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک را شامل می‌شد اما همچنان نحوه طرح آن در چهارچوب جناب ونر انجام شده بود. در این مقاله اما به طور خاص به دو روش اندازه‌گیری سه‌نقطه‌ای و چهار نقطه‌ای پرداخته می‌شود. دو مرجع اصلی استفاده شده IEEE 81-2012 و راهنمای دستورالعمل سیستم اتصال زمین در شبکه‌های توزیع توانیر است.

روش سه‌نقطه‌ای¹ یا تغییر عمق²

اساس کار روش سه‌نقطه‌ای بر کوبش یک الکترود میله‌ای در زمین و اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی آن در اعماق مختلف کوبش است. الکترودهای میله‌ای دو مزیت اساسی دارند. اولا که محاسبه مقاومت الکتریکی آنها ساده است و ثانیا با استفاده از آن‌ها می‌توان فهمید که عملا امکان کوبش تا چه عمقی وجود دارد. این اندازه‌گیری می‌تواند با یکی از روش‌های اندازه‌گیری مقاومت الکترود (نظیر افت پتانسیل³) صورت گیرد. لازم است در هر مرحله از اندازه‌گیری عمقی از میله که داخل زمین کوبیده شده در کنار مقاومت قرائت شده و یاد داشت گردد. با استفاده از مقادیر ثبت شده و رابطه زیر اقدام به محاسبه مقاومت مخصوص ظاهری خاک برای هر عمق می‌شود. در این رابطه r شعاع میله، l طول میله و R مقاومت حاصل از اندازه‌گیری است. 

این روش از نظر عملی با چالش‌های متعددی روبرو بوده و این عامل سبب می‌شود تا مورد اقبال چندانی قرار نگیرد.

روش چهار نقطه‌ای

روش چهارنقطه‌ای، روش مناسب‌تر و متداول اندازه‌گیری مقاومت خاک است. اصول کلی آن تزریق جریان از دو میل تست بیرونی و اندازه‌گیری ولتاژ نتیجه شده با استفاده از میل‌های تست درونی است. بسته به فاصله‌گذاری بین میل‌های تست، این روش به دو شیوه ونر و شلومبرگر قابل اجرا است.

روش ونر - فاصله‌گذاری برابر بین میل‌های تست

در روش ونر چهار میل تست با فاصله‌گذاری یکسان و در یک خط راست نظیر شکل 1 قرار می‌گیرند. پارامتر a فاصله بین میله‌های تست و b عمق کوبش مربوط به هر یک از آنهاست. 

شکل 1 - روش ونر، فاصله‌گذاری یکسان بین میله‌های تست که در یک خط راست واقع شده‌اند

با استفاده از این چینش مقاومت مخصوص ظاهری متناظر با هر یک از اندازه‌گیری‌ها از طریق رابطه زیر قابل محاسبه خواهد بود.

با این فرض که پارامتر a بزرگتر از 10 برابر b باشد، رابطه قابلیت خلاصه‌سازی به صورت زیر را دارا خواهد بود. این دقیقا همان رابطه‌ای است که داخل دستگاه‌های ارت تستر هم از آن استفاده می‌شود. اصولا در کاتالوگ مربوط به ارت تستر مورد استفاده، حدود و قیودی برای دو پارامتر a و b ذکر می‌گردد. برای نمونه در کاتالوگ یک سازنده خاص بیان می‌شود که عمق کوبش می‌بایست کمتر از 5 درصد (یک بیستم) فاصله بین میل‌های تست بوده و فاصله بین میل‌های تست باید بین 2 تا 30 متر انتخاب شود. لذا دیده میشود که حدودی برای a ذکر شده و عمق کوبش میل تست نیز مقیود به میزان فاصله گردیده است.

عملیات اندازه‌گیری مقاومت مخصوص می‌بایست برای فواصل مختلف a اجرا گشته و در هر مرحله اطلاعات به دقت ثبت گردد. در شکل 2 نمونه‌ای از منحنی مقاومت مخصوص خاک بر حسب فواصل بین میل‌های تست ارائه گردیده است. در این شکل داده‌های مورد انتظار از مقاومت مخصوص یک خاک دو لایه با 300 اهم‌متر مقاومت لایه بالا (با ارتفاع 6.1 متر) و 100 اهم متر لایه پایین ارائه گردیده است. در این شکل چگونگی ارائه یک دید از مقاومت مخصوص اعماق مختلف خاک با استفاده از روش ونر به خوبی مشخص می‌گردد.

شکل 2 - یک نمونه از مقاومت مخصوص خاک در ازای فواصل مختلف بین میل‌های تست

روش شلومبرگر-پالمر - فاصله‌گذاری نابرابر بین میل‌های تست

یکی از معایب روش ونر این است که اندازه پتانسیل بین دو میل تست درونی با افزایش فاصله بین میل‌ها سریعا کاهش می‌یابد. به طور تاریخی، دستگاه‌های قدیمی قادر به اندازه‌گیری این مقادیر کوچک نبوده  و پیشرفت‌های صورت گرفته در ساخت دستگاه‌های اندازه‌گیری تا حد زیادی از شدت این عیب کاسته است. عیب دیگر روش ونر نیاز به جای‌گذاری مجدد همه میل‌های تست در هر بار از تغییر پارامتر a (فاصله بین میل‌های تست در شکل 1) است. 

در روش شلومبرگر میل‌های تست دورنی به هم نزدیک‌تر و میل‌های تست بیرونی دور از یکدیگرند. برخلاف روش ونر که نیاز به جابجایی همه میل‌های تست در هر تکرار از اندازه‌گیری دارد، در روش شلومبرگر تنها لازم است تا میل‌های تست بیرونی جابجا شوند. این امر سبب می‌شود که روش شلومبرگر از نظر مدت زمان لازم برای اجرای اندازه‌گیری روش سریع‌تری باشد. نمونه‌ای از فاصله‌گذاری میل‌های تست با استفاده از این روش در شکل 3 ارائه گردیده است.

شکل 3 - روش شلومبرگر-پالمر

اگر عمق کوبش در برابر فاصله بین میل‌های تست ناچیز باشد، و c بزرگتر از 2d باشد، مقاومت مخصوص ظاهری خاک از طریق رابطه زیر قابل محاسبه است. مقاومت مخصوص اندازه‌گیری شده با این روش، تقریبی از مقاومت مخصوص خاک در عمق [2c+d]*0.5 خواهد بود.

نکات کلی اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک

توصیه می‌شود تا اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک در چند مسیر اجرا شده تا علاوه بر داشتن درکی از رفتار خاک در یک گستره، امکان تشخیص تداخلات احتمالی در اثر فلزات و اجسام مدفون در خاک وجود داشته باشد. همچنین برای افزایش اطمینان به نتایج اندازه‌گیری‌ها می‌بایست با اجرای اندازه‌گیری در یک مسیر، یک اندازه‌گیری هم در مسیر متعامد (زاویه 90 درجه) انجام شود. طبیعی است که انتظار می‌رود در شرایط ایده‌آل (اندازه‌گیری صحیح، نبود فلزات مدفون و تداخلات) اطلاعات حاصل از اندازه‌گیری‌ها در مسیرهای متعامد مشابه یکدیگر باشند. تا حد امکان از نزدیکی به فونداسیون ساختمان‌ها، حصارهای فلزی، سیستم زمین خطوط انتقال برق، لوله‌های فلزی مدفون و ... که به طور بالقوه استعداد اثرگذاری (اثرگذاری پسیو) بر اندازه‌گیری‌ها را دارند، اجتناب شود. همچنین از عوامل اثرگذار اکتیو نظیر خطوط موازی انتقال یا توزیع، خطوط موازی مخابراتی، جریان‌های سرگردان dc و ... نیز اجتناب شود. مشاهده تصاویر هوایی (نظیر تصاویر هوایی شرکت گوگل) و نیز ملاحظات میدانی می‌تواند در انتخاب مکان مناسب اندازه‌گیری با کمترین احتمال تداخل، کمک‌کننده باشد. جنس میل‌های تست به گونه‌ای باشد که ولتاژ گالوانیک بین آن‌ها حداقل گردد.

هشدار جدی نسبت به موازی شدن سیم‌های تست با منابع جریان بالا را باید جدی گرفت. یک دلیل مهم برای اجتناب از منابع حامل جریان‌های بالا، احتمال بروز ولتاژهای خطرناک در صورت تزویج الکترومغناطیسی با سیم‌های تست است. با موازی شدن مسیر چند ده متر سیم تست با خطوط حامل جریان بالا احتمال القای ولتاژهای خطرناک و بروز شوک الکتریکی به شخص وجود دارد.

کلام آخر

به طور خلاصه در این مقاله به روش اندازه‌گیری و برخی از ملاحظات مربوطه پرداخته شد. هرچند که چند ده برابر آنچه گفته شد مطالب ناگفته باقی ماند و شاید در آینده و در مقالات دیگر به هر یک پرداخته شود. اما باید گفت که به هر قدر اجرای اندازه‌گیری مهم است، به همان اندازه نیز تهیه مستندات و ثبت نتایج اهمیت دارد. توصیه اکید بنده بر آن است که از کل مراحل اجرای اندازه‌گیری، از هربار کوبش میل‌های تست گرفته تا لحظه فشردن دکمه دستگاه و رویت نتایج فیلم تهیه شود! از محیط پیرامونی محل اجرای اندازه‌گیری فیلم تهیه شود. تصاویر هوایی از محل اجرای اندازه‌گیری و تاریخ و اطلاعات زمانی در مستندات مربوطه ثبت گردد. همچنین ثبت وضعیت آب و هوا در روز اندازه‌گیری و نیز یک الی دو هفته قبل از انجام اندازه‌گیری در تحلیل نتایج اهمیت بالایی دارد. 

پس از عملیات اندازه‌گیری نوبت به مرحله تحلیل نتایج می‌رسد. امید است که در صورت باقی بودن عمر در مقاله‌ای جداگانه به تحلیل نتایج حاصل از اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک پرداخته شده و برخی از نکات تکمیلی ذکر گردد. امیدوارم این مقاله برای مخاطبان عزیز مفید واقع شده باشد و با گوش جان شنوای نظرات عزیزان خواهم بود.

---

¹ three-point method

² variation of depth method

³ fall of potential