بررسی عددی تاثیر مواد بهبوددهنده (کاهنده) خاک بر روی کاهش مقاومت زمین

در این مقاله قصد داریم تا با کمک نرم‌افزار و تحلیل عددی به بحث تاثیر مواد بهبود‌دهنده بر روی مقاومت زمین یک الکترود میله‌ای با استفاده از حفاری بپردازیم. هرچند واژه «مواد کاهنده» به مراتب متداول تر از مواد بهبوددهنده بوده اما از آن جهت که وظیفه بکفیل استفاده شده در یک الکترود زمین صرفا کاهش مقاومت آن نبوده در این جا از عبارت "بهبوددهنده" استفاده شده است.

فرض کنید یک الکترود میله‌ای به طول 3 متر (به قطر 16 میلیمتر) داخل یک حفره با قطر d سانتی‌متر قرار داده شده و ارتفاع حفره دقیقا به اندازه طول الکترود میله‌ای است. حال با استفاده از یک بکفیل مناسب با مقاومت مخصوص rho اقدام به پرکردن حفره می‌شود. در شکل 1 تصویری از شبیه‌سازی نرم‌افزاری این الکترود میله‌ای ارائه گردیده است. خاک در همه این شبیه‌سازی ها به صورت 2 لایه با مقاومت مخصوص 100 اهم‌متر برای لایه بالایی و 20 اهم‌متر برای لایه پایینی مدل گردیده است. ارتفاع لایه بالایی خاک 3.5 متر است. 

شکل 1 - تصویری از الکترود شبیه‌سازی شده

در حالتی که الکترود به صورت کوبشی اجرا شده باشد و اطراف الکترود همان خاک مذکور در ابتدا باشد، مقاومت آن برابر با 30.6 اهم می‌گردد. حال با فرض آن که از یک بکفیل با مقاومت مخصوصی برابر با 3 اهم‌متر استفاده شود، با افزایش قطر حفره مقاومت محاسبه شده در جدول 1 ارائه گردیده است. 

جدول 1 - تاثیر افزایش قطر حفره بر روی مقاومت زمین

همانطور که دیده می‌شود با افزایش قطر حفره، حجم مواد بهبوددهنده مورد نیاز افزایش زیادی داشته و در همین حین از نرخ کاهش مقاومت زمین کاسته می‌شود. برای نمونه برای حفره به قطر 15 سانتیمتر (با 53 لیتر فضا برای پر کردن) به مقاومت 18 اهمی رسیده شده در حالی که برای حفره‌ای به قطر 30 سانتی‌متر اولا بکفیل مورد نیاز 4 برابر (212 لیتر) شده و کاهش مقاومت تنها به اندازه 3 اهم (18 درصد) گردیده است. حال آن که اگر دو حفره در فاصله 5 متری از یک دیگر به قطر 15 سانتی‌متر احداث می‌شد مقاومت حاصل از موازی نمودن این دو الکترود زمین برابر با 9.7 اهم می‌گردید. در این حالت فضایی که باید با استفاده از بکفیل پرشود 106 لیتر بوده و کاهش مقاومت به مراتب بیشتر (8.7 اهم) است. یعنی با حجم کمتری از مواد بهبوددهنده به مقاومتی به مراتب کمتر دست پیدا کرده‌ایم. 

یک اصل کلی:

به طور کلی در ارتینگ یک اصل بسیار مهم وجود دارد: «مقاومت زمین در یک الکترود خاص ارتباط محکمی با بزرگترین بعد آن دارد».

در رابطه با الکترودهای میله‌ای این بعد همان طول (در این جا 3 متر) الکترود است. حال با افزایش قطر حفره عملا ما در حال نوعی از افزایش بعد در عرض الکترود هستیم. از این جهت است که این افزایش بعد صرفا تا جای مشخصی اثر چشم‌گیری داشته و از جایی به بعد این افزایش صرفا متناظر با اتلاف هزینه (چه هزینه حفاری و چه هزینه بکفیل مورد نیاز) است.

حال نوبت به قسمت دوم این بررسی میرسد. اثر مقاومت مخصوص بکفیل مورد استفاده بر روی مقاومت زمین! با فرض آن که حفره ای به قطر 15 سانتی متر حفر شده و الکترود میله ای بررسی قبل داخل آن تعبیه شده است، مقاومت زمین به ازای مقاومت مخصوص های مختلف برای بکفیل در جدول 2 ارائه گردیده است. 

جدول 2 - تاثیر مقاومت مخصوص بکفیل (rho) بر روی مقاومت زمین (R)

در این قسمت نیز دیده می‌شود که برای نمونه فرق بین مقاومت مخصوص 0.01 با 1 اهم‌متر در حد 0.1 اهم است! این امر نشان می‌دهد که در جایی که صرفا هدف رسیدن به کمترین مقاومت ممکن باشد (و از سایر کاربردهای یک بکفیل صرف نظر شود)، این که یک بکفیل مقاومت مخصوص 0.1 داشته باشد به این معنی نیست که مقاومت حاصل از آن 10 بار کوچک‌تر از بکفیل دیگر با مقاومت 1 اهم‌متر باشد. هرچند که در این جا مقایسه در یک خاک ثابتی بود و عملا برای این تحلیل از یک مثال خاص استفاده شد، اما نتیجه‌گیری مطرح شده برای اغلب شرایط صادق است.