B1.Tổng quan
Thông thường, tại công trình nơi mà mà một hệ thống nối đất được lắp đặt, công việc khảo sát địa chất chung sẽ được thực hiện. Công việc này sẽ cung cấp một số lượng thông tin đáng kể về bản chất và cấu tạo của đất. Những dữ liệu như này rất cần thiết cho các kỹ sư thiết kế, để có được ít nhất các thông tin sau :
-Loại đất trong mỗi lớp -Hàm lượng ẩm
-Độ pH đất
-Độ sâu của nước ngầm v.v.
Việc xác định điện trở suất đất từ các giá trị điện trở đo được của một mẫu đất có kích thước đã biết là không nên.Việc thu được một kết quả gần đúng của điện trở suất đất từ các phép đo điện trở suất trên các mẫu là khó khăn và trong một số trường hợp là không thể. Điều này là do việc rất khó kiếm được các mẫu đất đại diện đồng nhất, có độ chặt và hàm lượng ẩm như trong thực tế.
Hình 1.BĐo điện trở suất đất Bảng 1.B : Điện trở suất đất Loại đất Phù sa Đất sét Đất mùn Cát ướt Đá vôi, sỏi ướt Granit cát khô Nền đá Điện trở suất (Ωm) 30 50 100 200 500 1000 3000
Bảng 2.B : Các loại điện trở suất đất theo IEEE 80 - 2000
Loại đất Điện trở suất (Ωm)
Đất hữu cơ ướt 10
Đất ẩm 100
Đất khô 1.000
Đất đá 10.000
Bảng 3.B Sự hình thành địa chất qua các thời kỳ (IEEE 81-2012)
Điện trở suất đất Ohm-met Kỷ Quarternary KỷCretaceoustertiar y quarternary KỷCarboniferou s Triassic KỷCambria n Ordovician Devonian Kỷtiền Cambrian kết hợp với Cambrian 1 Nước biển 10 Thấp cực kỳ Đất sét trộn Đất sét Vôi 30 rất thấp Vôi
Đá Trap Đá điaba Đá Phiến Đá vôi Đá cát kết 100 Thấp 300 trung bình Đá phiến Đá vôi Đá cát kết Đá Dolomite 1000 cao 3000 rất cao Cát thô và sỏi trong các lớp bề mặt Đá vôi Đá quaczit Đá phiến Đá hoa cương Đá gơnai 10 000 cao cực kỳ
Bảng 1,2,3.Bcung cấp những số liệu về giá trị điện trở suất của đất đồng nhất, có thể tham khảo để chọn một điện trở suất tương ứng cho vùng đất đồng nhất đang thiết kế hệ thốngnối đất.Trong thực tế đất đồng nhất rất hiếm khi gặp, thường phổ biến là đất không đồng nhất,chúng có vài lớp đất khác nhau, mỗi lớp có điện trở suất khác nhau.Thường thì những thay đổi điện trở suất theo chiều ngang cũng xảy ra, nhưng nếu so sánh với thay đổi theo chiều sâu thì nó không đáng kể. Vì vậy, việc đo diện trở suất của đất là rất cần thiết, nên thực hiện tại một số vị trí trên công trường.Trong các trường hợp đo sẽ cho thấy rằng điện trở suất ρchính là một hàm số của độ sâu Z, được biểu diễn như sau:
ρ= ϕ (z)
Điện trở suất đất thay đổi không chỉ với loại đất mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, độ ẩm, hàm lượng khoáng chất và độ chặt của đất (hình 2.B). Các tài liệu cho thấy rằng các giá trị của điện trở suất đất thay đổi từ thấp hơn 1 Ω.m đối với nước biển lên đến 109 Ω.m đối với sa thạch (đá cát kết). Điện trở suất đất tăng chậm khi nhiệt độ giảm từ 25 °C về 0 °C. Dưới 0 °C, điện trở suất tăng nhanh. Trong đất đóng băng, như trong lớp bề mặt của đất vào mùa đông, điện trở có thể cao khác thường.
Hình 2.BSự thay đổi điện trở suất đất (Rudenberg )
Hình 3.B Sự thay đổi điện trở suất đất
Sự thay đổi điện trở suất đất là lớn và phức tạp bởi vì sự không đồng nhất của đất. Ngoại trừ rất ít trường hợp, cần thiết để thiết lập một sự tương đương đơn giản với cấu trúc đất. Sự tương đương này phụ thuộc vào các yếu tố sau:
1)Độ chính xác và phạm vi của các phép đo. 2)Phương pháp được sử dụng.
3)Mức độ phức tạp của các phép toán được yêu cầu. 4)Mục đích của các phép đo.
Đối với các ứng dụng trong việc thiết kế điện, mô hình tương đương hai lớp là đủ chính xác trong nhiều trường hợp mà không có quá nhiều phép toán được yêu cầu. Tuy nhiên, có vài giải pháp tính có hiệu lực mà nó có thể đánh giá một cách hiệu quả các mô hình đất nhiều lớp cho các kỹ thuật đo khác nhau.
B2. Phương pháp biến thiên theo độ sâu
Trong phương pháp này, các phép đo điện trở đất được lặp đi lặp lại nhiều lần trong mối tương quan với cọc nối đất gia tăng trong độ sâu. Mục đích của phương pháp này là để cưởng bức thêm dòng thử nghiệm chạy qua đất sâu. Khi đó các giá trị điện trở đo sẽ phản ánh điện trở suất biểu kiến cho mỗi độ sâu của cọc. Các cọc nối đất được quan tâm hơn đối với đo lường này bởi vì chúng cung cấp hai lợi thế quan trọng:
a) Giá trị lý thuyết của điện trở cọc nối đất thì đơn giản để tính toán với độ chính xác thích hợp.
b) Việc đóng cọc nối đất cũng cho xác nhận các cọc có thể được đóng sâu như thế nào trong lúc lắp đặt.
Bất lợi của phương pháp này là cọc có thể rung động khi nó bị đóng, dẫn đến tiếp xúc kém với đất dọc theo chiều dài của nó, do đó, làm cho một biến đổi khó khăn đến trở suất đất biểu kiến thực.
Phương pháp biến thiên độ sâu cung cấp thông tin hữu ích về bản chất của đất trong vùng lân cận của cọc (5-10 lần chiều dài cọc). Đối với các khu vực rộng lớn, một số địa điểm cọc có thể cung cấp cho một dấu hiệu của sự thay đổi phần bên đáng kể bên trong điện trở đất . Nếu một (khu vực rộng lớn và độ sâu) của đất được thử nghiệm, khi đó nó có thể là thích hợp hơn để sử dụng phương pháp bốn điểm bởi vì đóng các cọc dài có thể là không thiết thực trong một số loại đất.
Giả sử rằng:
- Phương pháp một cọc được đóng vào đất đến các độ sâu khác nhau l1 đến
ln. Bảng 2.B thể hiện các giá trị đo được.
- Bán kính cọc r là nhỏ so với l, phương trình (3) có thể được sử dụng để tính toán một điện trở suất biểu kiến đối với mỗi giá trị đo được.
Lưu ý rằng phương trình (3) được dựa trên giả thiết điện trở suất của đất đồng nhất, vì vậy điện trở suất biểu kiến là gần đúng.
Điện trở đất của cọc được chôn trong đất đồng nhất được cho bởi :
2ln ln 2 l R l r ρ π = (1)
hoặc 4 ln 1 2 l R l r ρ π = ÷− (2)
phụ thuộc vào phép tính xấp xỉ được dùng. Biến đổi lại theo điện trở suất biểu kiến đưa ra:
24 4 ln 1 a R l l r π ρ = − ÷ (3)
Đối với mỗi chiều dài cọc, giá trị điện trở đo được R xác định giá trị điện trở suất biểu kiến ρa. Giá trị đó, nếu được vẽ theo l, xác định độ biến thiên điện trở suất đất theo độ sâu. Giả sử những thử nghiệm hiện trường của bảng 2.B đã đưa ra đường cong được thể hiện trong hình 4.B(a) và 4.B(b). Những đường cong này biểu diễn một cách toán học sự biến thiên điện trở suất đất theo chiều sâu, phù hợp với mô hình đất hai lớp lý tưởng.
Đường cong trong hình 4.B(a) cho thấy cấu trúc đất có ít nhất hai lớp riêng biệt. Với những giá trị l nhỏ (0m đến 6m), đất có giá trị điện trở suất gần 300Ωm; lớp đất sâu hơn thì dẫn điện tốt hơn, điện trở suất của nó xấp xỉ 100Ωm.
Đường cong trong hình 4.B(b) cho thấy lớp đất trên có điện trở suất xấp xỉ 100Ωm ở độ sâu khoảng 6m. Tuy nhiên, giá trị chính xác của lớp đất sâu hơn không thể thu được thông qua việc kiểm tra bằng mắt. Giá trị này xuất hiện xấp xỉ 250Ωm, nhưng giá trị thực của ρ2 là 300Ωm. Hai giải pháp sau là có thể:
a) Tiếp tục các phép đo với các cọc được đóng sâu hơn vào đất.
b)Ứng dụng kỹ thuật phân tích để tính toán, từ dữ liệu đo được, một mô hình điện trở suất của đất tương đương.
Bảng 2.B – Các phép đo theo phương pháp ba điểm tại hiện trường dự kiến cho mô hình đất hai lớp
Độ sâu cọc m (ft)
ρ1 = 300, ρ2 = 100, h = 6.1m(20 ft) ρ1 = 100, ρ2 = 300, h = 6.1m(20 ft) Điện trở (Ω) Điện trở suất
biểu kiến (Ωm) Điện trở (Ω)
Điện trở suất biểu kiến (Ωm) 0.3 (1.0) 647.60 299.3 218.0 100.9 0.9 (3.0) 270.60 296.5 92.68 101.6 1.5 (5.0) 177.10 294.7 61.52 102.4 3.0 (10.0) 97.63 290.0 35.13 104.4 4.5 (15.0) 67.85 284.5 25.43 106.6 6.1 (20.0) 50.82 272.6 20.63 110.7 9.1 (30.0) 21.77 165.8 18.22 138.7 15.2 (50.0) 10.91 129.7 14.58 173.3 21.3 (70.0) 7.41 118.4 12.16 194.2 27.4 (90.0) 5.64 112.5 10.42 207.8 33.5 (110.0) 4.57 108.9 9.13 217.5 39.6 (130.0) 3.84 106.1 8.12 224.3 45.7 (150.0) 3.32 104.2 7.31 229.4
của điện trở suất đất theo độ sâu
Phương pháp biến thiên theo độ sâu không thể dự đoán được điện trở suất của đất tại các khoảng cách lớn (khoảng cách lớn hơn 5 đến 10 lần chiều dài cọc đóng). Đối với những diện tích lớn, vài vị trí cọc có thể cung cấp một dấu hiệu của những thay đổi đáng kể xung quanh về điện trở suất của đất.
B3.Phương pháp bốn điểm
Phương pháp tốt cho việc đo đạt điện trở suất của vùng đất lớn. phương pháp bốn điểm (Wenner), bốn cọc phụ được lắp đặt trong vùng đất, tất cả ở độ sâu b và cách nhau (trên một đường thẳng) một khoảng a. Một dòng điện thử nghiệm I được dẫn qua giữa hai cực dò bên ngoài, và điện áp V giữa hai cực dò bên trong được đo bằng một đồng hồ đo điện thế hoặc vôn kế tổng trở cao. Sau đó, tỉ số V/I cho ra điện trở R ở đơn vị Ω.Hai biến thể khác nhau của phương pháp bốn điểm thường được sử dụng, như sau:
a) Bố trí cách đều hoặc bố trí Wenner. Với bố trí này, các cực dò cách đều nhau, như được thể hiện trong hình A4(a). Cho biết a là khoảng cách giữa hai cực dò liền kề. Khi đó, điện trở suất biểu kiến ρ theo các đại lượng có đơn vị chiều dài trong đó a và b đo được là:
2 2 2 2 4 2a a 1 4 aR a b a b π ρ = + − + +
Về mặt lý thuyết, các điện cực nên là các tiếp xúc điểm hoặc các điện cực bán cầu có bán kính b. Tuy nhiên, trong thực tế, bốn cọc thường được đặt trên một đường thẳng cách nhau một khoảng a, được đóng đến một độ sâu không vượt quá 0,1a. Khi đó, người dùng có thể giả sử b = 0 và phương trình trở thành:
ρ = 2πaR
và cho ra điện trở suất biểu kiến xấp xỉ đến độ sâu a.
Một tập hợp các kết quả đọc được với khoảng cách các cực dò khác nhau cho ra một tập hợp điện trở suất mà nó được vẽ theo khoảng cách, chỉ ra có hay không những lớp đất hay đá khác nhau riêng biệt và đưa ra một ý tưởng về các điện trở suất và độ sâu tương ứng của chúng (hình 4.B).
Hình 5B.Phương pháp bốn điểm
a) Các cực dò thử nghiệm cách đều nhau
b) Các cực dò thử nghiệm không cách đều nhau
b) Bố trí không cách đều hoặc bố trí Schlumberger – Palmer. Một thiếu sót của phương pháp Wenner là việc giảm nhanh về độ lớn điện thế giữa hai điện cực bên trong khi khoảng cách của chúng được tăng đến giá trị tương đối lớn. Về mặt lịch sử, các dụng cụ đo không thích hợp cho việc đo những giá trị điện thế thấp đó. Mặc dù, độ nhạy được cải thiện trong các thiết bị thử nghiệm làm giảm bớt bất lợi này đối với vài vùng đất. Bất lợi khác đối với phương pháp Wenner là việc yêu cầu sắp xếp lại toàn bộ bốn cực dò ứng với mỗi độ sâu được đo. Việc bố trí được thể hiện trên hình 5.B(b) có thể được sử dụng để đo điện trở suất của đất một cách thành công khi các cực dò dòng điện được tách biệt bởi một khoảng cách lớn hoặc tiến hành thử nghiệm đối với nhiều vị trí cực dòng điện.
Với phương pháp Schlumberger, các cực dò bên trong được đặt gần nhau và các cực dò bên ngoài được đặt cách xa nhau. Không giống như phương pháp Wenner, mà nó yêu cầu tất cả các cực được di chuyển để tính toán điện trở suất đất ở các độ sâu khác nhau, phương pháp Schlumberger chỉ yêu cầu các cực dò bên ngoài được sắp xếp lại cho những phép đo sau. Việc giảm số lượng cực dò được sắp xếp lại cho mỗi thử nghiệm tạo ra cho phương pháp Schlumberger một lựa chọn nhanh hơn đối với thử nghiệm ở các độ sâu khác nhau.
Phương trình được sử dụng trong trường hợp này có thể được xác định một cách dễ dàng (Palmer). Nếu độ sâu chôn các điện cực b là nhỏ so với khoảng
cách giữa chúng d và c, và c > 2d, khi đó điện trở suất biểu kiến đo được có thể được tính toán như sau:
ρ = πc(c+d)R/d
Điện trở suất được tính toán bởi phương trình trên là điện trở suất biểu kiến đối với độ sâu xấp xỉ [2c+d]/2, đó là khoảng cách từ tâm thiết bị thử nghiệm đến các cực dò dòng điện bên ngoài [hình 5.B(b)].
Hình 6.B– Đường cong điện trở suất điển hìmh
Giống như phương pháp biến thiên độ sâu, phương pháp bốn điểm đưa ra điện trở suất biểu kiến cho một yêu cầu cụ thể, cho dù thể tích đất lớn hơn. Đó là những lợi ích để thực hiện phép đo dọc theo vài mô tả xung quanh diện tích quan tâm để ghi nhận những thay đổi xung quanh về điện trở suất đất, cũng như xác định bất kỳ ảnh hưởng khả dĩ nào tác động đến phép đo do những vật thể dẫn điện gần đó. Cách khác để đạt được độ tin cậy rằng những vật thể dẫn điện trong đất không ảnh hưởng đến các phép đo là lặp lại phép đo giống nhau ở cùng vị trí, nhưng lệch 90o so với lần đo thứ nhất. Những giá trị đo được này nên ràng buộc nhau.
Là phương pháp thích hợp để đo điện trở suất đất của một vùng đất rộng lớn. Phương pháp này cung cấp số liệu điện trở suất đất ở các độ sâu khác nhau bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các cọc theo chiều ngang.
Bảng 3.B – Các phép đo theo phương pháp bốn điểm khoảng cách bằng nhau tại hiện trường, dự kiến cho mô hình đất hai lớp
Khoảng cách m (ft)
ρ1 = 300, ρ2 = 100, h = 6.1m (20 ft) ρ1 = 100, ρ2 = 300, h = 6.1m (20 ft) Điện trở (Ω) Điện trở suất
biểu kiến (Ωm) Điện trở (Ω)
Điện trở suất biểu kiến (Ωm)
0.9 (3.0) 52.99 299.7 17.71 100.11.5 (5.0) 31.67 298.5 10.67 100.6 1.5 (5.0) 31.67 298.5 10.67 100.6 3.0 (10.0) 15.38 289.8 5.51 103.9 4.5 (15.0) 9.64 272.6 3.92 110.9 6.1 (20.0) 6.49 248.7 3.16 121.0 9.1 (30.0) 3.56 203.3 2.50 142.8 15.2 (50.0) 1.51 144.5 1.90 181.4 21.3 (70.0) 0.90 120.4 1.56 208.6 27.4 (90.0) 0.64 110.8 1.32 227.8 33.5 (110.0) 0.51 106.5 1.15 241.4 39.6 (130.0) 0.42 104.3 1.01 251.7 45.7 (150.0) 0.36 103.1 0.90 259.6
Hình 7.B Đặc tuyến của điện trở
suất đất theo độ sâu
Giả sử những thử nghiệm hiện trường của bảng 3B đã đưa ra đường cong được thể hiện trong hình 7.B(a) và 7.B(b). Những đường cong này biểu diễn một cách toán học sự biến thiên điện trở suất đất theo chiều sâu tương ứng với khoảng cách a, phù hợp với mô hình đất hai lớp lý tưởng.
B4. Hướng dẫn thực hiện các phép đo hiện trường: B4.1 Các nguồn nhiễu
Khi tiến hành các phép đo sử dụng các phương pháp biến thiên theo độ sâu hoặc phương pháp bốn điểm, cần lưu ý các nguồn nhiễu:
- Nguồn nhiễu thụ động: + Hàng rào kim loại
+ Vật thể dẫn điện được chôn ngầm như ống nước, kết cấu kim loại ngầm, bê tông cốt thép,…
Những nguồn nhiễu này tác động làm biến dạng các điện thế được hình thành trong đất từ dòng điện thử nghiệm.
- Nguồn nhiễu chủ động:
+ Những đường dây phân phối, truyền tải song song hoặc giao chéo. + Hệ thống thông tin liên lạc song song.
+ Những dòng điện rò trong đất.
+ Dòng điện nhiễu một chiều trong đất.
Những nguồn nhiễu chủ động này có thể là một nguồn dòng điện ảnh hưởng đến dòng điện thử nghiệm, làm sai lệch kết quả đo.
B4.2 khoảng cách cọckhảo sát ảnh hưởng độ chính xác thử nghiệm nối đất
Độ biến thiên điện trở suất đất thực tế theo độ sâu, khoảng cách cọc dò của phương pháp 4 điểm phân bố đều, có thể ảnh hưởng một cách đáng kể đến độ chính xác của mô hình đất nhiều lớp được tính toán. Bảng 4.B thể hiện phạm vi sai số về điện trở, điện áp tiếp xúc và điện áp bước cho một lưới nối đất theo khoảng cách a cọc như một hàm số của kích thước lưới nối đất (đường chéo lớn nhất). Phân tích này luôn được dựa trên số lượng mô hình đất hai lớp lý tưởng.
Bảng 4.B – Phạm vi sai số dựa trên khoảng cách cọc dò
(theo % GPR lưới)
40% -50% đến +30% -20% đến +110%
100% -33% đến +9% -8% đến +50%
300% -17% đến +9% -8% đến +20%
Bảng 4.Bchứng tỏ rằng khoảng cách cọc a theo kích thước lưới nối đất càng lớn thì độ chính xác mô hình đủ cho việc tính toán các điện áp tiếp xúc và bước càng cao. Các khoảng cách cọc lớn hơn ba lần kích thước lưới được yêu cầu cho các dự báo thận trọng về điện trở lưới nối đất.
Phụ lụcC