Какой из факторов практически не влияет на сопротивление грунта

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 18.09.2024

Верхние слои земной коры, в которых могут протекать токи электрических установок, принято называть землей. Свойство земли как проводника тока зависит от его структуры и компонентов, которые она содержит.

Основные компоненты земли (кремнезем, глинозем, известняк, уголь) представляют собой изоляторы, и проводимость земли зависит от почвенного раствора - влаги и солей, находящихся между непроводящими твердыми частицами компонентов. Таким образом, земля обладает ионной проводимостью, которая, в отличие от электронной проводимости в металлах, оказывает большее электрическое сопротивление электрическому току.

Свойства земли как проводника тока принято определять ее удельным электрическим сопротивлением р , под которым понимается сопротивление кубика грунта с ребрами 1 см. Эта величина определяется из выражения:

р = RS/I , Ом • см2 /см, или Ом/см, где R - сопротивление (Ом) некоторого объема грунта сечением S (см2) и длиной l (см).

Величина удельного сопротивления земли р зависит от характера грунта, влажности, содержания щелочей, солей и кислот, а также от его температуры. Диапазон изменения удельного электрического сопротивления земли р различных грунтов огромен, например глина имеет сопротивление 1 - 50 Ом-/м, песчаник 10 - 102 Ом/м, а кварц 1012 -1014 Ом/м. Для сравнения приведем удельные электрические сопротивления естественных растворов, заполняющих поры и трещины. Например, природные воды в зависимости от растворенных в них солей имеют сопротивление 0,07 - 600 Ом/м, из них речные и пресные грунтовые воды 60 -300 Ом/м, а морская вода и глубинные воды 0,1-1 Ом/м.

Увеличение содержания растворенных веществ в грунте, общей влажности, уплотнение его частиц, повышение температуры (если при этом влажность не будет уменьшаться) приводят к уменьшению р. Пропитывание грунта маслами и нефтью, а также промерзание значительно увеличивают р.

Земля неоднородна, она состоит из нескольких слоев грунта с различными значениями р. Вначале при расчетах заземлений и инженерных изысканий основывались на допущении об однородности р земли в вертикальном направлении. Теперь при расчетах заземлителей принимают, что земля состоит из двух слоев: верхнего - с удельным сопротивлением р1 и толщиной h и нижнего - с удельным сопротивлением р2. Такая расчетная двухслойная модель земли хорошо отражает особенности изменения по глубине земли, вызванные промерзанием и высыханием ее поверхностного слоя, а также влиянием на р зоны грунтовых вод.

Аналитический расчет всех факторов, влияющих на величину р, затруднен, поэтому удельное сопротивление, удовлетворяющее принятой точности расчета, получают путем непосредственных измерений.

Для измерения параметров электрической структуры земли - толщины слоев и удельного электрического сопротивления каждого слоя - в настоящее время рекомендуется два способа: пробного вертикального электрода и вертикального электрического зондирования. Выбор способа измерения зависит от характеристики грунтов и необходимой точности измерения.

Ниже в таблице приведены удельные сопротивления наиболее распространенных грунтов.

Главной особенностью сопротивления сдвигу несвязных грунтов является отсутствие сцепления. Поэтому сопротивление сдвигу таких грунтов характеризуется углом внутреннего трения или углом естественного откоса, а основными факторами, определяющими прочность несвязных грунтов при сдвиге, будут те, которые влияют на трение между частицами грунта.

Величина сил трения между частицами несвязных грунтов прежде всего зависит от формы частиц и характера их поверхности. Окатанные частицы обусловливают снижение угла внутреннего трения грунтов за счет уменьшения сил трения и зацепления частиц. Угловатые частицы с неровной шероховатой поверхностью увеличивают угол внутреннего трения грунта как за счет зацепления, так и за счет повышения сил трения частиц.

На величину угла внутреннего трения в несвязных грунтах влияет и дисперсность. С увеличением дисперсноститаких грунтов снижается за счет уменьшения сил зацепления частиц.

Среди других факторов, влияющих на сопротивление сдвигу несвязных грунтов, отметим плотность их сложения (пористость). В рыхлом сложении пористость больше и угол внутреннего трения будет меньше, чем в том же грунте плотного сложения. Наличие воды в несвязном грунте снижает трение между частицами и угол внутреннего трения. Особенностью сопротивления сдвигу связных грунтов является присутствие у них сцепления, величина которого меняется в широких пределах.

На сопротивление сдвигу связных грунтов оказывают влияние структурно-текстурные особенности (тип структурных связей, дисперсность, пористость), влажность грунтов. Связные грунты с кристаллизационными структурными связями обладают более высокими значениями с и , чем грунты с коагуляционными связями. Влияние текстуры проявляется в анизотропии прочности по разным координатам (в грунтах с ориентированной текстурой сдвиг вдоль направления ориентации частиц происходит более легко, чем поперек их ориентации).

С ростом влажности связных грунтов сцепление с и угол внутреннего трения закономерно снижаются за счет ослабления структурных связей и смазывающего действия воды на контактах частиц.

2.6.2. Нормативные и расчетные деформационные и прочностные характеристики грунтов

Грунты в основании фундаментов неоднородны. Поэтому определение какой-либо его характеристики по исследованию одного образца дает только частное значение. Для определения нормативных характеристик грунта проводят серию определения каждого показателя. Нормативные значения модуля деформации грунтов определяются как среднеарифметические величины от общего числа определений:

, (2.25)

где n – число определений; – частное значение характеристики.

Нормативные значения прочностных характеристик – угла внутреннего трения и сцепления– определяются после построения графиков сопротивления грунта сдвигу. Результаты серии опытов на сдвиг аппроксимируют прямой с использованием для обработки экспериментальных данных метода наименьших квадратов. При этом число определений сопртивлений сдвигу при одном уровне нормальных напряженийдолжно быть не менее шести.

Нормативные значения прямой инаходим по формулам

; (2.26)

tg, (2.27)

где n – число определений сопротивления грунта сдвигу при напряжении;

. (2.28)

Расчетные характеристики сопротивления сдвигу вычисляют по формулам

; , (2.29)

где и средние квадратические отклонения определяемой характеристики.

Средние квадратические отклонения для С и вычисляют по формулам

; (2.30)

, (2.31)

где , аопределяется по формуле (2.28).

Значения зависят от доверительной вероятности . Доверительная вероятность принимается в расчетах оснований по несущей способности, равной 0,95, а в расчетах по деформациям – 0,85. Для грунтов оснований опор мостов и труб под насыпями при расчетах оснований по несущей способности , а по деформациям . Расчетные значения характеристик грунтов с и для расчетов по несущей способности обозначаются и, а по деформациям –и.

Базальт 2 000 Бетон 40 — 1 000 Вода Вода морская 0,2 Вода прудовая 40 Вода равнинной реки 50 Вода грунтовая 20 — 60 Вечномёрзлый грунт (многолетнемёрзлый грунт) Вечномёрзлый грунт — талый слой (у поверхности летом) 500 — 1000 Вечномёрзлый грунт (суглинок) 20 000 Вечномёрзлый грунт (песок) 50 000 Глина Глина влажная 20 Глина полутвёрдая 60 Гнейс разложившийся 275 Гравий Гравий глинистый, неоднородный 300 Гравий однородный 800 Гранит 1 100 — 22 000 Графитовая крошка 0,1 — 2 Дресва (мелкий щебень/крупный песок) 5 500 Зола, пепел 40 Известняк поверхностный 3 000 — 5 000 Ил 30 Каменный уголь 150 Кварц 15 000 Кокс 2,5 Лёсс (желтозем) 250 Мел 60 Мергель Мергель обычный 150 Мергель глинистый (50 — 75% глинистых частиц) 50 Песок Песок, сильно увлажненный грунтовыми водами 10 — 60 Песок, умеренно увлажненный 60 — 130 Песок влажный 130 — 400 Песок слегка влажный 400 — 1 500 Песок сухой 1 500 — 4 200 Супесь (супесок) 150 Песчаник 1 000 Садовая земля 40 Солончак 20 Суглинок Суглинок, сильно увлажненный грунтовыми водами 10 — 60 Суглинок полутвердый, лесовидный 100 Суглинок при температуре минус 5 С° 150 Супесь (супесок) 150 Сланец графитовый 55 Супесь (супесок) 150 Торф Торф при температуре 10° 25 Торф при температуре 0 С° 50 Чернозём 60 Щебень Щебень мокрый 3 000 Щебень сухой 5 000

=2.2. В зависимости от состава (чернозем, песок, глина и т. п.), размеров и плотности прилегания друг к другу частиц, влажности и температуры, наличия растворимых химических веществ (кислот, щелочей, продуктов гниения и т. д.) удельное сопротивление грунтов изменяется в очень широких пределах. =2.3. Наиболее важными факторами, влияющими на величину удельного сопротивления грунта, являются влажность и температура. На рис. 2.1 и 2.2 в качестве примера приведены кривые изменения удельного сопротивления красной глины в зависимости от влажности и температуры. =2.4. В течение года в связи с изменением атмосферных и климатических условий содержание влаги в грунте :и его температураизменяются, а следовательно, изменяется и удельное сопротивление. Наиболее резкие колебания удельного сопротивления наблюдаются в верхних слоях земли, которые зимой промерзают, а летом высыхают. Из данных измерений следует, что при понижении температуры воздуха от 0 до— 10°С удельное сопротивление грунта на глубине 0,3 м увеличивается в 10 раз, а на глубине 0,5 м — в 3 раза. Согласно наблюдениям в большинстве областей северной и средней части страны при отрицательных температурах воздуха грунт имеет положительную температуру на глубине, начиная от 0,8 м. Влажность грунта на этой глубине и ниже при изменении температуры воздуха изменяется сравнительно мало. В южных районах глубина промерзания грунтов изменяется в пределах от 0,1 до 0,5 м. =2.5. При проектировании и строительстве заземляющих устройств необходимо знать максимальную величину удельного сопротивления слоя грунта на глубине, приблизительно в три раза превышающей глубину закладки заземлителя. Например, при забивке вертикального заземлителя длиной 2 метра на глубину 3 м необходимо знать среднее удельное сопротивление слоя грунта толщиною до 9 метров. =2.6. Величина удельного сопротивления грунта определяется путем измерений в месте устройства заземления с учетом коэффициентов влажности и применяются в следующих случаях: — если измеренная величина сопротивления грунта соответствует минимальному значению (грунт влажный, перед измерением выпадало много осадков); — если измеренная величина удельного сопротивления грунта соответствует среднему значению (грунт средней влажности, перед измерением выпадало немного осадков); — если измеренная величина удельного сопротивления грунта соответствует наибольшему значению (грунт сухой, перед измерением выпадало совсем мало осадков).

Искусственное снижение удельного сопротивления грунта.

Общее сопротивление заземления зависит от сопротивления прилегающих к заземлителю слоев грунта. Поэтому можно добиться снижения сопротивления заземления понижением удельного сопротивления грунта лишь в небольшой области вокруг заземлителя. Искусственное снижение удельного сопротивления грунта достигается либо химическим путем при помощи электролитов, либо путем укладки заземлителей в котлованы с насыпным углем, коксом, глиной. Опыт показал, что максимальное уменьшение сопротивления заземления достигается при использовании электролитов, древесного угля и коксовой мелочи. Первый способ заключается в том, что вокруг заземлителей грунт пропитывается растворами хлористого натрия (обыкновенной поваренной соли), хлористого кальция, сернокислой меди (медного купороса) и т. д. Следует отметить, что указанным способом можно добиться сравнительно большого снижения величины сопротивления заземления,. однако на непродолжительный срок (2—4 года), после чего требуется вновь пропитывать грунт электролитом. 2.52. Практически можно рекомендовать следующие два способа искусственного снижения удельного сопротивления грунта: создание вокруг заземлителя зоны с пониженным удельным сопротивлением и обработка грунта солью. 2 53. Для создания вокруг заземлителя зоны с пониженным удельным сопротивлением в грунте делается выемка (котлован) радиусом 1,5—2,0 м и глубиной, равной длине забиваемого стержня. После заполнения выемки грунтом устанавливается заземлитель и грунт утрамбовывается. В качестве грунта-заполнителя может быть применен любой грунт, имеющий удельное сопротивление в 5—10 раз меньше, чем удельное сопротивление основного грунта. Например, если заземление устраивается в песчаном или каменистом (гранит) грунте, то заполнителями могут быть, глина, торф, чернозем, суглинок, шлак и т. п. Таким способом достигается снижение сопротивления заземления в среднем в 2,5—3 раза.

Пример расчета заземления

Расчет одиночного заземляющего элемента для опоры ВЛ 380 Вольт

Согласно оговоренной ранее методике сначала по таблице выбирается тип вертикального штыря со следующими характеристиками:

Материал – сталь.
Форма – округлый стержень диаметром 16 мм.
Длина L — 2,5 метра.

Обратите внимание: В качестве грунта в соответствие с таблицей выбирается полутвердая глина с удельным сопротивлением ρ, равным 60 Ом на•метр.

Глубина траншеи берется равной полметра. Затем из той же таблицы находится поправочный коэффициент, вводимый для средней климатической зоны. Его значение при фактической длине стержней до 2,5 метров с учетом промерзания грунта в данной местности составляет ψ=1,45. Показатель нормированного сопротивления для этого типа ЗУ равен 30 Омам. Следующий показатель – удельное сопротивление грунта находится по формуле:

ρ (по факту) = ψ•ρ = 1.45х60 = 87 Ом•метр

Полученные расчетные данные выглядят так:

заглубление одиночного штыря в грунт составляет h = 0,5l + t = 0,5х2,5 + 0,5 = 1,75 метра;
его сопротивление для нашего примера (смотрите формулы выше) составляет не более 30 Ом, что соответствует требования ПУЭ для данного напряжения.

Когда одного заземляющего штыря для опоры ВЛ недостаточно – допускается добавлять еще один или даже несколько прутьев. В этом случае потребуется другая методика, используемая для линейного контура или треугольной конструкции.

Исходные данные для расчета заземления

Перед началом обустройства заземления расчет которого нужно провести, необходимо заранее определиться с такими исходными данными, как:

Линейные размеры забиваемых в грунт стальных штырей.
Расстояние между ними (шаг монтажа).
Допустимая глубина погружения.
Характеристики почвы в месте обустройства заземления.

Дополнительное замечание: Перед проведением расчета также потребуется знать величину сопротивления грунта Ом на участке проведения монтажных работ.

При его определении важно помнить о том, что он сильно отличается от места к месту и в значительной степени зависит от климатической зоны, к которой относится регион. Помимо этих данный придется учесть конфигурацию и материал заготовок, из которых сваривается готовое сооружение (либо обычный стальной уголок, либо медная широкая полоска).

Согласно ПУЭ минимальные размеры элементов для треугольной или линейной контурной конструкции должны быть:

полоса – сечение 48 мм2;
уголок 4х4 мм;
круглый брусок – сечение 10 мм2;
стальная труба диаметром 2,5 см со стенками толщиной не менее 3,5 мм.

Полезное замечание: Минимальную длину штырей вычисляют с учетом технических требований (необходимостью получения требуемого сопротивления стеканию в землю).

В соответствие с этими требованиями ее выбирают не менее 2-2,5 метра. Расстояние между соседними точками погружения стержней должно быть кратным их длине. В зависимости от размеров и конфигурации площадки для обустройства ЗУ элементы конструкции устанавливаются либо в ряд, либо в виде правильного треугольника (иногда для этого выбирается квадратная форма). Используемые в этом случае методики расчета различных вариантов ЗУ ставят своей задачей получение данных по числу стержней и параметрам соединительной полосы (ее длины и сечения).

В случае связного грунта и небольших нагрузках деформация основания будет иметь упругий характер. На этом этапе не происходит уплотнения грунта и изменения структурной прочности σ_str. Следует отметить, что сыпучие (несвязанные) грунты или глинистые грунты нарушенной структуры не обладают структурной прочностью.

При увеличении нагрузки Р, больше σ _str, развивается процесс уплотнения. При этом возникает перемещение частиц грунта, снижается его пористость. Связь деформаций и нагрузки имеет близкую к линейной зависимость. Развивающиеся осадки несут стабилизированный характер, т.е. не развиваются во времени. При этом касательные напряжения значительно ниже предельных, т.е. отсутствует предельные области в любой точке основания. Наибольшая нагрузка на этом участке называется начальной критической нагрузкой Р_н.кр. См. рисунок.

Нормативное сопротивление грунта

Опытным путем и продолжительными наблюдениями за осадками зданий и сооружений было установлено, что если допустить под фундаментом развитие зон предельного равновесия ну глубину не более 1/4 от ширины фундамента, то несущая способность основания остается обеспеченной, а развитие осадок во времени имеет стабилизированный характер, т.е. стремящийся к постоянной величине. При этом связь напряжений и деформаций в грунтовом массиве остается приближенной к линейной зависимости, т.е. возможно применение математического аппарата теории линейно деформируемого грунта.

Таким образом, еще в середине 20-го века было введено понятие нормативного сопротивления грунта, соответствующего наибольшему значению среднего сжимающего напряжения, до достижении которого сохраняется относительно линейная зависимость между напряжениями и деформациями грунта.

Расчетное сопротивление грунта

Дальнейшее развитие строительной науки и практики позволило еще дальше отодвинуть предел линейной работы грунта. Было введено понятие расчетного сопротивления грунта основания R.

Сегодня расчетное сопротивление грунта широко используется в проектной и строительной практике. Эта величина подлежит нормированию и должна рассчитываться строго в соответствии с действующими нормами и правилами в строительстве. Как правило, его используют для предварительного определения габаритов фундаментов и для расчета деформаций основания, когда средние напряжения под подошвой фундамента не должны превышать значения R.

Определить расчетное сопротивление грунта основания, в режиме онлайн, можно здесь.

Предельная критическая нагрузка

При увеличении нагрузки Р, больше значения расчетного сопротивления R, в основании формируются развитые области предельного равновесия. В некоторых случаях, это явление проявляется в виде валов выпирания около подошвы фундамента. Как правило, при таких нагрузках происходит полная потеря устойчивости грунта основания, а называется такая нагрузка - предельная критическая нагрузка Р_u, см. рисунок, т.е. это нагрузка при которой происходит исчерпание несущей способности грунтов.

В практике проектирования оснований и фундаментов, предельные критические нагрузки на фундаменты определяются при расчетах оснований по несущей способности. Цель таких расчетов, в соответсвии со строительными нормами и правилами, является обеспечение прочности и устойчивости оснований, а также недопущение сдвига фундамента по подошве.

Методика определения критических нагрузок различна для скальных, дисперсных и нестабилизированных глинистых грунтов.

Читайте также: