Грунтоулучшающий материал (бентонит, токопроводящий бетон) при высокоомном грунте — когда дополнительных электродов недостаточно

Гид по расчёту заземлителей со стержневыми и пластинчатыми формулами принимает удельное сопротивление грунта как заданную входную величину. Гид по методу Веннера с четырьмя электродами рассматривает, как это значение измеряется. Данная статья рассматривает, что происходит, когда измеренное удельное сопротивление грунта оказывается настолько высоким — скалистый грунт, гравий или сухой песок, со значениями, которые могут быть на порядок выше, чем у влажной глины — что простое добавление большего количества или более длинных электродов перестаёт быть практически осуществимым решением.

Почему у "добавления большего числа электродов" есть предел

Сопротивление одиночного стержневого электрода действительно уменьшается по мере его более глубокого забивания, а суммарное сопротивление нескольких параллельных стержней уменьшается по мере добавления новых — но в чрезвычайно высокоомном грунте (скала близко под поверхностью, сухой песок) количество или длина стержней, необходимых для достижения приемлемого сопротивления заземления, могут стать практически недостижимыми: достаточно глубокое бурение не всегда возможно, а большое число параллельных стержней даёт убывающую отдачу от каждого дополнительного стержня из-за взаимного влияния (эффекта экранирования). В таких случаях нужен другой подход: локальное снижение эффективного удельного сопротивления вокруг самого электрода, а не расширение числа электродов в том же высокоомном грунте.

Грунтоулучшающий материал: принцип

Грунтоулучшающий материал (GEM, ground enhancement material) — это низкоомная засыпка, размещаемая вокруг электрода, в скважине или траншее, где устанавливается электрод. Сам материал обладает значительно более низким удельным сопротивлением, чем окружающий природный грунт, и тем самым эффективно увеличивает контактную поверхность электрода с низкоомной средой вместо непосредственного контакта с высокоомным природным грунтом. Два часто используемых варианта:

Бентонитовая глина: природная, сильно набухающая глина, которая при увлажнении поглощает и удерживает воду, с удельным сопротивлением, которое в насыщенном состоянии может быть значительно ниже, чем у окружающего высокоомного грунта. Бентонит иногда смешивают с солью (NaCl) для дальнейшего снижения сопротивления.
Токопроводящий бетон / постоянный GEM на основе углерода или цемента: твердеющая смесь с постоянно низким, стабильным удельным сопротивлением, которая — в отличие от бентонита — не зависит от постоянного увлажнения для сохранения низкого сопротивления.

Ловушка бентонита: высыхание

Бентонит эффективен до тех пор, пока сохраняет достаточно влаги, чтобы оставаться набухшим и низкоомным. Однако при длительной засухе (суровое сухое лето или грунт, структурно удерживающий мало влаги) бентонит может высохнуть и усохнуть, из-за чего контакт с электродом и окружающим грунтом ухудшается, а сопротивление заземления временно — иногда значительно — возрастает. Добавленная соль также может со временем вымываться, постепенно снижая эффект уменьшения сопротивления. Это делает бентонит подходящим экономичным решением, но с зависимостью от обслуживания, которую необходимо учитывать при проектировании — особенно в климате с выраженными засушливыми периодами.

Токопроводящий бетон как более стабильная альтернатива

Твердеющая смесь на основе цемента или углерода (часто называемая токопроводящим бетоном или постоянным GEM) не имеет этой зависимости от постоянного увлажнения: после затвердевания собственное удельное сопротивление материала остаётся стабильным даже при длительной засухе, и соль не вымывается. Это делает его более подходящим для ситуаций, где требуется долгосрочно предсказуемое, стабильное сопротивление заземления (например, критически важная установка в структурно сухой или скалистой местности) — как правило, при более высокой стоимости приобретения по сравнению с бентонитом.

Внимание: грунтоулучшающий материал не заменяет необходимость измерения фактически достигнутого сопротивления заземления после монтажа (см. гид по измерению сопротивления заземления) — это проектное мероприятие, позволяющее достичь приемлемого сопротивления в грунте, где голые электроды сами по себе этого не обеспечивают, а не заранее данная гарантия.

Практическая значимость

При проектировании заземляющего устройства на площадке с измеренным высоким удельным сопротивлением грунта (скалистое основание, гравий, сухой песок) важно на раннем этапе оценить, может ли достижимое число и длина электродов в сочетании с грунтоулучшающим материалом вокруг них обеспечить требуемое сопротивление заземления — вместо того чтобы искать альтернативы только после разочаровывающего измерения решения с голыми электродами. Выбор между бентонитом и постоянной смесью токопроводящего бетона зависит от ожидаемой устойчивости площадки к влаге и приемлемых затрат на обслуживание в течение срока службы установки.

Типичные ошибки

Продолжение добавления дополнительных стержневых электродов в чрезвычайно высокоомном грунте без учёта того, что отдача от каждого дополнительного стержня снижается из-за взаимного экранирования, тогда как грунтоулучшающий материал может дать более целенаправленное решение.
Применение бентонита без учёта высыхания в климате с длительными засушливыми периодами, из-за чего сопротивление заземления может со временем возрасти относительно исходного измерения.
Предположение, что добавленная в бентонит соль работает постоянно — вымывание в течение нескольких лет может постепенно снижать эффект уменьшения сопротивления.
Отсутствие первоначального и периодического измерения сопротивления заземления после применения грунтоулучшающего материала, в предположении, что материал сам по себе уже гарантирует постоянно низкое сопротивление.

Грунтоулучшающий материал (бентонит, токопроводящий бетон) при высокоомном грунте — когда дополнительных заземлителей недостаточно