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[摘要] 土壤电阻率是地铁车站设计中的一个必要参数，影响因素很多，测试方法也很多。地铁车站通常设在建筑物密集的城区，受场地条件限制，很多常用的土壤电阻率测试方法都不易实施。本文以某大城市地铁勘察中的土壤电阻率测试为例，论述了井内点测土壤电阻率的优点和实用性。
[关键词] 地铁勘察 土壤电阻率 井内测试
引言
土壤电阻率是单位长度土壤电阻的平均值，是地铁工程接地计算中一个必要参数。土壤电阻率直接影响接地装置接地电阻的大小、地网地面电位分布、接触电压和跨步电压。土壤电阻率是决定接地体电阻的重要因素，为了合理设计接地装置，必须对土壤电阻率进行实测。影响土壤电阻率的因素很多，测量土壤电阻率的方法也很多。地铁工程通常建在大城市内，受密集的地上建筑物及地下构筑物等因素影响，常用的土壤电阻率测试方法的应用受到很大限制，因此找到一种既适合场地测量条件，又能更准确测量电阻率值的方法很有必要。
一、土壤电阻率的影响因素及测量方法
1.影响土壤电阻率的主要因素
土壤电阻率不是一个恒定的值，影响土壤电阻率的因素很多，主要有以下几个方面的影响：
（1）土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量的影响
土壤电阻率ρ的大小主要取决于土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量，它是土壤中所含导电离子浓度的倒数。也就是说，土壤中所含导电离子浓度越高，土壤的导电性就越好，ρ就越小，反之就越大。
（2）土质的影响
不同土质的土壤电阻率不同，甚至相差几千到几万倍。
（3）温度的影响
温度对土壤电阻率的影响也较大。一般来说，土壤电阻率随温度的升高而下降。ρ在0°C 时出现一个突然上升；当温度再下降时，ρ出现明显的增大；而温度从0°C上升时，ρ又平稳下降。
（4）土壤的致密性的影响
土壤的致密与否对土壤电阻率也有一定的影响。
（5）季节因素的影响
季节的变化也将引起土壤电阻率的变化。季节不同，土壤的含水量和溫度也就不同，影响土壤电阻率最明显的因素就是降雨和冰冻。在雨季，由于雨水的渗入，地表层土壤的ρ降低，低于深层土壤；在冬季，由于土壤的冰冻作用，地表层土壤的ρ升高，高于深层土壤。这样，使土壤由原来的均匀结构变成了分层的不均匀结构，引起ρ的变化。多年冻土的ρ极高，可达没有冻土时的几十倍。
2.测量土壤电阻率的主要方法
测量土壤电阻率的方法较多，有土壤试样分析法、电磁测探法、两极法、三极法和四极法等，而公认的较理想且常用的方法是四极法。对称四级法所需仪表设备少，操作简单，成为工程设计中的一种常用的方法。
对称四极法测量土壤电阻率原理如图1所示。测量的时候先在地面插入四个电极A、B、C、D，埋入深度一致，使用稳压电源E 向外侧电极A 和B施加电流I，电流由电极A 流入，由电极B 返回电源，这时电流场将在电极上产生电势，可以用电位差计或者高电阻电压表测量电极C 和D 间的电位差。
图1 四极法测量土土壤电阻率原理图
用四极法测量土壤电阻率时，应注意电流极之间的距离不宜太大，一般不超过300m，否则引线间互感将对测量结果造成较大的影响。
二、地铁勘察中土壤电阻率测试方法的选择
土壤电阻率是地铁车站设计时必须的一个参数，需要现场实测。通过上述可知影响土壤电阻率的因素很多，所以为了使测试结果接近真实值，应该设法减少各因素的影响。
地铁车站通常设在城市内，建筑物密集，市政路面及地下设施广布。常用的电阻率测试对称四极法和其它方法如：两极法、三极法、电测深法等都需要有较大的空间布设电级，并且所测结果为地面以下测试深度内各层的视电阻率，但地铁车站设计所需的是结构底板以下一定深度内（通常为15m）的土壤电阻率，车站底板埋深通常大于10m甚至20m，上覆土层较大，不利于对目的层的测量。
鉴于上述原因，我们决定采用井内点测法，直接测量目的层的真实电阻率。测试使用JJ-2B型积分式激发电位仪，采用电测井中的点测法，测试点距1m测试主体结构下0～15m范围内各层的真实电阻率。
1.测试原理
测试原理见图2。图中A—MN为倒装电位电极系，A、C为供电电极，MN为测量电极，A、M中点O为测量计录点，OC>30倍OA，ON≥5倍OM。C、N极分别是相对于A、M极的无究远极。当电流通过A、C极时，分别在M、N极所在的位置上形成以A极为中心的两个同心等位面，通过测量M、N两点的电位差，便可用下式计算O点的电阻率：
ρs=
K =
式中: ρs—O点的电位电阻率值（Ω.m）；
ΔV—M、N两点的电位差（mv）；
ΔI—A极的电流强度（mA）；
K —装置系数；
某地铁勘察时，我们所采用的电阻率测试装置为：
AM=0.5mAN=2.5m
MN=2.0m装置系数K=7.85。
图2 电阻率测试原理图
2.测试方法
电阻率测试采用点测法，测试点距1.0m。
测试时，首先布设无穷远极C，使OC大于30倍的OA；检查电极系各电极间的绝缘电阻（本次测试电极系各电极的绝缘电阻均大于2MΩ），将电极系置于井口护壁管内，检查电位差是否归零，归零后将电极系置于井下测量最深处，读取该测点的电流、电位差，记录在外业记录表上，计算测点的电阻率，绘制电阻率测井原始曲线，该点测试完成。提升电极系至下一测点进行测试。区间测试完成后再将电极系提升到护壁管内，检查测量电位差是否归零，归零后测试完成。
3.资料整理
首先对外业观测原始记录和原始曲线进行100%的复算与校对。确认无误后,在计算机上采用Microsoft Word软件编制电阻率测井记录表，采用AotoCAD2004软件编制电阻率测井综合成果表（电阻率测井原始曲线清绘在该表上），并在计算机内存档。
4.地层电阻率值的确定
（1）地层电阻率值确定原则：
根据地质钻孔划分的地层厚度和电阻率测井曲线的形态确定地层电阻率值。当地下土层较厚，满足于3个测点A、M、N极均在该土层内测量时，电测井曲线有高阻或低阻平台显示，此时电测井曲线极大值或极小值为该土层的电阻率值；当土层较薄，所对应的电测井曲线为变化带时，取电测井曲线变化带的平均值为土层的电阻率值。
（2）地层电阻率的确定
根据上述原则，确定场地各电阻率测试孔地铁车站底板以下15m深度内所包含各层的电阻率。由于一个场地有4个孔进行了土壤电阻率测试，按上述原则分别确定各个孔的每层土壤电阻率后，将四个孔的同一层位测试结果统计后，给出该层的土壤电阻率平均值及范围值供设计方使用。示例如下表：
表1岩性电阻率统计表
层 位 地 层 岩 性 子 样 数 电 阻 率 值（Ω·m）
范 围 平 均 值
③-4 砾砂 3 75～85 80.0
⑤-4 砾砂 4 115～130 125.0
三、结语
土壤电阻率井内点测法，由于是在孔内原位测试目的层的电阻率，避免了上覆各层土导电离子浓度、含水量、土质类型及密实程度等因素对测试结果的影响，同时测试的目的层埋深较大，基本处于恒温状态，因而也避免了温度和季节因素对测试结果的影响，使测试结果能最大程度地接近目的层的真实电阻率。
由于是在孔内测试，不需要很大的平面空间布设电极，因此该方法非常适用于在建筑物密集的城市地铁勘察工作中测试土壤电阻率。
几年来，我们在某省会城市多条地铁勘察中采用此方法测量土壤电阻率，经过多个地铁车站设计和施工验证，孔内点测法测得的土壤电阻率值真实可靠。
参考文献：
[1]何金良等，发变电站接地系统的季节系数分析[J]，高压电器，2003.6，39（3）：1-3.
[2]孙为民等，季节因素对发变电站地表高阻层安全效果的影响[J]，中国电力，2000.1，33（1）：62-64.
[3]裴世建，土壤电阻率测试方法的研究[J]，工程地球物理学报 2009年S1期.
[4]刘国兴主编，电法勘探原理与方法[M]，地质出版社， 2005.
[5]常士骠 张苏民主编，工程地质手册（第四版），中国建筑工业出版社，2007.
作者简介：
李晶（1981-），女，辽宁锦州人，毕业于吉林大学，物探助理工程师，主要从事水工环物探工作。
徐宏伟（1968-），男，辽宁锦州人，毕业于中国地质大学（武汉），水工环高级工程师，主要从事岩土工程、水文地质及环境地质专业工作。
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[关键词] 地铁勘察 土壤电阻率 井内测试
引言
土壤电阻率是单位长度土壤电阻的平均值，是地铁工程接地计算中一个必要参数。土壤电阻率直接影响接地装置接地电阻的大小、地网地面电位分布、接触电压和跨步电压。土壤电阻率是决定接地体电阻的重要因素，为了合理设计接地装置，必须对土壤电阻率进行实测。影响土壤电阻率的因素很多，测量土壤电阻率的方法也很多。地铁工程通常建在大城市内，受密集的地上建筑物及地下构筑物等因素影响，常用的土壤电阻率测试方法的应用受到很大限制，因此找到一种既适合场地测量条件，又能更准确测量电阻率值的方法很有必要。
一、土壤电阻率的影响因素及测量方法
1.影响土壤电阻率的主要因素
土壤电阻率不是一个恒定的值，影响土壤电阻率的因素很多，主要有以下几个方面的影响：
（1）土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量的影响
土壤电阻率ρ的大小主要取决于土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量，它是土壤中所含导电离子浓度的倒数。也就是说，土壤中所含导电离子浓度越高，土壤的导电性就越好，ρ就越小，反之就越大。
（2）土质的影响
不同土质的土壤电阻率不同，甚至相差几千到几万倍。
（3）温度的影响
温度对土壤电阻率的影响也较大。一般来说，土壤电阻率随温度的升高而下降。ρ在0°C 时出现一个突然上升；当温度再下降时，ρ出现明显的增大；而温度从0°C上升时，ρ又平稳下降。
（4）土壤的致密性的影响
土壤的致密与否对土壤电阻率也有一定的影响。
（5）季节因素的影响
季节的变化也将引起土壤电阻率的变化。季节不同，土壤的含水量和溫度也就不同，影响土壤电阻率最明显的因素就是降雨和冰冻。在雨季，由于雨水的渗入，地表层土壤的ρ降低，低于深层土壤；在冬季，由于土壤的冰冻作用，地表层土壤的ρ升高，高于深层土壤。这样，使土壤由原来的均匀结构变成了分层的不均匀结构，引起ρ的变化。多年冻土的ρ极高，可达没有冻土时的几十倍。
2.测量土壤电阻率的主要方法
测量土壤电阻率的方法较多，有土壤试样分析法、电磁测探法、两极法、三极法和四极法等，而公认的较理想且常用的方法是四极法。对称四级法所需仪表设备少，操作简单，成为工程设计中的一种常用的方法。
对称四极法测量土壤电阻率原理如图1所示。测量的时候先在地面插入四个电极A、B、C、D，埋入深度一致，使用稳压电源E 向外侧电极A 和B施加电流I，电流由电极A 流入，由电极B 返回电源，这时电流场将在电极上产生电势，可以用电位差计或者高电阻电压表测量电极C 和D 间的电位差。
图1 四极法测量土土壤电阻率原理图
用四极法测量土壤电阻率时，应注意电流极之间的距离不宜太大，一般不超过300m，否则引线间互感将对测量结果造成较大的影响。
二、地铁勘察中土壤电阻率测试方法的选择
土壤电阻率是地铁车站设计时必须的一个参数，需要现场实测。通过上述可知影响土壤电阻率的因素很多，所以为了使测试结果接近真实值，应该设法减少各因素的影响。
地铁车站通常设在城市内，建筑物密集，市政路面及地下设施广布。常用的电阻率测试对称四极法和其它方法如：两极法、三极法、电测深法等都需要有较大的空间布设电级，并且所测结果为地面以下测试深度内各层的视电阻率，但地铁车站设计所需的是结构底板以下一定深度内（通常为15m）的土壤电阻率，车站底板埋深通常大于10m甚至20m，上覆土层较大，不利于对目的层的测量。
鉴于上述原因，我们决定采用井内点测法，直接测量目的层的真实电阻率。测试使用JJ-2B型积分式激发电位仪，采用电测井中的点测法，测试点距1m测试主体结构下0～15m范围内各层的真实电阻率。
1.测试原理
测试原理见图2。图中A—MN为倒装电位电极系，A、C为供电电极，MN为测量电极，A、M中点O为测量计录点，OC>30倍OA，ON≥5倍OM。C、N极分别是相对于A、M极的无究远极。当电流通过A、C极时，分别在M、N极所在的位置上形成以A极为中心的两个同心等位面，通过测量M、N两点的电位差，便可用下式计算O点的电阻率：
ρs=
K =
式中: ρs—O点的电位电阻率值（Ω.m）；
ΔV—M、N两点的电位差（mv）；
ΔI—A极的电流强度（mA）；
K —装置系数；
某地铁勘察时，我们所采用的电阻率测试装置为：
AM=0.5mAN=2.5m
MN=2.0m装置系数K=7.85。
图2 电阻率测试原理图
2.测试方法
电阻率测试采用点测法，测试点距1.0m。
测试时，首先布设无穷远极C，使OC大于30倍的OA；检查电极系各电极间的绝缘电阻（本次测试电极系各电极的绝缘电阻均大于2MΩ），将电极系置于井口护壁管内，检查电位差是否归零，归零后将电极系置于井下测量最深处，读取该测点的电流、电位差，记录在外业记录表上，计算测点的电阻率，绘制电阻率测井原始曲线，该点测试完成。提升电极系至下一测点进行测试。区间测试完成后再将电极系提升到护壁管内，检查测量电位差是否归零，归零后测试完成。
3.资料整理
首先对外业观测原始记录和原始曲线进行100%的复算与校对。确认无误后,在计算机上采用Microsoft Word软件编制电阻率测井记录表，采用AotoCAD2004软件编制电阻率测井综合成果表（电阻率测井原始曲线清绘在该表上），并在计算机内存档。
4.地层电阻率值的确定
（1）地层电阻率值确定原则：
根据地质钻孔划分的地层厚度和电阻率测井曲线的形态确定地层电阻率值。当地下土层较厚，满足于3个测点A、M、N极均在该土层内测量时，电测井曲线有高阻或低阻平台显示，此时电测井曲线极大值或极小值为该土层的电阻率值；当土层较薄，所对应的电测井曲线为变化带时，取电测井曲线变化带的平均值为土层的电阻率值。
（2）地层电阻率的确定
根据上述原则，确定场地各电阻率测试孔地铁车站底板以下15m深度内所包含各层的电阻率。由于一个场地有4个孔进行了土壤电阻率测试，按上述原则分别确定各个孔的每层土壤电阻率后，将四个孔的同一层位测试结果统计后，给出该层的土壤电阻率平均值及范围值供设计方使用。示例如下表：
表1岩性电阻率统计表
层 位 地 层 岩 性 子 样 数 电 阻 率 值（Ω·m）
范 围 平 均 值
③-4 砾砂 3 75～85 80.0
⑤-4 砾砂 4 115～130 125.0
三、结语
土壤电阻率井内点测法，由于是在孔内原位测试目的层的电阻率，避免了上覆各层土导电离子浓度、含水量、土质类型及密实程度等因素对测试结果的影响，同时测试的目的层埋深较大，基本处于恒温状态，因而也避免了温度和季节因素对测试结果的影响，使测试结果能最大程度地接近目的层的真实电阻率。
由于是在孔内测试，不需要很大的平面空间布设电极，因此该方法非常适用于在建筑物密集的城市地铁勘察工作中测试土壤电阻率。
几年来，我们在某省会城市多条地铁勘察中采用此方法测量土壤电阻率，经过多个地铁车站设计和施工验证，孔内点测法测得的土壤电阻率值真实可靠。
参考文献：
[1]何金良等，发变电站接地系统的季节系数分析[J]，高压电器，2003.6，39（3）：1-3.
[2]孙为民等，季节因素对发变电站地表高阻层安全效果的影响[J]，中国电力，2000.1，33（1）：62-64.
[3]裴世建，土壤电阻率测试方法的研究[J]，工程地球物理学报 2009年S1期.
[4]刘国兴主编，电法勘探原理与方法[M]，地质出版社， 2005.
[5]常士骠 张苏民主编，工程地质手册（第四版），中国建筑工业出版社，2007.
作者简介：
李晶（1981-），女，辽宁锦州人，毕业于吉林大学，物探助理工程师，主要从事水工环物探工作。
徐宏伟（1968-），男，辽宁锦州人，毕业于中国地质大学（武汉），水工环高级工程师，主要从事岩土工程、水文地质及环境地质专业工作。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”