Unidad II RESISTIVIDAD DEL TERRENO

11/12/2014
Unidad II
RESISTIVIDAD DEL
TERRENO
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Contenido
1.
2.
3.
4.
Valores típicos de Resistividad
Influencias en el comportamiento eléctrico del suelo.
Métodos de medición de la Resistividad.
Determinación de Resistividad de los estratos y sus
espesores
5. Aplicación.
6. Medición de resistividad en campo (Laboratorio)
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1
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Resumen
En
esta
unidad se define
la
resistividad y sus unidades, se describe al
terreno
desde
su
característica
de
conductor de la electricidad y su
resistividad, así como los diferentes
factores que influyen directamente en el
aumento
o
disminución
de
esta
resistividad y se exponen finalmente
formas de obtener la resisitividad.
[email protected]
La resistividad de los suelos.
La resistividad de los suelos se
expresar en –m, –cm ó –mm, que
corresponde a la resistencia que presenta
un cubo de
1 metro cúbico de suelo o
aguas, entre sus paredes
laterales
(aristas) y se representa por la letra
griega  .
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2
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DistriLuz
Resistividad de un cubo de terreno
Donde:
de 1m de arista

S = Sección en (m2)
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RESISTIVIDADES TÍPICAS
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Naturalezadelterreno
resistividad
Ohmios-m
Terreno pantanoso
Limo
Humos
Turba Húmeda
Arcilla Plástica
Margas y arcillas compactas
Margas de jurásico
Arena arcillosa
Arena silícea
Suelo pedregoso cubierto de césped
Suelo pedregoso desnudo
Caliza blanda
Caliza compacta
Caliza agrietada
Pizarra
Rocas de mica y cuarzo
Granito y gres procedentes de alteración
Granito y gres muy alterados
Hasta 30
20 a 100
10 a 150
5 a 100
50
100 a 200
30 a 40
50 a 500
200 a 3000
300 a 500
1500 a 3000
100 a 300
1000 a 5000
500 a 1000
50 a 300
800
1500 a 10000
100 a 600
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Los valores medios de resistividad de terrenos
se muestran en el siguiente cuadro:
Naturaleza del terreno
Valor medio de la
resistividad
Ohm-m
Terrenos cultivables y fértiles,
Terraplenes compactos y
Húmedos
50
Terrenocultivables poco
fértiles, terraplenes en general
500
Suelos pedregososdesnudos,
arenas secas permeables
3000
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Influencia en el comportamiento
eléctrico del suelo.
• La tierra representa generalmente un
mal conductor (gran contenido de oxido
de silicio y óxido de aluminio que son
altamente resistivos) pero gracias al
amplio volumen disponible, se puede
lograr a través de ella los niveles
conductivos necesarios
para
su
utilización auxiliar.
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Factores que determinan la
resistividad de los suelos
Naturaleza de los suelos.
La humedad.
La temperatura del terreno.
La concentración de sales disueltas.
La compactación del terreno.
La estratificación del terreno.
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5
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Naturaleza de los suelos
Los suelos son buenos,
regulares o malos
conductores de la
electricidad en función de su
naturaleza. El análisis y
conocimiento de esta
naturaleza es el primer paso
para la instalación adecuada
del sistema de puesta a
tierra.
Tipodesuelooag
ua
Valortípicode
Resistividad
(-m)
Aguademar
2
Arcilla
40
Aguassubterráneas
50
Arena
2000
Granito
25000
Hielo
100000
La humedad
La resistividad que presenta un terreno
esta en relación directa a los porcentajes de
humedad contenida en él; es decir, depende de
su estado hidrométrico, al aumentar la
humedad disminuye la resistividad y al
disminuir la humedad aumenta la resistividad.
En todo caso siempre que se añade agua a un
terreno disminuye su resistividad respecto al
que tendría en seco.
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6
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DistriLuz
Variación de la resistividad en función al
porcentaje de humedad.
Rho (Ohm -m)
La Humedad
% Humedad
15%
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DistriLuz
La temperatura del terreno
La
resistividad de
los
suelos,
también
depende de la temperatura,
esta característica térmica del terreno
depende de su composición, de su grado
de
compactación
y
del
grado
de
humedad.
[email protected]
7
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DistriLuz
Variación de la resistividad del terreno en
función de la temperatura.
La Temperatura
Rho (Ohm -m)

hielo
agua
-20 -10
4
0°C
Temp. ( ° C )
10
50
90 100
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DistriLuz
La Concentración de sales disueltas
Al
presentarse
una
mayor
concentración de sales disueltas en un
terreno,
mejora
notablemente
la
conductividad
y
por
lo
tanto
la
resistividad.
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8
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DistriLuz
Variación de la resistividad del terreno en
función del % de sal.
Rho (Ohm -m)
Concentración De Sales
% de Sal
2%
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Infuencia de la compactación
• La Compactación del terreno:
• En el siguiente gráfico se muestra
cualitativamente
la influencia de la
compactación del suelo , en la variación
de la resistividad
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Rho (Ohm -m)
La Compactación del terreno:
% Humedad
W1
W2
W3
Compactación
2%
Influencia De La
Estratificación
• El suelo esta formado por capas(estratos) que
tienen diferentes resistividades y profundidades
debido a la formación geológica son generalmente
horizontales y paralelos a la superficie
• Existen estratos que se presentan en forma
inclinada o verticales debido a fallas geológicas
pero para los estudios se asumen horizontales
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Influencia De La
Estratificación

1



2
1
 
2
I
I
h

1



2
1


2
I
I
DistriLuz
OTROS FACTORES
• El efecto de gradiente de potencial
elevados.
• El calentamiento del suelo a
consecuencia de la circulación de
corrientes de puesta a tierra elevadas o
de forma prolongada
[email protected]
11
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DistriLuz
El efecto de gradiente de potencial
elevados.
Un contacto no perfecto entre un
electrodo y el terreno,
establese “en
condiciones de circulación de corriente de falla
y a partir de un cierto valor” pequeñas
descargas que originaran perforaciones en la
superficie del electrodo. La resistencia del
sistema de puesta a tierra arrojaría, en estas
condiciones, valores diferentes a los que se
hubieran obtenido cuando no se producía el
fenómeno.
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DistriLuz
CALENTAMIENTO DEL SUELO POR LA
CIRCULACIÓN DE CORRIENTES ELEVADAS
El calentamiento del suelo tiende a
incrementar su conductividad mientras no esté
acompañado de desecación. La resistividad de
una capa de terreno puede disminuir en una
relación de 2 a 1 para temperaturas entre
algunos grados y 20 a 25°C, y en una relación
del mismo orden entre 20 y 80°C.
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12
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DistriLuz
MEDICIÓN DE LA
RESISTIVIDAD
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DistriLuz
Un estrato superficial
Generalmente de tierra limosa y/o
tierra arenosa, con un espesor variable
entre 0,3 y 1,2 m, normalmente seco en
la costa y húmedo en la sierra y selva
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13
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DistriLuz
Un estrato subyacente
Constituido por conglomerados finos
y pedregosos en la costa, así como
rocosos y pedregosos en la sierra y selva
alta.
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DistriLuz
Modelo de suelo de dos
estratos (capas)
SUPERFICIEDELSUELO
ESTRATO
SUPERFICIAL
ESTRATO
SUBYACENTE

2
TIERRA LIMOSA
O ARENOSA
h1
CONGLOMERADO
TIERRA FINA
PIEDRA MENUDA
Y GRUESA
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DistriLuz
Finalidad de la medición de la
resistividad.
• Obtener la resistividad de cada estrato
o capa.
• Encontrar la profundidad de los estratos
o capa.
• Ubicación óptima de las instalaciones
de puesta a tierra.
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DistriLuz
Flujo de dispersión de la corriente en
un terreno de dos estratos.
En la Fig. se puede
observar
el
flujo
de
dispersión de la corriente
en un terreno de dos
estratos en la que se
indica los espesores que
tiene cada estrato y su
respectiva resistividad.

 
1

2
 
2
1
I
I
h

1
 
I

2
1
 
2
I
[email protected]
15
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DistriLuz
SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE
MEDICIÓN
• Componentes del instrumento
• Requisitos mínimos de los instrumentos
• Ensayos tipos.
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DistriLuz
Componentes del
instrumento
• Fuente de potencia
• Dispositivos para eliminar corrientes
electrolíticas y de inducción.
• Sistema de medida
[email protected]
16
11/12/2014
DistriLuz
Fuente de potencia
• Recomendable alterna o alterna pulsante,
capaz de vencer la resistencia propia del
circuito y del terreno, tensión entre 50 y 500
V. a una frecuencia diferente de 60 Hz.,
ejemplo 111Hz.
• Debido a la probabilidad de electrólisis no es
recomendable fuente de tensión continua.
• En el caso de instrumentos a batería deberá
disponer de rectificador estático DC/AC.
[email protected]
DistriLuz
Dispositivos para eliminar corrientes
electrolíticas y de inducción:
• Cuando la fuente es un generador manual,
un rectificador mecánico será capaz de
rectificar las corrientes electrolíticas y de
inducción, de manera que la corriente neta
por el circuito de medida sea cero.
• Cuando la fuente de potencia es una batería
operada por un convertidor o transistor, el
rectificador estático rechazará las corrientes
de frecuencia diferente al de la corriente de
prueba.
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DistriLuz
Sistema de medida
Básicamente se conocen tres sistemas de medida:
Sistema voltímetro: amperímetro o sistema ohmimétrico; ventaja: la
resistencia de los electrodos de corriente no afectan la lectura
del instrumento.
Sistema comparador: de resistencias, ofrece relativa
lectura directa.
facilidad en la
Sistema de balance nulo: debido al uso de electrodos de resistencia baja
no afecta la lectura del instrumento.
Existen sistemas combinados entre sistema ohmimétrico y el sistema de
balance nulo, mejorándose la medición de resistencias bajas.
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DistriLuz
Requisitos mínimos de los
instrumentos
•
•
•
•
•
Compactos y de fácil traslado y permitir almacenamiento de
información.
Interfase para PC, accesorios, manual, medición multipolo
(2,3,4) controlados por microprocesador.
Opción para medición con pinzas y sin estacas.
Al usar transductores de medición deben ser de similar
clase de precisión.
Deben tener certificaciones de los siguientes ensayos
tipos: ensayo de aislamiento, ensayo de compatibilidad
electromagnética, ensayos climáticos, ensayos mecánicos,
ensayo de clase de precisión.
[email protected]
18
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DistriLuz
Ensayos tipos
Certificaciones de los siguientes ensayos tipos
-
Aislamiento: IEC 61000 – 4 – 2, IEC 61010 – 1
-
Compatibilidad electromagnética: IEC 1000 – 4 – 2, IEC 61326 – 1
-
Climáticos: DIN 40040
-
Mecánicos: IEC 529, DIN 40050
-
Clase de precisión: (+/-2%)
-
Medición de RE: IEC 61557 – 5
-
Fabricación: DIN ISO 9001
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DistriLuz
CONSIDERACIONES PARA LA
MEDICIÓN
• Precauciones para la medición.
• Casos no recomendables para la
mediciones.
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19
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DistriLuz
Precauciones para la
medición
Las mediciones deben efectuarse en épocas apropiadas en la sierra en estiaje
y en la costa en verano.
•
•
•
•
•
•
•
Los electrodos de exploración deben tener un buen contacto con el terreno.
Si el terreno es deslizable remover el material suelto hasta encontrar tierra
firme.
Si el suelo tiene capa gruesa de arena verter agua en el punto de clavado
de los electrodos.
Verificar el punto de contacto de la bornera de los instrumentos y la toma
de los electrodos.
Verificar los conductores gastados para evitar puntos de degradación del
aislamiento.
Verificar la presencia de corrientes inducidas.
La resistencia de los electrodos auxiliares y conductores deben ser tal que
no influyan en las mediciones.
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DistriLuz
Casos no recomendables para
la mediciones.
Estas recomendaciones son producto de la experiencia práctica y
sirven si se desea un resultado bueno.
• Las recomendaciones a tomar en cuenta son:
• Después de una lluvia.
• Durante alta humedad ambiental.
• Cuando hay conductores pelados y no se logran buen contacto en el
conexionado.
• Durante horas de tormenta.
• Durante horas de humedad, en la que se escucha chisporroteo en los
aisladores.
• Durante la ejecución de trabajos de mantenimiento sobre la
infraestructura en las proximidades.
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DistriLuz
Métodos de medida de la
resistividad
• Por el tipo de fuente:
- Método Volt – amperímetro.
- Uso de instrumento específico.
• Por el número de electrodos utilizados:
- Método de tres electrodos.
- Método de cuatro electrodos.
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DistriLuz
Métodos de medición de resistividad
POR LA SIMETRIA DE ESPACIAMIENTO DE ELECTRODOS
• Método de Lee
• Método de Schlumberger-Palme
• Método de Frank Wenner (1915)
El método de Lee tiene inconvenientes de influencia de
la barra de prueba en la resistividad del terreno, para el
método de Schulumberger se requiere equipos de mayor
sensibilidad.
El más usado es el método de los 4 electrodos o
configuración de Dr. F. WENNER
[email protected]
21
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DistriLuz
Recomendación práctica
Se puede prescindir medir la resistividad si:
1. En instalaciones de Un < 30 kV.
2. Cuando la ICC a tierra es  a 16 kA.
En este caso se identifica el tipo de terreno visualmente y la resistividad se
obtiene de la siguiente tabla.
Valores Medios de Resistividad de Terrenos
Tabla 3-III (CNE T-I)
Naturalezadelterreno
•Terrenos cultivables y fértiles,
Terraplenes compactos y húmedos
•Terraplenes cultivables poco fértiles,
terraplenesengeneral.
•Suelos pedregosos desnudos, arenas
Secas permeables.
Valor medio de la
resistividaden-m
50
500
3000
[email protected]
DistriLuz
Método de tres electrodos para la
medición de resistividad
22
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DistriLuz
Medición de la resistividad por el
método de los cuatro electrodos.
El
principio
de
este
método está basado en la
medición de la diferencia
de potencial entre dos de
los electrodos, luego de
haber inyectado al terreno
una corriente a través de
los otros dos.

2 V
I
1
I
V
r1
r2
r3
r4
1・
・
・・ ・・
r4 ・ ・
[email protected]
DistriLuz
Configuración de Wenner
Para
esta
configuración, los
cuatro electrodos
se colocan en
una línea recta,
con
igual
separación
y
profundidad
de
penetración en el
terreno.
[email protected]
23
11/12/2014
DistriLuz
Arreglos para la configuración de
Wenner
En la configuración de Wenner, los electrodos de
corriente (C) y los electrodos de Potencial (P) pueden
tener 3 arreglos alternativos, sin alterar el resultado
de la resistividad que se va a medir, siempre y cuando
se aplique la expresión adecuada. Estos arreglos son
mostrados en la siguiente tabla, siendo el más
frecuente utilizado para las mediciones el arreglo
C – P – P – C.
[email protected]
24
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DistriLuz
Arreglos para la configuración de
Wenner
ARREGLOS ALTERNATIVOS EN LA CONFIGURACIÓN
WENNER
C–P–P–
C
1=2
a R1
P–C–C–P
C–C–P–P
2=6
a R2
3=3
a R3
P–P–C–C
C–P–C–P
P–C–P-C
[email protected]
Procedimiento práctico de WENNER
DistriLuz
A
I
-I
V
a=20L
L
 a 2
c1
a=20L
p1
p2
a=20L
c2
 a R  m
a: Separación
entre electrodos de exploración.
L: Profundidad de enterramiento del electrodo de referencia.
 a:Resistividad aparente.
R=V/A resistencia medida.
[email protected]
25
11/12/2014
DistriLuz
Medición de parámetros
 a 2
 a R  m
[email protected]
DistriLuz
Configuración de Schlumberger
Para esta configuración los
cuatro electrodos se colocan también en
línea recta, manteniendo la separación
entre electrodos centrales o de
potencial (a) constante; mientras que
los electrodos exteriores varían su
separación a partir de los electrodos
interiores, a distancias múltiplos (na) de
la separación base de los electrodos
centrales (a).
La ecuación fundamental para este caso
es:
 asch =
I
V
CPPC
1122
naana
R.n(n+1) a
[email protected]
26
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DistriLuz
RECOMENDACIÓN
PRÁCTICA
• Parámetros de diseño con medidas
Wenner.
• Parámetros de Diseño – Medida
Indirecta.
[email protected]
DistriLuz
Parámetros de diseño con
medidas Wenner.
Siendo restringido el
espacio
útil
disponible
para las
medidas de
resistividad
aparente y
riguroso el procesamiento
formal de las magnitudes
obtenidas para este caso
particular se opta por un
procedimiento expeditivo
que permite la estimación
gruesa de la resistividad
de diseño.
[email protected]
27
11/12/2014
DistriLuz
Sondeos de medida Wenner en
reducido espacio útil
Sea un suelo de alta resistividad,
típico en las ciudades de la costa
(ejemplo).
El espacio útil para medidas deberá
tener por lo menos un radio de 3,0
m
1° sondeo: Se obtiene ( 1ª = 326
-m) para una distancia (a=1,0 m)
2° sondeo: se obtiene ( 2ª = 288
-m) para una distancia (a=2,0 m)
a
1
a
1
2
2
La resistividad de diseño a (1,5 m)
de profundidad se estima en:
 
a
 1  1a 326  288

 307  m
2
2
[email protected]
DistriLuz
Parámetros de Diseño –
Medida Indirecta.
Considerando idénticas restricciones de
espacio útil, se puede aplicar la medida
de la resistencia de dispersión (R) de un
electrodo
[email protected]
28
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DistriLuz
Clavado del electrodo
explorador
Explorador de
fierro clavado a 1,0 m
de profundidad para
evaluar la resistividad
de diseño en valor
equivalente. Esta
alternativa muchas
veces no se posibilita
por la dificultad del
clavado.
MARTILLO
PESADO
PENETRACION
MINIMA
1m
ELECTRODO
EXPLORADOR
ESTRATO SUAVE
PENETRACIONFACIL
ESTRATO DURO
PENETRACIONDIFICIL
[email protected]
DistriLuz
Esquema de medida indirecta
Aplicando el método de caída de
potencial se harán dos medidas (Ri)
al electrodo explorador (C1) con
dos despliegues de electrodos (P2,
C2) clavados en suelo firme (a 0,15
m de profundidad) ambos en línea
recta radial con la que se calcula
finalmente:
 i = 1,10 Ri
[email protected]
29
11/12/2014
DistriLuz
Despliegue de medidas
indirectas
Procedimiento y Ejemplo
Tomando el mismo caso anterior:
El espacio útil para medidas
deberá tener al menos (6,0 m) de largo.
1a. Medida: se calcula ( a = 295 - m) para
(d = 5,0 m, p=3,0 m y Ra = 236 )
2da. Medida: se calcula ( b = 305  - m)
para (d= 6,0 m, p=3,7 m y Rb = 244 )
La resistividad de diseño a (1,5 m) de
profundidad resultará:
 
295  305
ab
 300 - m

2
2
[email protected]
DistriLuz
Estructura equivalente del suelo.
• Suelo homogéneo
El valor de la resistividad aparente medida para cualquier separación entre
los electrodos se va a mantener constante y coincide con el valor de la
resistividad del suelo.

1

 a =
Suelo homogéneo

1
2


2

>
1
Punto de inflexión


1
2
3

2

<
1
a (m)
[email protected]
30
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DistriLuz
INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
• Suelo estratificado de dos capas
En este modelo de suelo, existen dos tipos posibles de combinaciones,
cuyas características principales son:
-
Tendencia asintótica al comienzo y fin de la curva.
-
Un solo punto de inflexión en la gráfica de toda la curva.
a
2
a
1
 2  1
 1  2
1
2
a
a
[email protected]
DistriLuz
INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
• Suelo estratificado de tres capas
En el modelo de tres capas, existen cuatro tipos posibles de combinaciones
donde se puede observar que las curvas correspondientes a este modelo
poseen puntos de inflexión. En general, una curva de n capas puede tener
2(n-1) tipos de combinaciones y (n – 1) puntos de inflexión.
a
a
1
1
 1  2  3
 1 2  3
a
(a)
a
(b)
a
(d)
a
a
 1  2  3
 1  2  3
1
(c)
[email protected]
31
11/12/2014
DistriLuz
Métodos de Interpretación de las
mediciones de campo.
-
Método de los Quiebres.
Método acumulativo de Moore.
Método de Barnes.
Método de interpretación analítica mediante un
programa numérico.
Método de interpretación mediante curvas patrón.
[email protected]
DistriLuz
INTERPRETACIÓN MEDIANTE
CURVAS PATRÓN
Este método se basa en la
comparación de los gráficos obtenidos en
las mediciones de campo con curvas
patrón, construidas para diferentes casos
de combinaciones de capas.
[email protected]
32
11/12/2014
DistriLuz
INTERPRETACIÓN MEDIANTE
CURVAS PATRÓN
Consiste en comparar los gráficos obtenidos en las
mediciones de campo con curvas patrón. En la práctica,
existen curvas patrón para las configuraciones de Wenner y
Schlumberger, siendo más utilizadas las primeras, cuya
familia de curvas ha sido obtenida a partir de la ecuación de
Tagg.
A
Ecuación deTagg
・
・
・
n00・
・
a
・
Kn
Kn
2 ・
・
14
2
・ 2nH
・ ・ 2nH ・ ・
1
n1 ・
・
・ 4・
1・
・ ・・ A ・
・ A ・ ・・
:RESISTIVIDAD
APARENTE,
POR EL MÉTODO
DE W ENNER (OHMIOS – METRO)
DETERMINADA
 1 :RESISTIVIDAD
DE
LA
PRIMERA
CAPA
(OHMIOS – METRO)
 2 :RESISTIVIDAD
DE
LA
SEGUNDA
CAPA
(OHMIOS – METRO)
H
:PROFUNDIDAD
DE
LA
PRIMERA
CAPA
(METROS)
A
:ESPACIAMIENTO
ENTRE
ELECTRODOS
USADO EN EL MÉTODO
de W enner (metros)
K
:
Factor de reflexión K 


2
2
1
 1
[email protected]
DistriLuz
INTERPRETACIÓN de la resistividad del suelo
para un modelo de dos capas (configuración
Wenner)
1.Teniendo como base los datos de campo, graficar
las curvas de resistividad aparente en función del
alejamiento de los electrodos ( VS a en papel log –
log idéntico al de las curvas de patrón) tratando en
lo posible que sea transparente. Se recomienda un
mínimo de cuatro puntos para la obtención de cada
curva.
[email protected]
33
11/12/2014
DistriLuz
Interpretación de la resistividad del suelo para
un modelo de dos capas (configuración Wenner)
2. Superponer el papel logarítmico con la curva
obtenida experimentalmente sobre el papel con las
curvas patrón (conviene utilizar una ventana o
mesa luminosa).
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INTERPRETACIÓN de la resistividad del suelo
para un modelo de dos capas (configuración
Wenner)
3. Deslizar el papel con la curva experimental sobre
el papel con las curvas patrón, hasta obtener una
coincidencia la más perfecta posible entre la curva
experimental y una de las curvas patrón. Durante
este proceso deben mantenerse paralelos los ejes
de ambos gráficos. Si es posible un calce en tan
sólo una parte de la curva experimental, es señal
que el modelo de suelo analizado corresponderá a
más de dos capas.
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11/12/2014
DistriLuz
INTERPRETACIÓN de la resistividad del suelo
para un modelo de dos capas (configuración
Wenner)
4. Marcar en el papel con la curva experimental una cruz en
el punto correspondiente al origen (1.0) del gráfico patrón.
5. La ordenada de la cruz marcada en el gráfico de la curva
experimental indicará el valor correspondiente a
resistividad de la capa superior  1; mientras que la abscisa
indicará el valor del espesor de la capa superior h1.
la
6. Leer el valor de  2/ 1 de la curva patrón que calza con
la curva experimental, a partir del cual se calcula  2
conociendo  1 encontrado en el paso 5.
7. El espesor de la segunda capa h2 se supone que es
infinito
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Ploteo de datos obtenidos
Grafico de campo
a(m)
1
2
4
8
12
R()
587
253
80,1
15,8
5,61
a
(-m)
3688
3179
2013
794
423
a(m)
1
2
4
8
12
R()
35,6
18,9
7,84
4,7
2,65
a
(-m)
224
238
197
236
200
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Procedimiento:
 1=3600 -m
h1=3,0 m
K=  2/ 1=1/12
 2=3600/12=300-m
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Curvas patrón
resistividad Vs.
distancia de
separación
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Resultados de
mediciones de
resistividad en
subestaciones y
torres de AT
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