IEEE 81 describe tres formas de medir la resistividad del suelo además de usar muestras: el método de cuatro puntos con separación igual (Wenner) o desigual (Schlumberger-Palmer) y la variación de profundidad con una varilla. El primero explora grandes volúmenes de terreno; el segundo, el entorno de una varilla.
Respuesta corta. La resistividad del terreno se mide con cuatro sondas en línea. Si están a igual distancia se llama método Wenner; si las internas están más juntas que las externas, Schlumberger-Palmer. Una tercera opción es la variación de profundidad: se mide la resistencia de una varilla a medida que se entierra más. IEEE Std 81-2012 (cláusula 7) describe los tres y explica cómo interpretar los resultados. Este artículo se centra en el arreglo de separación desigual y en la variación de profundidad, y toma el Wenner solo como punto de comparación.
Qué es la resistividad aparente
El suelo casi nunca es uniforme. Tiene capas con resistividades distintas y estas dependen del tipo de suelo, la temperatura, la humedad, el contenido de minerales y la compactación. La guía cita valores que van desde menos de 1 Ω·m para el agua de mar hasta 10⁹ Ω·m para la arenisca. Por eso cada medición entrega una resistividad aparente: la resistividad equivalente de un volumen de terreno con propiedades variables. La curva de resistividad aparente contra separación o profundidad es la que revela la estructura del suelo.
Información geológica y muestras
Antes de medir, la cláusula 7.2.1 recomienda reunir lo que ya se sabe del sitio. Si hubo estudios geotécnicos, conviene obtener el tipo de suelo de cada capa, el contenido de humedad, el pH y la profundidad del agua subterránea. Medir la resistencia entre caras opuestas de una muestra de dimensiones conocidas no se recomienda: incluye resistencias de contacto desconocidas entre la muestra y los electrodos. Además es difícil tomar una muestra homogénea y representativa y repetir en el recipiente la compactación y la humedad originales.
Cuatro puntos con separación desigual: Schlumberger-Palmer
En el arreglo Wenner, las cuatro sondas se separan una distancia a. La guía señala dos desventajas. La tensión entre las sondas internas cae rápidamente al aumentar la separación, lo que antes superaba la sensibilidad de los instrumentos, aunque los equipos modernos lo mitigan. Y hay que reubicar las cuatro sondas para cada profundidad.
En el arreglo Schlumberger-Palmer las sondas internas, separadas una distancia d, quedan juntas, y las externas se ubican a una distancia c de cada una de las internas. Para cada nueva profundidad solo se reubican las externas. Eso lo hace más rápido y útil cuando las sondas de corriente están muy separadas o cuando se quiere medir con varias posiciones de la sonda de corriente.
Con las sondas enterradas a poca profundidad respecto a d y c, y con c mayor que 2d, la resistividad aparente es:
ρ = π · c · (c + d) · R / d
donde R es la relación entre la tensión medida entre las sondas internas y la corriente inyectada entre las externas. Corresponde a la ecuación (4) de la guía. El resultado es la resistividad aparente hasta una profundidad aproximada de (2c + d)/2, que es la distancia desde el centro del arreglo hasta las sondas externas de corriente.
Variación de profundidad (tres puntos)
Se mide la resistencia de una varilla vertical repetidas veces mientras se entierra más. Con cada incremento, la corriente de prueba atraviesa suelo más profundo, y la resistencia refleja la resistividad aparente a esa profundidad. La guía prefiere varillas por dos razones. Su resistencia teórica se calcula con facilidad y buena precisión. Y al clavarlas se confirma hasta dónde se puede llegar durante la instalación. Una desventaja es que la varilla puede vibrar al hincarla y perder contacto con el suelo a lo largo de su longitud, lo que dificulta la conversión a resistividad aparente.
Este método da información sobre el suelo cercano a la varilla, hasta cinco a diez veces su longitud. Para áreas grandes, varias ubicaciones de varilla indican si hay cambios laterales. Si interesa un volumen grande de terreno, la guía considera preferible el método de cuatro puntos, porque hincar varillas muy largas no siempre es práctico.
Cómo se interpretan los resultados
Interpretar es, según la guía, la parte más difícil de la medición. Salvo pocos casos, hay que construir un modelo equivalente simple del terreno. Depende de la exactitud y alcance de las mediciones, del método usado, de la complejidad matemática aceptada y del propósito. En instalaciones eléctricas, el modelo de dos capas horizontales suele ser suficientemente exacto en muchos casos. También existen programas que ajustan modelos de varias capas.
Con variación de profundidad, la curva de resistividad aparente contra profundidad de la varilla se compara con modelos de suelo uniforme o de dos capas. La guía muestra un suelo de dos capas, con 300 Ω·m arriba y 100 Ω·m abajo, donde la curva parte cerca de 300 Ω·m para varillas de 0 a 6 m y se acerca a 100 Ω·m con mayor profundidad. En el caso inverso, con 100 Ω·m arriba y 300 Ω·m abajo, el valor profundo no se alcanza a leer en la curva: hace falta seguir hincando o aplicar un ajuste analítico.
Con cuatro puntos, la curva de resistividad aparente contra separación guarda una relación similar con la estructura del terreno. Para estimar el espesor de las capas existen reglas empíricas. La de Gish y Rooney ubica un cambio de formación a una profundidad igual a la separación en la que la curva cambia de curvatura. La de Lancaster-Jones toma dos tercios de la separación del punto de inflexión. La guía las ilustra con un suelo de dos capas de 6,1 m de espesor, y advierte que ninguna de esas reglas aproximadas predijo esa profundidad. La resistividad aparente cambia siempre a la derecha de la separación que corresponde al cambio real del terreno, y con una amplitud igual o menor.
| Separación entre sondas (suelo 300 Ω·m sobre 100 Ω·m, capa de 6,1 m) | Resistividad aparente |
|---|---|
| 0,3 m | 300,0 Ω·m |
| 6,1 m | 248,7 Ω·m |
| 15,2 m | 144,5 Ω·m |
| 45,7 m | 103,1 Ω·m |
Qué separación de sondas hace falta
El efecto de la separación sobre la precisión del modelo de suelo se resume en la Tabla 4 de la guía, tomada de un estudio con suelos de dos capas perfectos. Con una separación del 40 % de la longitud de la malla, el error en la resistencia de la malla va de −50 % a +30 %. En las tensiones de paso y de contacto (en porcentaje del GPR) va de −20 % a +110 %. Con 100 % de la longitud, de −33 % a +9 % y de −8 % a +50 %. Con 300 %, de −17 % a +9 % y de −8 % a +20 %. La conclusión de la guía: separaciones del orden de la dimensión de la malla dan suficiente precisión para las tensiones, pero para estimar la resistencia de forma conservadora hacen falta más de tres veces esa dimensión.
Interferencias
Cerca de las sondas, las estructuras metálicas y los circuitos pueden falsear la lectura. Las interferencias pasivas son cercas metálicas, tierras de postes, cimentaciones grandes, objetos conductores enterrados y tuberías. Actúan como cortocircuitos que distorsionan los potenciales del suelo. Las activas son líneas paralelas de transmisión o distribución, circuitos de comunicación paralelos y corrientes continuas parásitas, que suman o restan corriente a la inyectada. La guía pide sondas de un material que minimice las tensiones galvánicas, medir en varios perfiles alrededor del área y repetir una medición girada 90°: los valores deben ser parecidos. Los factores que cambian la resistividad del suelo se explican en Resistividad del suelo: factores y tratamiento químico. La resistividad de la capa de grava del patio se mide con otros procedimientos: vea Resistividad de la grava de una subestación: cómo se mide. Si el modelo de suelo se usa para calcular la resistencia de la malla, por qué el valor calculado y el medido difieren explica la diferencia.
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Referencias
- IEEE Std 81-2012, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System: cláusulas 7.1 a 7.4 y Tabla 4; ecuaciones (3) y (4); Tablas 3 y 4.
- IEEE Std 80, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la ventaja del método Schlumberger frente al Wenner?
En el Wenner hay que mover las cuatro sondas para cada profundidad. En el Schlumberger-Palmer las sondas internas quedan fijas y solo se reubican las externas, por lo que es más rápido al medir a varias profundidades. También soluciona la caída rápida de la tensión entre las sondas internas cuando la separación crece.
¿Se puede medir la resistividad con una muestra de suelo en el laboratorio?
IEEE 81 no lo recomienda. El valor medido entre caras opuestas de una muestra incluye resistencias de contacto desconocidas, y es difícil conseguir una muestra representativa y reproducir la compactación y la humedad originales.
¿Qué separación de sondas hace falta para calcular tensiones de paso y de contacto?
Según el estudio que cita la guía, separaciones del orden de la dimensión de la malla dan precisión suficiente para tensiones de paso y de contacto. Para estimar la resistencia de la malla de forma conservadora se necesitan separaciones de más de tres veces su dimensión.