7.1 总 则
不管测量土壤电阻率的目的如何，其测量技术实际上是一样的。但是对测试数据的分析却可能是多样的，在遇到有多种土壤电阻率的土壤时，情况更是如此。多种土壤电阻率引起额外的复杂性是通常现象，而在深度增加时土壤电阻率不变化也是很少有的现象。
土壤电阻率不仅随土壤的类型变化，且随温度、湿度、含盐量和土壤的紧密程度而变化（图1）。
图1土壤电阻率曲线
海水地区的土壤电阻率为0.01～1Ω·m；砂岩地区的土壤电阻率能高到109Ω·m。温度自25℃向0℃下降时，土壤电阻率随之缓慢上升；在O℃以下，则迅速上升；而冻土（如冬天的表层土壤）的土壤电阻率可能非常地高。
表1列出各种土壤和各种岩石的电阻率，该表具有简明的优点。
通常土壤有若干层，层与层的土壤电阻率是不同的。土壤电阻率的横向变化也存在，但通常是渐变的，在测量地段附近可不考虑土壤电阻率的横向变化。
在大多数情况下，测量数据表明，土壤电阻率Pa主要是深度z的函数。为便于表达，此函数可写成如下式：
Pu=φ（z）……………………………………（1）
式中： Pu——土壤电阻率；
z——深度。
函数φ（z）的特性一般说来不是简单的，因而为分析测试数据，最好先建立一个能给出最优近似值的简单的等值函数φe。对于电力线路和通信线路，取两个水平层的土壤构造和指数函数的土壤构造，可得到较好的近似值，在进行接地系统设计时，该值是有用的。
接地极或临近接地极的地面电位梯度主要是上层土壤电阻率的函数，可是，接地极的接地电阻却主要是深层土壤电阻率的函数，在接地极非常大时更是如此。
注：在接地极埋在土壤电阻率特别高的上层土壤的极端情况下，上述结论不适用。
输电线路的工频接地参数受不同电阻率的各层土壤的影响，而载波频率、无线电频率或冲击波的地回路阻抗实际上仅仅受上层几米土壤层的影响。
上述情况说明需要对表层和深层土壤同时进行土壤电阻率的测量。用这种方法可取得许多数据，而对应每个数据，测试电流都和周围土壤电阻率的增量有关。
表1地质期和地质构造与土壤电阻率
7.2 测量土壤电阻率的方法
7.2.1 地质资料和土壤试样
通常，在要安装接地网的地方，总要进行大规模的土建工程为此要进行地质勘探，以获取有关土壤特性和构造的大量资料。这对试图取得这些资料的电气工程师会大有帮助。用已知尺寸的土壤试样相对两面间所测得的电阻值，来确定土壤电阻率是不妥的，因为该值包含了土壤试样和电极的接触电阻，而这是未知的。
如果对土壤试样进行四端电阻测量，则可得到较准确的测定结果。电位端子的尺寸与试样的截面相比应较小，且应与电流端子相距较远，以保持试样的电流分布近于均匀。如果此距离与试样截面大边的尺寸相同，即足以满足测量要求。
然而，对试样进行电阻率测量，以得到土壤电阻率的有用近似值是困难的，且在某种情况下是不可能的。这是由于难于得到有代表性的、均匀的土壤试样，和难于在试验槽中复制原有土壤的紧密性和水分含量。
7.2.2 深度变化法（三点法）
此法又名三点法，用此法需多次测量接地电阻，每次测量时，被试电极的埋地深度需加深一给定量，其目的是迫使更多的测试电流流过深层土壤。所测的电阻值将反映深度增加时土壤电阻率的变化。通常被试电极是一根细长的棒。用细长的棒而不用其他型式的电极作被试电极，是因为细长的棒有两个重要优点：
(1）准确计算接地棒的理论接地电阻值比较简单，因而分析测试结果较容易；
(2）将接地棒打人土壤的操作较容易。
用8.2条所述的任一方法，就可进行上述测量。然而，所测得的接地电阻值应尽可能准确，以便能与理论接地电阻值比较。因此，优先用电位降法测量较好。
深度变化法能测量到被试电极邻近地区（相当于该被试电极地下部分长度的5～10倍）的土壤特性。如要测量大体积的土壤，则应用四点法测量，因为将长的被试电极打人土壤是不现实的。
7.2.3 两点法
可用西坡（Shepard）土壤电阻率测定仪和相似的两点法在现场粗略地测量来经翻动过的土壤的电阻率。这种装置包括一个小的铁电极和一个更小的铁电极，二者都附在绝缘杆上。电池的正极通过一只毫安表连接到较小的电极上，而电池的负极则连接到另一电极。该仪器可在电池标称电压上校准，直接显示Ω·cm值。这种仪器易于携带，通过将电极打人地中或挖掘坑土壤的侧壁或底部，可在短时间内对小块土壤进行大量测量。
7.2.4 四点法
要对大体积未翻动过的土壤进行土壤电阻率的测量，最准确的方法是四点法。将小电极埋人被测土壤呈一字排列的四个小洞中，埋人深度均为b，直线间隔均为“。测试电流I流人外侧两电极，而内侧两电极间的电位差V可用电位差计或高阻电压表测量。V/I即为用Ω表示的电阻R。
通常采用四点法的两种型式：
(l）等距法或温纳（Wenner）法
采用此种方法时，电极按图3a）等距布置口设a为两邻近电极间距，则以a,b的单位表示的电阻率ρ为
式中：ρ——视在土壤电阻率；
R——所测电阻；
a——电极间距；
b——电极深度。
注：视在土壤电阻率指与土壤电阻率真实值有区别的一种近似值，详见图4与附录A。
必须说明，上式不适用于打入深度为b的接地棒，该式仅适用于埋在深度b的带绝缘连接线的小电极。然而实际上，四个电极通常置于间距为a的直线上，入地深度不超过0.la，因而可假定b=O，则公式简化为：
ρ＝2πaR…………………………………………（3）
从而得出深度直到a的视在土壤电阻率。
图2典型视在土壤电阻率曲线
在各种电极间距时得出的一组数据即为各种视在土壤电阻率，以该数据与间距的关系绘成曲线，即可判断该地区是否存在多种土壤层或是否有岩石层，还可判断其各自的电阻率和深度（图2）。
(2）非等距法或施伦贝格-巴莫（Schlumberger-Palmer）法
温纳（Wenner）法的一个缺点是当电极间距增到相当大时，内侧两个电极的电位差迅速下降，通常用仪器测不出如此低的电位差。为了能测量大间距电流极时的土壤电阻率，可用图3b）的布置方式。此时电位极布置在相应的电流极附近，如此可升高所测的电位差值。
此种布置的计算公式很易于确定，如果电极的埋地深度b与其距离d和c相较甚小时，则所测得电阻率可按下式计算：
ρ＝πc(c+d)R/d………………………………（4）
式中：ρ——视在土壤电阻率；
R——所测电阻；
c——电流极与电位极间距；
d——电位极间距。
图3四点法
7.3 测试数据的分析
对现场测试数据的分析或许是测量过程中最困难的部分。正如7.1条所述，由于土壤构造的不均匀性，土壤电阻率的变化是大而且复杂的。除少数情况外，有必要对土壤构造建立一个简单的等值模型，此模型取决于：
(l）测量的准确性和范围；
(2）所用的测量方法；
(3）所用数学的复杂性；
(4）测量的目的。
对于电力工程，在不使用过多数学的条件下，两层等值模型是足够准确的。
7.3.1 地质资料和土壤试样
为分析由地质勘探所提供的资料，不必用专门的工具或数学方程式。
7.3.2 深度变化法（三点法，附录A)
在下列分析中，假定被试电极是一个打人深度为Z的接地棒。与l相比较，接地棒的半径r是小的。对于其他型式的被试电极，其计算方法与以下所列者相似。
埋在同质土壤内的接地棒的接地电阻为：
或者为：
式中：R——接地电阻；
ρ——视在土壤电阻率；
l——接地棒埋深；
r——接地棒半径。
此二式选用那一个，取决于近似的程度。从接地棒埋深的每一l值所测得的电阻值R，可得出视在土壤电阻率ρ，将ρ与对应的l值绘成曲线，可看出土壤电阻率随深度变化的情况。为更清楚起见，现假设从现场测试数据得出如图4所示的曲线。
图4土壤电阻率随深度的变化
从曲线可知，土壤构造至少可分为三层，在浅层土壤（深2～5m)，土壤电阻率为210Ω·m，在中层土壤，土壤电阻率为浅层土壤的2～2.5倍，仅看曲线不易确定中层土壤的厚度，第三层土壤导电良好，其电阻率肯定低于l00Ω·m。然而，仅凭查看曲线还不可能得到真实值。可有两种办法取得真实值：
(1）将接地棒更深地打人土壤，继续测量；
(2）从所测的测据，用分析技术计算等值土壤构造。
继续增加测量次数肯定会有助于取得第三层的土壤电阻率，然而上两层的厚度仍不易于确定，而且，将接地棒打得很深可能是困难的和费用太大。其他的办法可以是：假定土壤是同质的；土壤是两层（或以上）的构造；土壤由电阻率随深度按简单的数学规律（线性，指数函数…）变化的土质构成等。
在这种土壤模型中接地棒的接地电阻是已知的，或者可以较容易地计算出来（附录A）。用简单的计算机程序或用试探法，就可得到与测试结果吻合得很好的土壤模型数据（附录B）。
前面已提到，用深度变化法无法测得距被试电极较远地区（距离大于被试电极地下部分长度的5～10倍）的土壤电阻率。
7.3.3 两点法
由于本法仅适用于测量小块土壤的电阻率，因此不用对测试数据进行分析。
7.3.4 四点法
四点法的分析法与7.3.2条三点法的分析法相似。在温纳（Wenner）布置中，所测的视在土壤电阻率与电极间距a的关系用曲线表示，此曲线即表示该土壤的构造。由于从曲线不易确定各层土壤的厚度，就有许多确定土壤层厚的经验方法如：
(l）吉什-龙尼（The Gish and Rooncg）法
该法通过土壤电阻率曲线形状的变化判断，在曲线曲率转折或变化时，与电极间距相等的深度处，开始出现另一层土壤。
(2）兰开斯特-琼斯（The Lancaster-Jones）法
该法认为在出现曲率转折点时，即是下一层土壤，其深度为所对应电极间距的2/3处。然而，较好的办法还是采取如下的土壤模型：
(a）土壤的土壤电阻率不变化，即土壤是同质的；
(b）土壤有几个水平土壤层，每层土壤电阻率不变化（附录A);
(c）土壤有按指数函数变化的土壤电阻率（附录八）。
对于以上每一种模型，其视在土壤电阻率与各种土壤参数间的数学关系，应是已知的，或是易于计算的。某些经常使用的分析方法在附录B中有叙述。
现给出指数函数型及两层土壤模型的解法，使用合适的分析方法可得到与测试数据一致的曲线，从中得出所需的土壤参数，图5示出用土壤模型（b）和土壤模型（c）得出的曲线。
要根据测量目的选取最佳模型，通常用两层土壤模型能得到较好的结果。
图5视在土壤电阻率与电极间距的关系实例
7．4 仪器
7.4.1 两点法
用西坡（Shepard）土壤电阻率测定仪或类似的仪器（7.2条）。
7.4.2 四点法和深度变化法（三点法）
可使用下列任一种仪器（12章）:
(1）带电流表和高阻电压表的电源；
(2）比率欧姆表；
(3）双平衡电桥；
(4）单平衡变压器；
(5）感应极化发送器和接收器。
用不同的接线方式和端子，这些仪器既可测量接地电阻，也可测量土壤电阻率。
在感应极化测量中，间距通常要达到1000m。由于间距长，其电阻往往小到几百分之一欧姆的数量级。这就要用带有高达180V电池电源的灵敏直流电位差计测量。对于较短的间距，使用比率欧姆表、双平衡电桥、单平衡变压器就可以了。对于某些仪器，需对电位极的电阻进行校正，通常可从仪器制造厂得到校正系数。
感应极化发送器的额定功率通常为几百瓦。然而，对于大的间距或极高的上层土壤电阻率，可能需要用超过I000W的发送器。
7.1 总 则
不管测量土壤电阻率的目的如何，其测量技术实际上是一样的。但是对测试数据的分析却可能是多样的，在遇到有多种土壤电阻率的土壤时，情况更是如此。多种土壤电阻率引起额外的复杂性是通常现象，而在深度增加时土壤电阻率不变化也是很少有的现象。
土壤电阻率不仅随土壤的类型变化，且随温度、湿度、含盐量和土壤的紧密程度而变化（图1）。
图1土壤电阻率曲线
海水地区的土壤电阻率为0.01～1Ω·m；砂岩地区的土壤电阻率能高到109Ω·m。温度自25℃向0℃下降时，土壤电阻率随之缓慢上升；在O℃以下，则迅速上升；而冻土（如冬天的表层土壤）的土壤电阻率可能非常地高。
表1列出各种土壤和各种岩石的电阻率，该表具有简明的优点。
通常土壤有若干层，层与层的土壤电阻率是不同的。土壤电阻率的横向变化也存在，但通常是渐变的，在测量地段附近可不考虑土壤电阻率的横向变化。
在大多数情况下，测量数据表明，土壤电阻率Pa主要是深度z的函数。为便于表达，此函数可写成如下式：
Pu=φ（z）……………………………………（1）
式中： Pu——土壤电阻率；
z——深度。
函数φ（z）的特性一般说来不是简单的，因而为分析测试数据，最好先建立一个能给出最优近似值的简单的等值函数φe。对于电力线路和通信线路，取两个水平层的土壤构造和指数函数的土壤构造，可得到较好的近似值，在进行接地系统设计时，该值是有用的。
接地极或临近接地极的地面电位梯度主要是上层土壤电阻率的函数，可是，接地极的接地电阻却主要是深层土壤电阻率的函数，在接地极非常大时更是如此。
注：在接地极埋在土壤电阻率特别高的上层土壤的极端情况下，上述结论不适用。
输电线路的工频接地参数受不同电阻率的各层土壤的影响，而载波频率、无线电频率或冲击波的地回路阻抗实际上仅仅受上层几米土壤层的影响。
上述情况说明需要对表层和深层土壤同时进行土壤电阻率的测量。用这种方法可取得许多数据，而对应每个数据，测试电流都和周围土壤电阻率的增量有关。
表1地质期和地质构造与土壤电阻率
7.2 测量土壤电阻率的方法
7.2.1 地质资料和土壤试样
通常，在要安装接地网的地方，总要进行大规模的土建工程为此要进行地质勘探，以获取有关土壤特性和构造的大量资料。这对试图取得这些资料的电气工程师会大有帮助。用已知尺寸的土壤试样相对两面间所测得的电阻值，来确定土壤电阻率是不妥的，因为该值包含了土壤试样和电极的接触电阻，而这是未知的。
如果对土壤试样进行四端电阻测量，则可得到较准确的测定结果。电位端子的尺寸与试样的截面相比应较小，且应与电流端子相距较远，以保持试样的电流分布近于均匀。如果此距离与试样截面大边的尺寸相同，即足以满足测量要求。
然而，对试样进行电阻率测量，以得到土壤电阻率的有用近似值是困难的，且在某种情况下是不可能的。这是由于难于得到有代表性的、均匀的土壤试样，和难于在试验槽中复制原有土壤的紧密性和水分含量。
7.2.2 深度变化法（三点法）
此法又名三点法，用此法需多次测量接地电阻，每次测量时，被试电极的埋地深度需加深一给定量，其目的是迫使更多的测试电流流过深层土壤。所测的电阻值将反映深度增加时土壤电阻率的变化。通常被试电极是一根细长的棒。用细长的棒而不用其他型式的电极作被试电极，是因为细长的棒有两个重要优点：
(1）准确计算接地棒的理论接地电阻值比较简单，因而分析测试结果较容易；
(2）将接地棒打人土壤的操作较容易。
用8.2条所述的任一方法，就可进行上述测量。然而，所测得的接地电阻值应尽可能准确，以便能与理论接地电阻值比较。因此，优先用电位降法测量较好。
深度变化法能测量到被试电极邻近地区（相当于该被试电极地下部分长度的5～10倍）的土壤特性。如要测量大体积的土壤，则应用四点法测量，因为将长的被试电极打人土壤是不现实的。
7.2.3 两点法
可用西坡（Shepard）土壤电阻率测定仪和相似的两点法在现场粗略地测量来经翻动过的土壤的电阻率。这种装置包括一个小的铁电极和一个更小的铁电极，二者都附在绝缘杆上。电池的正极通过一只毫安表连接到较小的电极上，而电池的负极则连接到另一电极。该仪器可在电池标称电压上校准，直接显示Ω·cm值。这种仪器易于携带，通过将电极打人地中或挖掘坑土壤的侧壁或底部，可在短时间内对小块土壤进行大量测量。
7.2.4 四点法
要对大体积未翻动过的土壤进行土壤电阻率的测量，最准确的方法是四点法。将小电极埋人被测土壤呈一字排列的四个小洞中，埋人深度均为b，直线间隔均为“。测试电流I流人外侧两电极，而内侧两电极间的电位差V可用电位差计或高阻电压表测量。V/I即为用Ω表示的电阻R。
通常采用四点法的两种型式：
(l）等距法或温纳（Wenner）法
采用此种方法时，电极按图3a）等距布置口设a为两邻近电极间距，则以a,b的单位表示的电阻率ρ为
式中：ρ——视在土壤电阻率；
R——所测电阻；
a——电极间距；
b——电极深度。
注：视在土壤电阻率指与土壤电阻率真实值有区别的一种近似值，详见图4与附录A。
必须说明，上式不适用于打入深度为b的接地棒，该式仅适用于埋在深度b的带绝缘连接线的小电极。然而实际上，四个电极通常置于间距为a的直线上，入地深度不超过0.la，因而可假定b=O，则公式简化为：
ρ＝2πaR…………………………………………（3）
从而得出深度直到a的视在土壤电阻率。
图2典型视在土壤电阻率曲线
在各种电极间距时得出的一组数据即为各种视在土壤电阻率，以该数据与间距的关系绘成曲线，即可判断该地区是否存在多种土壤层或是否有岩石层，还可判断其各自的电阻率和深度（图2）。
(2）非等距法或施伦贝格-巴莫（Schlumberger-Palmer）法
温纳（Wenner）法的一个缺点是当电极间距增到相当大时，内侧两个电极的电位差迅速下降，通常用仪器测不出如此低的电位差。为了能测量大间距电流极时的土壤电阻率，可用图3b）的布置方式。此时电位极布置在相应的电流极附近，如此可升高所测的电位差值。
此种布置的计算公式很易于确定，如果电极的埋地深度b与其距离d和c相较甚小时，则所测得电阻率可按下式计算：
ρ＝πc(c+d)R/d………………………………（4）
式中：ρ——视在土壤电阻率；
R——所测电阻；
c——电流极与电位极间距；
d——电位极间距。
图3四点法
7.3 测试数据的分析
对现场测试数据的分析或许是测量过程中最困难的部分。正如7.1条所述，由于土壤构造的不均匀性，土壤电阻率的变化是大而且复杂的。除少数情况外，有必要对土壤构造建立一个简单的等值模型，此模型取决于：
(l）测量的准确性和范围；
(2）所用的测量方法；
(3）所用数学的复杂性；
(4）测量的目的。
对于电力工程，在不使用过多数学的条件下，两层等值模型是足够准确的。
7.3.1 地质资料和土壤试样
为分析由地质勘探所提供的资料，不必用专门的工具或数学方程式。
7.3.2 深度变化法（三点法，附录A)
在下列分析中，假定被试电极是一个打人深度为Z的接地棒。与l相比较，接地棒的半径r是小的。对于其他型式的被试电极，其计算方法与以下所列者相似。
埋在同质土壤内的接地棒的接地电阻为：
或者为：
式中：R——接地电阻；
ρ——视在土壤电阻率；
l——接地棒埋深；
r——接地棒半径。
此二式选用那一个，取决于近似的程度。从接地棒埋深的每一l值所测得的电阻值R，可得出视在土壤电阻率ρ，将ρ与对应的l值绘成曲线，可看出土壤电阻率随深度变化的情况。为更清楚起见，现假设从现场测试数据得出如图4所示的曲线。
图4土壤电阻率随深度的变化
从曲线可知，土壤构造至少可分为三层，在浅层土壤（深2～5m)，土壤电阻率为210Ω·m，在中层土壤，土壤电阻率为浅层土壤的2～2.5倍，仅看曲线不易确定中层土壤的厚度，第三层土壤导电良好，其电阻率肯定低于l00Ω·m。然而，仅凭查看曲线还不可能得到真实值。可有两种办法取得真实值：
(1）将接地棒更深地打人土壤，继续测量；
(2）从所测的测据，用分析技术计算等值土壤构造。
继续增加测量次数肯定会有助于取得第三层的土壤电阻率，然而上两层的厚度仍不易于确定，而且，将接地棒打得很深可能是困难的和费用太大。其他的办法可以是：假定土壤是同质的；土壤是两层（或以上）的构造；土壤由电阻率随深度按简单的数学规律（线性，指数函数…）变化的土质构成等。
在这种土壤模型中接地棒的接地电阻是已知的，或者可以较容易地计算出来（附录A）。用简单的计算机程序或用试探法，就可得到与测试结果吻合得很好的土壤模型数据（附录B）。
前面已提到，用深度变化法无法测得距被试电极较远地区（距离大于被试电极地下部分长度的5～10倍）的土壤电阻率。
7.3.3 两点法
由于本法仅适用于测量小块土壤的电阻率，因此不用对测试数据进行分析。
7.3.4 四点法
四点法的分析法与7.3.2条三点法的分析法相似。在温纳（Wenner）布置中，所测的视在土壤电阻率与电极间距a的关系用曲线表示，此曲线即表示该土壤的构造。由于从曲线不易确定各层土壤的厚度，就有许多确定土壤层厚的经验方法如：
(l）吉什-龙尼（The Gish and Rooncg）法
该法通过土壤电阻率曲线形状的变化判断，在曲线曲率转折或变化时，与电极间距相等的深度处，开始出现另一层土壤。
(2）兰开斯特-琼斯（The Lancaster-Jones）法
该法认为在出现曲率转折点时，即是下一层土壤，其深度为所对应电极间距的2/3处。然而，较好的办法还是采取如下的土壤模型：
(a）土壤的土壤电阻率不变化，即土壤是同质的；
(b）土壤有几个水平土壤层，每层土壤电阻率不变化（附录A);
(c）土壤有按指数函数变化的土壤电阻率（附录八）。
对于以上每一种模型，其视在土壤电阻率与各种土壤参数间的数学关系，应是已知的，或是易于计算的。某些经常使用的分析方法在附录B中有叙述。
现给出指数函数型及两层土壤模型的解法，使用合适的分析方法可得到与测试数据一致的曲线，从中得出所需的土壤参数，图5示出用土壤模型（b）和土壤模型（c）得出的曲线。
要根据测量目的选取最佳模型，通常用两层土壤模型能得到较好的结果。
图5视在土壤电阻率与电极间距的关系实例
7．4 仪器
7.4.1 两点法
用西坡（Shepard）土壤电阻率测定仪或类似的仪器（7.2条）。
7.4.2 四点法和深度变化法（三点法）
可使用下列任一种仪器（12章）:
(1）带电流表和高阻电压表的电源；
(2）比率欧姆表；
(3）双平衡电桥；
(4）单平衡变压器；
(5）感应极化发送器和接收器。
用不同的接线方式和端子，这些仪器既可测量接地电阻，也可测量土壤电阻率。
在感应极化测量中，间距通常要达到1000m。由于间距长，其电阻往往小到几百分之一欧姆的数量级。这就要用带有高达180V电池电源的灵敏直流电位差计测量。对于较短的间距，使用比率欧姆表、双平衡电桥、单平衡变压器就可以了。对于某些仪器，需对电位极的电阻进行校正，通常可从仪器制造厂得到校正系数。
感应极化发送器的额定功率通常为几百瓦。然而，对于大的间距或极高的上层土壤电阻率，可能需要用超过I000W的发送器。