Joint Electrical and Acoustic Measurements for Unfrozen Water Content in Frozen Soil

Abstract

Innholdet av frossent vann bestemmer den mekaniske, termiske og hydrauliske egenskapene til den frosne bakken. Denne oppgaven foreslår å bruke en elektrisk og akustisk målemetode med en tilhørende ledningsmodell for å estimere den frosne vannmetningen nøyaktig og effektivt. For å utvikle en felles modell, bør en større felles måledatabase først bygges opp. Derfor utviklet vi et felles målesystem som kan samle og behandle elektriske og akustiske data samtidig, inkludert utvikling av testapparatet og LabVIEW -programmet. Systemet har blitt kalibrert ved å justere testapparatet og optimalisere databehandlingen. Målingene av dummyprøver har vist seg å være i samsvar med tidligere undersøkelser og et kjøpt presisjonsinstrument. Med dette fellessystemet samlet vi et godt sett eksperimentelle data om den elektriske resistiviteten og p-bølgehastigheten til to sett med Halden Silt prøver med ulik saltholdighet ved forskjellige temperaturer. Målingene er verifisert for å samsvare med eksperimentelle resultater fra tidligere troverdige publikasjoner og lokalisere innenfor Hashin-Shtrikman-grensene. Til slutt, ved å verifisere inkonsekvensen av ufrosset vannmetning estimert av to enkle elektriske og akustiske modeller, avslørte vi motivasjonen for å utvikle en felles elektrisk og akustisk metode for å estimere det ufrosne vanninnholdet mer nøyaktig. Fugemodellen foreslås å bruke den samme geometriske forutsetningen som styres av en geometrisk koeffisient. Deretter kan den geometriske koeffisienten og den ufrosne vannmetningen løses samtidig med leddmålingsdataene.

The content of unfrozen water determines the mechanical, thermal and hydraulic properties of the frozen ground. This thesis suggests using a joint electrical and acoustic measurement method with a corresponding joint model to estimate the unfrozen water saturation accurately and efficiently. To develop a joint model, a larger joint measurement database should be built up first. Therefore, we developed a joint measurement system which can collect and process the electrical and acoustic data simultaneously, including developing the test apparatus and the LabVIEW program. The system has been calibrated by adjusting the test apparatus and optimising data processing. The measurements of dummy samples have been proved to be consistent with previous researches and a purchased precision instrument. With this joint system, we collected a good set of experimental data of the electrical resistivity and the p-wave velocity of two sets of Halden Silt samples with different salinity at different temperatures. The measurements have been verified to match the experimental results from previous credible publications and locate within the Hashin-Shtrikman bounds. In the end, by verifying of the inconsistency of unfrozen water saturation estimated by two single electrical and acoustic models, we revealed the motivation of developing a joint electrical and acoustic method for estimating the unfrozen water content more accurately. The joint model is suggested to use the same geometric assumption which controlled by one geometric coefficient. Then, with the joint measurement data, the geometric coefficient and the unfrozen water saturation can be solved simultaneously.