Estimation of the Unfrozen Water Content Based on a Joint Electrical and Acoustic Method

Abstract

Frossen jord består av ufrossent vann, is og jordmateriale. Innholdet av ufrossent vann reduserer jordens styrke og fører til økte setninger. I denne masteroppgaven evalueres en metode som bruker både elektrisk motstand og akustisk primærbølgehastighet til å estimere innholdet av ufrossent vann i frossen sand og leire. Til dette har Archie's law og Weighted equation blitt brukt. Forsøkene viser at ved lavere temperaturer, når jorden fryser, vil resistiviteten og P-bølge hastigheten i prøven øke. Samtidig øker innholdet av is og innholdet av ufrossent vann synker, men alt vannet fryser ikke. Jordtypen, porøsiteten i jorda og porevannets saltinnhold er faktorer som påvirker innholdet av ufrossent vann. Det kan være utfordrende å bestemme når den første P-bølgen inntreffer, derfor er det blitt etablert en metode som bestemmer dette punktet. Denne metoden kan utføres både manuelt og automatisk.

Det er også utført laboratorieforsøk hvor en jordprøve fryses fra den ene enden, slik som i naturen. Ved å gjøre dette kan man observere hvordan frysefronten forflytter seg og dannelsen av islinser.

Frozen soil is a multi-phase material consisting of unfrozen water, ice, and soil. The unfrozen water content affects the strength and the creep behavior of the soil. In this thesis, a joint electrical and acoustic measurement method is evaluated, and estimates of the unfrozen water content based on the conducted results are made. From this method, the resistivity and the P-wave velocity were obtained and Archie's law and the Weighted equation were used to estimate the unfrozen water content. It was found that when the samples froze the resistivity and the P-wave velocity in the samples increased. At the same time, the unfrozen water content decreased. The soil type, the porosity of the soil, and the pore water salinity have a big impact on the unfrozen water content. The first arriving P-wave can be tricky to determine, as it is not a fixed point. Therefore, a method that works for both manually and automatically determination of this point has been established.

Further, one-dimensional freezing in frozen clay was also observed. With this method, the natural freezing process of the soil was simulated, as the soil froze from one end. By doing this, it was possible to observe how the freezing front moved and how ice lenses formed in the sample.