Laboratory characterization of the spatial variability in soils by the EM-wave-based technique

Abstract

A slim-form, open-ended coaxial probe with an outside diameter of 2.2 mm was used in this study to take local dielectric measurements in soils. The dielectric relaxation strength of bulk water, Á w , and the DC conductivity of the saturated sample, mix , are jointly used to characterize the spatial variability of different specimens including glass beads, sand and mica samples, and kaolinite sediments with two different fabric associations. The pore distribution along the sample depth can be inferred from the local Áw using mixing rules. The directional feature of the interconnected pores is captured in the tortuosity, which is derived from the measured mix and the DC conductivity of the pore fluid pf . In kaolinite sediments, the ratio between the sediment and the pore-fluid conductivity not only reveals the spatial variability of the sediment packing but also the relative contribution of the fluid conductivity and the surface conduction to the overall sediment conductivity.Résumé : Dans cette étude, on a utilisé une sonde coaxiale de forme élancée ouverte aux extrémités avec un diamètre extérieur de 2,2 mm pour prendre des mesures diélectriques locales dans des sols. La résistance de relaxation diélectrique d'une masse d'eau, Á w , et la conductivité en CD d'un échantillon saturé, mix , sont utilisées conjointement pour caracté-riser la variabilité spatiale de différents spécimens incluant des billes de verre, des échantillons le sable et de mica, et des sédiments de kaolin avec deux différentes associations de fabrique. La distribution des pores le long de la profondeur de l'échantillon peut être déduite en partant du Á w local en utilisant des règles de mélange. La caractéristique directionnelle des pores interconnectés est captée dans la tortuosité qui est dérivée de la mesure de mix et de la conductivité en CD du fluide des pores pf. Dans les sédiments de kaolin, le rapport entre la conductivité du sédiment et le fluide des pores révèle non seulement la variabilité spatiale de l'assemblage du sédiment, mais également la contribution relative de la conductivité du fluide et de la conduction de la surface à la conductivité globale du sédiment.Mots-clés : sonde coaxiale ouverte aux extrémités, constante diélectrique, résistance de relaxation, tortuosité, conduction de surface.[Traduit par la Rédaction]

Complex dielectric permittivity of organically modified bentonite suspensions (0.2–1.3 GHz)

“…High-frequency (0.1 MHz to 10 GHz) complex dielectric permittivity measurement techniques were used to quantify spatial and temporal variation of soil moisture content in a range of disciplines, including geotechnical engineering (Arulanandan 1991;Thevanayagam 1995;Klein and Santamarina 1997;Santamarina and Fam 1997;Wang and Dong 2008;Wagner and Scheuermann 2009), geoenvironmental engineering (Rowe et al 2001;Francisca and Rinaldi 2003;Shang et al 2004;Xu et al 2007), agriculture and hydrology (Cole and Cole 1941;Roth et al 1990;Tabbagh et al 2000;Wagner and Scheuermann 2009), clay science (Ishida et al 2000(Ishida et al , 2003, and geophysics (Kraszewski 1996;Hu and Liu 2000;Arcone et al 2008). The main advantage of these techniques is that they are rapid field-scale and noninvasive surveys (Roth et al 1990;Brovelli and Cassiani 2008).…”

“…It can be performed at the bench scale, with small-sized probes (Wang and Dong 2008) to measure a range of properties, including the local void ratio of a saturated soil specimen, which is important for stress-strain and hydraulic conductivity behavior (Cole and Cole 1941;Topp et al 1984;Thevanayagam 1995;Frost and Jang 2000;Wang and Dong 2008), the degree of saturation and matric suction for unsaturated soil (Hilhorst et al 2001;Wagner and Scheuermann 2009), as well as the character of the adsorbed counterions (Santamarina and Fam 1997;Ishida et al 2003) and surfactant cations (Ishida et al 2003;Bate 2011) and bulk fluid properties (Sposito and Prost 1982;Barthel et al 1990). Furthermore, complex dielectric permittivity probes can be embedded in the field for long-term field scale monitoring of the geochemical processes of bioremediation (Williams et al 2009).…”