Partial Insertion Effects in Time Domain Reflectometry Waveform Interpretation for Soil Characterization: A Novel Approach and Analysis

Abstract

Time Domain Reflectometry (TDR) is a popular method used in soil science, geotechnical, and geo-environmental engineering to determine soil properties both in situ and in laboratory tests. The waveform produced by TDR contains information about the electrical properties of the tested soil. These properties include soil permittivity and soil conductivity, which affect the speed and shape of the reflected electrical pulse. By analyzing the TDR waveform, information about soil characteristics such as water content and soil density is obtained. The TDR waveform results depend on the interpretation method and other factors that can impact the waveform, such as pulse frequency and instrument parameters. The waveform can be interpreted by various methods to determine the tested soil’s characteristics such as the tangent method, the Heimovaara method, and Schwartz Adaptive Waveform Interpretation with Gaussian Filtering (AWIGF). All of these existing interpretation methods consider full-length probe insertion in the soil. Using TDR in a Plexiglas column experiment by inserting the TDR probes through the column’s cell wall thickness means that the probe is only partially inserted in the soil and partially surrounded by the Plexiglas and the rubber o rings fittings considered here as part of the cell’s wall, on a length equal to its thickness. This partial insertion in the soil-Plexiglas column experiment has not been thoroughly discussed or developed in the literature. Therefore, the contribution to the TDR waveform of the cell’s wall, reflected by its apparent length on the waveform, has to be found. The electromagnetic properties of the cell’s wall are found separately using reference materials of known permittivity. A novel waveform partitioning method is proposed in this research to extract the correct apparent length of the actual insertion length of the probe in the soil. Two different permittivity averaging methods, refractive index and arithmetic mean, are simultaneously considered in this proposed interpretation method. However, in this study, the refractive index method led to a better fit for most of the obtained waveforms compared to the arithmetic mean method. This study shows that ignoring the partial insertion of the TDR probes in the tested soil leads to erroneous waveform interpretation underestimating the soil permittivity by as much as 30% for the experimental setup used.

La réflectométrie temporelle (TDR) est une méthode populaire utilisée en science des sols, en géotechnique et géo-environnement, pour déterminer les propriétés du sol par les essais en place et en laboratoire. Le signal produit par la TDR contient des informations sur les propriétés électriques du sol testé. Ces propriétés comprennent la permittivité et la conductivité électrique du sol, qui affectent la vitesse et la forme de l'impulsion électrique réfléchie dans le milieu. L'analyse du signal TDR permet d'obtenir des informations sur les caractéristiques du sol telles que la teneur en eau et la densité du sol. Les résultats du signal TDR dépendent de la méthode d'interprétation et d'autres facteurs impactant le signal, tels que la fréquence d'impulsion et les paramètres de l'instrument. Le signal peut être interprété par différentes méthodes pour déterminer les caractéristiques du sol testé, parmi lesquelles la méthode de la tangente, la méthode de Heimovaara et la méthode d’interprétation adaptative du signal de Schwartz avec filtrage gaussien (AWIGF). Toutes ces méthodes d'interprétation existantes prennent en compte l'insertion de la sonde sur toute sa longueur dans le sol. L'utilisation du TDR dans une colonne de plexiglas en insérant les sondes TDR à travers l'épaisseur de la paroi de la colonne signifie que la sonde n'est que partiellement insérée dans le sol et que partiellement entourée par le plexiglas et les joints en caoutchouc. Les joints à l’extérieur de la cellule sont considérés ici comme faisant partie de la paroi de la cellule, sur une longueur égale à l'épaisseur de celle-ci. Cette insertion partielle dans l'expérience de la colonne de sol-Plexiglas n'a pas été discutée ou développée de manière approfondie dans la littérature. Par conséquent, la contribution du signal TDR de la paroi de la cellule, reflétée par sa longueur apparente sur le signal, doit être trouvée. Les propriétés électromagnétiques de la paroi de la cellule sont déterminées séparément en utilisant des matériaux de référence dont la permittivité est connue. Une nouvelle méthode de partitionnement du signal est proposée dans cette recherche pour extraire la longueur apparente correcte de la longueur d'insertion réelle de la sonde dans le sol. Deux méthodes différentes de calcul de permittivité moyenne, l'indice de réfraction et la moyenne arithmétique, sont prises en compte simultanément dans la méthode d'interprétation proposée. Cependant, dans cette étude, l’indice de réfraction a permis une meilleure adéquation pour la majorité des signaux obtenus par rapport à la méthode de la moyenne arithmétique. Cette étude montre que le fait d'ignorer l'insertion partielle des sondes TDR dans le sol testé conduit à une interprétation erronée du signal, sous-estimant la permittivité du sol de 30 % pour la configuration expérimentale utilisée.