The thermal probe—a new method and its use on an unsaturated sand
Authors: Ewen J. , Thomas H. R. 
Published: October 2009

The Paper examines the use of a thermal probe in the experimental determination of the thermal conductivity of unsaturated soil. The work is divided into two parts. In the first part a review of the standard method of operation of a probe is presented. It is known that there are two competing restrictions on allowable thermal probe run times. On the one hand there is a need to reduce run times so that moisture migration effects are limited. On the other hand there is a need to allow long run times so that the theoretical accuracy of the method is maintained. It is shown that in general, for thick and thin probes and for field and laboratory operation, the two criteria cannot both be satisfied. An alternative approach is then proposed which is superior in its theoretical derivation and allows both criteria to be satisfied simultaneously. The second part of the Paper deals with the application of the new generally applicable method to the specific problem of the determination, in the laboratory, of the thermal conductivity-moisture content relationship of a medium sand. A relatively thick probe, suitable for use in both the laboratory and the field, has been designed, built and used. Details of the experimental implementation of the method are presented, involving the use of automatic data logging and statistical identification. Encouraging results have been obtained. The new thermal conductivity data show a marked sensitivity to the moisture content at low degrees of saturation. Such a relationship is in accordance with accepted trends for soils. A new empirical equation for the variation in the thermal conductivity of sand, with moisture content, is proposed. Further tests are now required on other soil types to confirm the applicability of the proposed expression to coarse soils in general. Cet article décrit l'emploi d'une sonde thermique dans la détermination expérimentale de la conductibilité thermique d'un sol non-saturé. La première partie de l'article passe en revue la méthode normale de l'utilisation de la sonde. Il est connu que les temps de fonctionnement des sondes sont sujets à deux restrictions contradictoires. D'abord il faut que les temps de fonctionnement soient réduits afin de limiter les effets de la migration de l'humidité. D'autre part les temps de fonctionnement doivent être longs, pour maintenir la précision théorique de la méthode. L'article montre qu'en général il est impossible de respecter ces deux critères à la fois avec des sondes épaisses ou minces sur chantier ou en laboratoire. On propose une méthode alternative dont la base théorique est meilleure et qui respecte ces deux critères simultanément. La deuxième partie de l'article décrit l'utilisation de cette nouvelle méthode d'application générale pour résoudre le problème spécifique de déterminer en laboratoire la relation entre la conductibilité thermique et la teneur en eau d'un sable moyen. Une sonde relativement épaisse, valable pour l'usage en laboratoire et sur chantier, a été construite et utilisée. On décrit en détail les expé” riences effectuées avec cette la méthode à l'aide de l'enregistrement automatique des données et de l'identification statistique. Des résultats encourageants ont été obtenus. Les nouvelles données de conductibilité thermique indiquent une sensibilité marquée à la teneur en eau à de faibles degrés de saturation. Une telle relation s'accorde bien avec les idées généralement admises concernant les sols. On propose une nouvelle équation empirique pour la variation de la conductibilité du sable avec la teneur en eau. De nouveaux essais sur d'autres types de sol seront nécessaires pour confirmer l'applicabilité de l'expression proposée aux sols grossiers en général.