DISS. ETH NO. 22282

A STUDY OF THE NOVEL APPROACHES TO SOIL DISPLACEMENT MONITORING USING DISTRIBUTED FIBER OPTIC STRAIN SENSING

A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich)

presented by DOMINIK HAUSWIRTH Msc. ETH in Civil Engineering born on 08.06.1979 citizen of Oeschgen, AG

accepted on the recommendation of Prof. Dr. Alexander Puzrin Prof. Dr. Luc Thévenaz Dr. Jamie Standing

2014

Summary The present study investigates the novel approaches provided by distributed fiber optic sensors for soil displacement monitoring. Distributed fiber optic sensing technologies allow strain and temperature to be measured continuously along a standard single mode optical fiber. During the last two decades, the field of distributed fiber optic technologies has undergone a rapid technological development, and different sensing technologies have become commercially available. Nowadays, depending on the technology used, rather short sensors of several tens of meters with a spatial resolution of the order of a few millimeters or very long sensors of tens of kilometers length with spatial resolution in the meter range are available. The unprecedented amount of data which can be acquired rapidly along a thin fiber makes these technologies particularly interesting for the field of engineering in order to measure strains in an efficient way compared with traditional technologies. In geotechnical engineering, the use of fiber optic sensors embedded in or attached to structures (e.g. piles or tunnels) was successfully demonstrated in the last decade but is still far from being widely applied. However, not only the strain response of a geotechnical structure is of interest, but also the strain present in soil. The advantageous properties of distributed fiber optic strain sensors form a potentially powerful tool for geotechnical engineering, which may be applied for monitoring purposes in areas endangered by natural hazards but which can also contribute to the further understanding of soil behaviour in general, if the ground response is measured while ground is exposed to external quantities such as stress or strain. However, embedding a fiber optic sensor directly into soil requires additional measures to protect the vulnerable silica fiber, since otherwise the fiber may break owing to the harsh environment present on construction sites and the integration process into soil. In the present study, attempts have been made to overcome this problem by means of a novel class of robust fiber optic cable prototypes, which were made specifically for direct embedment in soil. These cables originate from collaboration with a cable manufacturer (Brugg Kabel AG, Switzerland) and a measurement unit provider and system integrator (Omnisens SA, Switzerland). In this study, the properties of nine prototype cable versions with different levels of protection were investigated with respect to their potential to be applied as strain sensors embedded directly in soil. For this purpose, the properties of the cables were first investigated in a laboratory environment by exposing the cables to strain, temperature and water. Afterwards, the interaction of the cables with surrounding soil was studied with pullout tests in the laboratory, with a particular emphasis on shallow embedment of these cables close to ground surface. In a step closer towards field conditions, the strain response of different soil-embedded fiber optic cables around a displacement discontinuity was investigated at large scale. Finally, the study closes with two field applications of soil-embedded fiber optic cables: one in a slowly creeping landslide in order to detect potential movements of the soil mass, the other around an ongoing tunneling construction in order to determine the greenfield response of surrounding soil to tunneling with an earth pressure balanced tunnel boring machine. The study is merely focused on the application of distributed fiber optic sensors embedded in shallow surface trenches for the purpose of soil displacement monitoring in short term conditions. In this particular situation, the stresses in soil surrounding the cable are rather small in the geotechnical sense. The cables used in this study contain additional metallic parts, which enclose the vulnerable fiber, in order to achieve a higher level of protection. Hence, these protective measures considerably increase the longitudinal cable stiffness of the fiber optic cables. At small confining stresses, the soil is rather soft and the shear resistance at the interface between cable and soil is small. While this is of less importance in the case of small strain gradients present in soil, for localized displacements a stiff fiber optic cable has the tendency to lose contact with surrounding soil and consequently may indicate strains different from the strain present in soil. In a situation where measuring the strains in soil is the goal, this is a disadvantage, and hence, three mitigative measures were investigated: • • •

Corrugation of the cable surface in order to increase the shear resistance at the interface Attachment of small block anchors in order to connect the fiber optic cable pointwise to surrounding soil Using compacted sand as backfill material in the trench in order to benefit from additional normal stresses acting on the cable surface. These normal stresses, arising from the tendency of dense sand to dilate while it is sheared, can increase the shear resistance at the interface. 4

The effect of these mitigative measures was investigated by means of laboratory tests and by using simple mechanical models. At the small stress level under consideration, compaction of surrounding sand appeared to increase the shear resistance noticeably. The different behaviour of corrugated and smooth cable surfaces observed in simple pullout tests with stiff cables was, in addition, investigated with extensible cable versions accompanied by strain measurements while the cable was pulled out of sand. The highly spatial resolved strain data allowed the progressive nature of failure along the cable to be captured. As shown in the present study by means of a large scale test, the three mitigative measures also enable a considerably improved sensor response in the case of localized displacements at shallow depth. The application of soil-embedded distributed fiber optic strain sensors in field in a creeping landslide over 40 months enabled the qualitative identification of a seasonal pattern of differential soil mass movements in the area under study. These results could be independently confirmed by inclinometer measurements. In a further field application, distributed fiber optic sensors were embedded in shallow surface trenches in the transverse and longitudinal direction of an advancing tunnel boring machine. The benefits of distributed fiber optic measurements compared with traditional techniques for measuring horizontal soil displacements were found to lie in its high repeatability, its small spatial resolution and its potential for automatization. Although the measured strain quantities were rather small and furthermore affected by temperature changes and other environmental effects caused by the very shallow embedment, comparison of the measured data to data from independent sources showed good agreement. Furthermore, the data set acquired from fiber optics was used in connection with an existing empirical model describing the deformation in soil while the tunnel boring machine is passing underneath. The combination of the model response and the measurement data allowed to assess a possibility for predicting the final expected settlement trough at an early stage, with useful accuracy. In the same field application, distributed fiber optic sensors were integrated in grouted boreholes in order to measure the subsurface response of ground to tunneling. Although the specific nature of the measured strain distribution with many small strain peaks made it difficult to compete with the accuracy provided by the traditional rod extensometer technique, similar results were found. Here the benefits of distributed fiber optic sensing technologies were mainly found in the higher density of data points available along the borehole and in its potential for automatization. Additionally, the measurement results were analyzed using the current position of the tunnel boring machine and related to existing empirical models describing the final short term deformation in soil caused by tunneling. Distributed fiber optic sensors for measuring soil displacements provide a detailed insight into the strain and displacement field of soil. By using robust cables, the problem of the vulnerability of the optical fiber can be overcome even in very harsh environments such as those present in geotechnical field applications. The problem of insufficient bond of rather stiff cables at shallow depths in the case of large local displacements can be efficiently mitigated by a corrugated cable surface, by the pointwise attachment of small block anchors and by compaction of the surrounding granular soil. Regarding the uncertainties in predicting strains and displacements in soil in general, the opportunity provided by distributed fiber optic sensing to measure strain continuously along an optical fiber makes these technologies very interesting for monitoring solutions and further understanding of the soil behaviour in geotechnical engineering.

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Zusammenfassung Die vorliegende Studie untersucht einen neuen Zugang zur Überwachung von Verschiebungen des Bodens mittels verteilt messenden Glasfasersensoren. Verteilt messende Glasfasersensortechnologien ermöglichen eine kontinuierliche Dehnungs- und Temperaturmessung entlang einer üblichen optischen „single mode“ Faser. Das Gebiet der verteilt messenden Glasfasersensorik hat während den letzten zwei Dekaden eine schnelle technologische Entwicklung erfahren und verschiedene Technologien wurden kommerziell erhältlich. In Abhängigkeit von der benutzten Technologie sind, heutzutage, entweder eher kurze Sensor von einigen Dutzend Metern Länge mit räumlicher Auflösung im Bereich von einigen Millimetern oder sehr lange Sensoren von mehreren Dutzend Kilometer Länge mit räumlicher Auflösung im Meter-Bereich erhältlich. Die unübertroffene Datenmenge, welche entlang einer dünnen Faser in kurzer Zeit gemessenen werden kann, macht diese Technologien insbesondere interessant für das Ingenieurwesen um Dehnungen in einer effizienteren Weise als mit herkömmlichen Technologien zu messen. Die erfolgreiche Anwendung dieser Technologien im Bereich der Geotechnik konnte zwar in der letzte Dekade mittels in Strukturen (z.B. Pfähle oder Tunnels) eingebundener Sensoren gezeigt werden, sie ist jedoch immer noch weit davon entfernt, flächendeckend angewendet zu werden. Von Interesse sind jedoch nicht nur Dehnungen innerhalb geotechnischer Tragstrukturen, sondern auch Dehnungen im Boden selbst. Die vorteilhaften Eigenschaften verteilt messender Glasfasersensoren formen ein potentiell leistungsstarkes Werkzeug für die Geotechnik, welches zu Überwachungszwecken in durch Naturgefahren bedrohten Gebieten angewendet werden kann, welches aber auch zum weiteren Verständnis des Verhaltens von Boden beitragen kann, wenn die Reaktion des Bodens auf eine externe Einwirkung wie Spannung oder Dehnung gemessen wird. Die direkte Einbindung eines faseroptischen Sensors in den Boden macht aber zusätzliche Massnahmen zum Schutz der verletzlichen Glasfaser nötig, da andernfalls die Faser, bedingt durch die raue Baustellenumgebung oder den Einbettungsprozess in den Boden, brechen kann. In der vorliegenden Studie wurde versucht, dieses Problem mit Hilfe neuartiger robuster Glasfaserkabelprototypen zu lösen, welche spezifisch für die direkte Einbindung in den Boden hergestellt wurden. Diese Kabel entstammen einer Zusammenarbeit des Instituts für Geotechnik der ETH Zürich mit einem Kabelhersteller (Brugg Kabel AG, Schweiz) und einem Messgeräte- und Systemanbieter (Omnisens SA, Schweiz). In dieser Studie wurden die Eigenschaften von neun Kabelprototypen mit unterschiedlichen Schutzstufen der Glasfaser hinsichtlich ihrer Eignung als direkt im Boden eingebundener Dehnungssensor untersucht. Zu diesem Zweck wurden die Kabel zuerst in Laborumgebung Dehnung, Temperatur und Wasser ausgesetzt. Danach wurde die Interaktion der Kabel mit dem umgebenden Bodenmaterial mittels Ausziehversuchen untersucht, dies unter besonderer Berücksichtigung der oberflächennahen Einbindung der Kabel in den Boden. In einem weiteren Schritt, näher an realen Bedingungen im Feld, wurden die gemessenen Dehnungen von verschiedenen im Boden eingebundenen Glasfaserkabel um eine Verschiebungsdiskontinuität grossmassstäblich untersucht. Die Studie endet mit zwei Feldanwendungen von direkt im Boden eingebundenen Glasfaserkabel: Eine in einem kriechenden Rutschhang, um mögliche Bewegungen des Bodens zu detektieren, die andere in der Umgebung eines Tunnelvortriebs mittels Erddruckschild, um die Reaktion des umliegenden Bodens auf den Tunnelvortrieb zu bestimmen. Die Studie konzentriert sich hauptsächlich auf die Anwendung von oberflächennah eingebetteten, verteilt messenden Glasfasersensoren zum Zweck der Überwachung von Verschiebungen des Bodens unter kurzfristigen Bedingungen. Die Spannungen im umgebenden Boden sind in dieser speziellen Situation, im geotechnischen Sinn, eher klein. Die in dieser Studie verwendeten Kabel beinhalten zusätzliche metallische Komponenten, welche die verletzliche Faser umschliessen, um einen besseren Schutz der Faser zu erreichen. Diese zusätzliche Schutzvorkehrung trägt massgeblich zu einer Erhöhung der Längssteifigkeit der Glasfaserkabel bei. Im Bereich kleiner Spannungen sind die Steifigkeit des Bodens und der Scherwiderstand an der Schnittstelle zwischen Boden und Kabel eher klein. Dies ist von geringerer Bedeutung, wenn nur kleine Dehnungsgradienten im Boden vorhanden sind. Bei grösseren Dehnungsgradienten zeigen steife Glasfaserkabel jedoch die Tendenz, den Kontakt zum umgebenden Boden zu verlieren und Dehnungen anzuzeigen, welche von den vorhandenen Dehnungen im Boden abweichen. Dies ist ein nachteiliger Effekt in Situationen wo das Ziel die Messung der Dehnungen im Boden ist und daher wurden drei Massnahmen zur Abschwächung dieses Effekts untersucht: 6

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Kerbung der Kabeloberfläche um den Scherwiderstand an der Schnittstelle zu erhöhen Anbringen von kleinen Blockankern um das Glasfaserkabel punktweise mit dem umgebenden Bodenmaterial zu verbinden Verwendung von verdichtetem Sand zum Einbetten des Glasfaserkabels um von einem möglichen Zuwachs der Normalspannungen auf der Kabeloberfläche zu profitieren. Die zusätzlichen Normalspannungen, entstehend aufgrund der Tendenz von dichtem Sand während des Abscherens zu dilatieren, können den Scherwiderstand an der Schnittstelle erhöhen

Der Effekt dieser drei Massnahmen wurde mittels Laborversuchen und einfachen mechanischen Modellen untersucht. Bei den kleinen vorhandenen Spannungen konnte die Verdichtung des umgebenden Sandes den Scherwiderstand nennenswert erhöhen. Das unterschiedliche Ausziehverhalten von glatten und gekerbten Kabel, beobachtet bei Ausziehversuchen mit steifen Kabeln, wurde zusätzlich mit Dehnungsmessungen an dehnbareren Kabeln während des Ausziehens aus dem Sand untersucht. Die räumlich hochaufgelösten Dehnungsdaten ermöglichten die Erfassung eines progressiven Versagens entlang der Kabel. Wie in der vorliegenden Studie mittels grossmassstäblichen Versuchen gezeigt werden konnte, ermöglichen die drei Massnahmen eine Verbesserung des Sensorverhaltens auch im Falle von lokalisierten Verschiebungen in geringer Einbindungstiefe. Eine Feldanwendung von direkt im Boden eingebundenen verteilt messenden Glasfasersensoren in einem kriechenden Rutschhang über eine Zeitdauer 40 Monaten ermöglichte die qualitative Identifizierung eines saisonalen Musters der differentiellen Bodenverschiebungen im untersuchten Gebiet. Diese Resultate konnten mit unabhängigen Inklinometermessungen bestätigt werden. In einer weiteren Feldanwendung wurden verteilt messende Glasfasersensoren oberflächennah in Schlitzen in Quer- und Längsrichtung zu einem fortschreitendem maschinellen Tunnelvortrieb eingebaut. Die Vorteile der verteilt messenden Glasfasersensoren verglichen mit herkömmlichen Praktiken zur Messung von horizontalen Verschiebungen lagen hauptsächlich in der hohen Präzision, der kleinen räumlichen Auflösung und dem Potential zur Automatisierung. Obwohl die gemessenen Dehnungen eher klein waren und, verursacht durch die geringe Einbindetiefe, des Weiteren beeinflusst von Temperaturänderungen und anderen Umweltbedingungen, konnte eine gute Übereinstimmung der Messdaten zu unabhängigen Messungen gefunden werden. Die faseroptischen Messdaten wurden weiter mit einem empirischen Modell verbunden, welches die Deformationen des Bodens über einer vorgetriebenen Tunnelbohrmaschine beschreibt. Die Kombination des Modells und der Messdaten ermöglichte die Evaluierung einer Methode zur frühen Abschätzung der erwarteten Setzungsmulde durch den Tunnelvortrieb. In derselben Feldanwendung wurden verteilt messende Glasfasersensoren in mit Injektionsgut verfüllte Bohrlöcher eingebaut, um das Verhalten des Bodens unterhalb der Oberfläche zu messen. Die spezifische Natur der gemessenen Dehnungsverteilung mit vielen kleinen Dehnungsspitzen machte es schwierig, die Genauigkeiten von Stabextensometern zu erreichen, jedoch wurden im Allgemeinen ähnliche Messergebnisse gefunden. In dieser Anwendung lagen die Vorteile der verteilt messenden Glasfasersensorik hauptsächlich in der deutlich höheren Messpunktedichte und dem Automatisierungspotential der Messungen. Zusätzlich wurden die Messresultate weitergehend mit der aktuellen Position der Tunnelbohrmaschine analysiert und in Verbindung mit existierenden emprischen Modellen gebracht, welche die kurzfristige Setzungsmulde beschreiben. Der Einsatz verteilt messender Glasfasersensoren zur Messung von Verschiebungen des Bodens bietet einen detaillierten Einblick in das Verschiebungs- und Dehnungsfeld des Bodens. Dem Problem der Verletzlichkeit der optischen Faser kann mit dem Einsatz robuster Kabel wirksam begegnet werden, auch in der rauen geotechnischen Umgebung. Das Problem des potentiell ungenügenden Verbundes zwischen eher steifen Kabeln und dem Boden in oberflächennahen Anwendungen kann durch die Verwendung von Kabeln mit gekerbter Oberfläche, der punktweisen Montage von kleinen Blockankern und dem Verdichten des Umgebenden granularen Verfüllguts effizient gemildert werden. Die Möglichkeit der verteilt messenden Faseroptik, Dehnungen kontinuierlich entlang einer optischen Faser zu messen, macht diese Technologie sehr interessant für Überwachungslösungen und für weitergehende Untersuchungen des Verhaltens von Boden im Gebiet der Geotechnik. 7