Distributed Fiber Optic Sensing for monitoring stabilized clay

Abstract

Grunnforsterkning ved innblanding av tørt bindemiddel i jorda er en mye brukt metode for å øke styrke og stivhet av bløt jord. Forskjellig kjemisk sammensatte materialer brukes som bindemidler for å øke ytelsen av utsatt jord. Bindemidlene, som for eksempel kalk og sement, sprøytes inn i omrørt jord ved hjelp av et roterende mikseapparat. Det er mye usikkerhet knyttet til grunnforsterkning med kalksementpeler. For eksempel, estimeres styrke og stivhet basert på omtrentlige metoder slik som for eksempel enaksielle trykkforsøk i laboratoriet.

Dimensjoneringsverdiene av stabilisert jord blir i dag vanligvis basert på resultater fra laboratorieforsøk av jorda som skal stabiliseres. Men, denne metoden for å fastsette styrke og stivhet av stabilisert jord er funnet til å kraftig underestimere de faktiske egenskapene. En laboratorium test kan ikke bestemme integriteten av in situ stabilisert jord i og med at prøver fra laboratoriet er laget under mer ideelle forhold en det som er tilfelle i felt. Med integriteten av jord så menes det her dens homogenitet, styrke og stivhet, altså er det en indikasjon på jordas evne til å motstå ytre belastning og beholde sin strukturelle integritet.

Det finnes også metoder for å estimere oppnådde mekaniske egenskaper, men heller ingen av disse metodene er tilfredsstillende. Dette er fordi metodene som undersøker jord som har blitt stabilisert in situ er resurskrevende når det kommer til økonomi, arbeidskraft og bruken av store maskiner, i tillegg til å være destruktive. Et system for å avdekke mulige defekter langs en pel av stabilisert jord mangler også. En av de mest lovende fremadstormende overvåkingssystemene er Distributed Fiber Optic Sensing (DFOS). DFOS gjør det mulig med kontinuerlige målinger, både i rom og tid, over store lengder. DFOS består av flere metoder for å måle forskjellige parametere, som for eksempel Distributed Strain Sensing (DSS), Distributed Temperature Sensing (DTS) og Distributed Acoustic Sensing (DAS). Disse metoden har allerede blitt brukt for mange forskjellige formål, også innen geoteknikk. Men, lite forskning er gjort på bruken av DFOS for å detektere svakheter i peler av stabilisert jord og for å undersøke tøyningsoverføring mellom stabilisert jord og fiberkabel.

Denne masteroppgaven er en eksperimentell studie av bruken av DFOS for å overvåke oppnådd kvalitet av stabilisert jord. Både herdeprosessen av en lagdelt jordprøve, hvor det ene laget har vært stabilisert med kalk, og tøyningsutviklingen i en fullt stabilisert kalk/sement-prøve under enaksielt trykk har blitt overvåket i laboratorium. DTS har blitt benyttet for å undersøke muligheten for å detektere svakhetssoner i kalksementpeler. Et oppsett med en fiberkjerne løst inni et tynt plastrør ble brukt for å observere varmeoverføring i en lagdelt jordprøve. Resultatene indikerer at et lag av ustabilisert jord med tykkelse mindre enn 5 cm kan bli oppdaget ved bruk av denne metoden.

DSS har blitt benyttet for å prøve å identifisere tøyningsutviklingen i stabilisert jord utsatt for trykkbelastning. Resultatene indikerer at DSS kan gjengi trenden i tøyningsutvikling med tid for stabilisert jord. Tøyningsverdiene ble ikke nøyaktig gjengitt, men formen av tøyningsutviklingen med tid samstemte svært godt med referansemålingen. Forskningen i denne oppgaven viser at DFOS kan brukes for å overvåke utviklingen av integriteten og kvaliteten av stabiliserte jordpeler under belastning. I fremtiden kan det sannsynligvis utføres mer økonomisk dimensjonering uten å kompromittere sikkerheten. I tillegg vil det antageligvis være bedre forståelse for den oppnådde kvaliteten av installerte peler av stabilisert jord.

Dry Deep Soil Mixing (DDSM) is an often-used method for improving the engineering properties of soft soil. Different chemically composed materials are used as binders to enhance the performance of exposed soil. The binders, such as lime and cement, are injected in dry form into remoulded soil by the use of a rotating mixing tool. There are a lot of uncertainties related to the production of lime/cement-stabilized soil columns. For instance, the estimation of strength and stiffness are based on approximate methods such as unconfined compression tests in the laboratory.

The design properties of the stabilized soil are today usually based on results from laboratory tests of the soil that is to be stabilized. However, this laboratory procedure of estimating the strength and stiffness of the stabilized soil has been shown to greatly underestimate the obtained properties. A laboratory test cannot determine the integrity of in situ stabilized soil, as lab samples are created in a more idealized setting than what exists in the field. The integrity of soil refers here to its homogeneity, strength and stiffness, indicating its ability to withstand external forces and maintain its structural integrity.

Methods of estimating the obtained mechanical properties based on the in situ stabilized soil also exist, nevertheless, neither these methods are satisfactory. This is because the methods investigating the in situ stabilized clay are resource-intensive, considering factors such as economics, human labor and large-scale machinery, in addition to being destructive. A system for detecting possible imperfections along the height of stabilized soil columns is also lacking.

One of the most promising of the emerging monitoring methods is Distributed Fiber Optic Sensing (DFOS). DFOS enables continuous measurements, both spatially and temporally, over large spans. DFOS consists of several methods for measuring different parameters, such as Distributed Strain Sensing (DSS), Distributed Temperature Sensing (DTS) and Distributed Acoustic Sensing (DAS). These methods have been used for several different applications, also within the field of geotechnical engineering. However, little research has been conducted on the use of DFOS for detecting irregularities within stabilized soil columns and examining the strain transfer mechanism between fiber cable and the stabilized soil.

This M.Sc. Thesis is an experimental study on the use of DFOS for monitoring the achieved quality of stabilized soil. More precisely, the curing process of a layered sample with one limestabilized half and the strain development of a fully LC-stabilized sample during unconfined compressive testing was monitored at laboratory scale. DTS has been used to investigate the possibility of detecting weakness zones within the stabilized soil. A loose tube fiber optic setup was used to observe the heat transfer in a layered soil sample. The results indicate that a layer of unstabilized soil with a thickness of less than 5 cm can be detected with the method.

DSS has been applied to try to identify the strain development in stabilized soil exposed to compressive loading. Results indicate that DSS can map the strain regime of stabilized soil. The strain values were not accurately reproduced, but the temporal development pattern closely resembled that measured by the reference measurement. This research shows that DFOS can be used to monitor the integrity development and the performance of stabilized soil columns during loading. More economic design without compromising the safety can likely be carried out in the future. Additionally, it will likely be a better understanding of the quality of the produced columns.