Využití optických vláken pro monitorování deformace v geotechnice

Abstract

Tato práce poskytuje stručný a komplexní přehled dvou různých metod optovláknového snímání a jejich výhodného využití v geotechnickém monitoringu: Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) a Fibre Bragg Gratings (FBG). Technologický rozvoj v oboru optických vláken i metod optovláknového snímání vedl v posledních desetiletích k vytvoření nových optických senzorů používaných ve stavebnictví. Technologie snímání optickými vlákny je v zásadě vhodná pro všechny druhy stavebních konstrukcí: může být použita pro budovy, silnice, mosty nebo tunely a zároveň i pro monitorování v geotechnice. U geotechnických konstrukcí je vzhledem k vysoké míře nejistoty při určování návrhových parametrů vysoce žádoucí získávat potřebná data in situ, aby bylo možné ověřit předpoklady návrhu, kvalitu provádění i skutečné chování konstrukce za provozu. Vzhledem k tomu, že vizuální kontrola a snímače sloužící k instalaci na povrch konstrukce jsou pro tento úkol většinou nedostatečné, mohou být vestavěné optovláknové senzory vhodným řešením pro monitoring plošných základů, pilotových základů, kotev, tunelů, násypů i přírodních svahů. V teoretické části práce jsou vysvětleny základní principy senzorických metod BOTDA a FBG, následuje rešerše současného stavu řešené problematiky. V praktické části jsou nejprve představeny vybrané laboratorní testy, dále je zaměřena především na reálné in situ aplikace BOTDA i FBG technologií. Na příkladech několika pilotních instalací je představena široká škála možností využití těchto technologií v rámci geotechnického monitoringu. Optovláknové snímače byly využity pro sledování svahových pohybů jak v hlubokých vrtech pro identifikaci smykové zóny v podloží, tak i a v mělkých výkopech pro monitorování podpovrchových aktivních zón. Pomocí technologie BOTDA byly monitorovány deformace primárního ostění tunelu, FBG snímače byly použity pro stanovení mobilizace odporu kořene zemní kotvy i při statické zatěžovací zkoušce lamel podzemní stěny pro určení změn napětí. Každá z těchto pilotních instalací je v praktické části práce popsána, jsou shrnuty důvody pro nasazení optovláknových snímačů, je vysvětlen návrh použitých snímačů a následně jsou diskutovány výsledky měření.

This thesis provides concise and comprehensive overview of two different methods of fibre optic sensing and their beneficial use in geotechnical monitoring: Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) and Fibre Bragg Gratings (FBG). The technological development of optical fibres and methods of optical fibre sensing led to the creation of new optic sensors used in civil engineering is last decades. The optic fibre sensing technology is in principle suitable for all kinds of building structures; it can be used for buildings, roads, bridges or tunnels and also for monitoring in geotechnics. Additionally, considering geotechnical structures, due to high uncertainties in the design parameters, it is desirable to collect in-situ data to verify the design assumptions, construction quality and actual behaviour in service. As visual inspection and surface mounted sensors are mostly inapplicable for this task, embedded fibre optic sensors may be a suitable monitoring solution for foundations, piles, anchors, tunnels, embankments as well as natural slopes. In the theoretical part of the thesis, the basic principles of both BOTDA and FBG sensing technologies are explained and followed by the state-of-the-art reviews. The practical part presents selected laboratory tests and mainly is focused on real on-site applications of BOTDA and FBG. The wide range of applications regarding geotechnical monitoring is shown in several field tests. The optical fibre sensing was used to observe slope movements both in deep boreholes in order to identify the shear zone in the subsoil / bedrock and in shallow trenches for monitoring of shallow active zones; the BOTDA technology was used for monitoring of deformations of tunnel primary lining. The FBG sensing technology was used for determination of the ground anchor root resistance mobilization, as well as during the static load test of diaphragm wall's lamellae for strain measurement. Each field test is described, the monitoring motivation is presented, details about the sensors are provided and the results are discussed.