Geotechnical Monitoring of Construction Activities by · PDF file · 2011-08-22Foundation engineering, geotechnical monitoring, smart textiles, distributed ... computing method and

GLÖTZL Gesellschaft für Baumeßtechnik mbH Forlenweg 11 D ‐ 76287 Rheinstetten  Tel. + 49(0)721 5166 0 Fax + 49(0)721 5166 30 [email protected] www.gloetzl.com 

  Geotechnical Monitoring of Construction Activities by Distributed Fiber Optic Sensors Embedded in Geotextiles European Workshop on Structural Health Monitoring/ 5th Edition 

June 28 ‐ July 2, 2010/ Sorrento, Italy 

Authors: 

Joachim Schneider‐Gloetzl, Gloetzl GmbH, Rheinstetten, Germany  

Rainer Gloetzl, RG Research, Ettlingen, Germany 

Katerina Krebber, Sascha Liehr, Mario Wendt, Aleksander Wosniok,  

BAM, Federal Institute for Materials Research and Testing, Berlin, Germany  

KEYWORDS 

Foundation engineering, geotechnical monitoring, smart textiles, distributed fiber optic sensors, POF sensors,  

Brillouin sensors 

ABSTRACT 

The planning and design of monitoring systems for civil engineering applications typically focus on structures as they are 

directly subjected to live loads, are most exposed to weathering and are the most visible to the public.  As such, the 

monitoring of structures above the ground is beginning to mature and applications in the field are emerging.  An area not 

yet researched in depth, however, is the monitoring of foundations and earthworks.  Similar to the monitoring of 

structures such as buildings and bridges, in‐service data from foundations, retaining walls, and earthworks can be utilized 

to validate design assumptions, control construction operations, assist with life‐cycle maintenance and management 

actions, and provide alert to extreme events.  Particular to substructure and foundation elements is the possibility of their 

reuse when superstructures are replaced.  In such cases, their load history and performance over time can be critical in 

deciding whether or not they can be reused or must be reconstructed.  Also motivating the collection of data for 

substructures, foundations, and earthworks is the need to calibrate consistent reliability levels across each component of 

complex structures (e.g. the foundation, abutments, and superstructure in the case of a bridge).   

Traditional measuring systems include pressure cells, piezometers, and inclinometers which produce point 

measurements.  A new tool designed for distributed measurements is sensor‐embedded reinforcing textiles.  These smart 

textiles provide in‐service data using fiber optic sensors while they perform their traditional role of soil stabilization, 

reinforcement, or separation.  This paper highlights the state of the art in geotechnical monitoring with special emphasis 

on smart geotechnical textiles.  Applications and case studies for these materials are provided. 

Geotechnical Measurement 

The application of geotechnical measuring instruments is commonly used for dam constructions or buildings which are 

accompanied with similar impact to the surrounding area.  The building of all complex structures below and above ground 

are solved by static analysis which bases on input data from soil examination and laboratory tests of soil samples.  For a 

continuous control of the construction efforts and its related consequences the monitoring concepts mostly concentrate 

on geodetic measurements.  Because of always new construction methods the geotechnical measurements gain more and 

more in importance.  The information which can be extracted from the underground can be used to validate the static 

computing method and the soil mechanic model.  Furthermore the underground measurements allow a monitoring 

during the lifetime.  This offers the possibility to recognize a change of structural loading and can lead to reduced 

maintenance costs by reparation at the beginning of damage.  For example is it standard in inner‐city tunnel projects to 

monitor building settlements during the under‐ride of a tunnel boring machine.  In the moment a settlement is occurring 

a countering injection is executed until the settlement is compensated.  

Figure 1. Landslide monitoring with geodetic and geotechnical system 

State of Art 

Depending on the nature of the underground and the kind of project different physical values are measured. In general 

the monitoring includes the measurement of settlement, inclination, deformation, earth and pore water pressure as well 

as temperature and vibration. Each parameter can be measured by different sensing techniques which are selected in 

consideration of measuring frequency, accuracy and price demand. This variety of requirements leads to a wide range of 

solutions from simple mechanical instruments to wireless operating electrical sensors. Also the measuring frequency 

knows no bounds ‐ from single static measurements up‐to dynamic measurements with high clock rate.   

Figure 2. Monitoring example (building and excavation) 

New Techniques 

The next step in a modern risk management is the integration of monitoring solutions in the reinforcement concept. In 

the frame of several German projects and the European research program POLYTECT a breakthrough was done with the 

successful integration of sensing optical fibers – silica and polymer optical fibers ‐ in geotextiles.  This combi‐mesh is 

designed for geotechnical applications to monitor dikes and creeping slopes or to control new build earthwork structures 

with critical subsurface conditions. Advantages of the new technology are an easy installation and a distributed sensing 

method. This means that a deformation along the fiber is detected in size and location. Sensing techniques based on 

OTDR (optical time‐domain reflectometry) in polymer optical fibers (POF) and Brillouin scattering in silica fibers have been 

used to measured distributed mechanical deformation (strain) in geotechnical structures. Recently, the first real field tests 

have been successfully conducted.  

Figure 3. Geotextile with integrated polymer fiber 

Monitoring of geotechnical structures using distributed POF OTDR sensors embedded in geotextiles 

A field test in an open brown coal pit has been carried out near Belchatow, Poland using POF equipped geotextiles and the 

OTDR technique. The test was initiated, organized and supervised by Gloetzl Baumesstechnik GmbH, Germany in close 

cooperation with Budokop, Poland and the owner of the coal pit. A sensor‐equipped geogrid was installed directly on top 

of a creeping slope. The 10 m long geogrid was manufactured by Alpe Adria Textil, Italy and comprised one standard 

PMMA POF. Fig. 4 shows the installation of the sensor textile on top of the slope. It is covered with a 10 cm thick sand 

layer. The textile is installed with the POF sensor bridging the cleft perpendicular to the opening. The geogrid was installed 

in a slightly corrugated way simulating realistic installation conditions. Measurements were conducted before and after 

installation.  

Fig. 5 (left) shows the OTDR traces of the sensor fiber section in the middle of the textile where the fiber bridges the cleft. 

The figure clearly shows backscatter increase due to strain in the fiber at the position where the cleft was expected. The 

magnitude of the backscatter increase relative to the reference measurement is shown in Fig. 5 (right). The first three 

measurements after installation show a steadily increasing strain signal extending over a length of about 7 m. The shape 

of the backscatter signal of the last two measurements indicates that the strain distribution along the textile is not 

symmetric. The high peak at about 35 m is caused by a very high and confined strain in the sensor fiber and textile. The 

magnitude of backscatter increase corresponds to a maximum strain in the fiber of more than 10 %. Such high strain 

values can only be measured by POF sensors. Silica fiber‐based sensor systems would have failed at a strain exceeding 

about 1 %.  

Due to the gradual increase of cleft width, the overlying textile and therefore the sensor fiber change their absolute 

length. By evaluating the relative shift of the reflection peaks at both ends of the textile‐integrated fiber, the values of the 

total elongation of the fiber sensor indicating the width of the cleft was obtained. Fig. 6 shows a relative linear increase of 

the POF length with time. The measurements indicate that the creep velocity of the slope was constant during the time of 

observation with an average rate of about 2 mm per day. Further field tests in the open mine in Belchatow are being 

conducted at present in order to provide more information about the geotechnical processes.  

Figure 4. Installation of a geogrid containing POF in an open brown coal pit near Belchatow, Poland (left) and a cleft of the creeping slope (right). 

Figure 5. OTDR traces of the sensor fiber at the position of the cleft (left) and change of the sensor signal relative to the reference measurement (right). 

Figure 6. Total elongation of the POF sensor obtained by peak shift evaluation. 

Monitoring of geotechnical structures using distributed Brillouin sensors embedded in geotextiles: 

The focus of the performed tests using the Brillouin‐based sensing technique by means of a commercial measurement 

instrument operating in the time domain (BOTDA) was on the detection of geophysical activities in dam structures. The 

method using Brillouin backscattered light in silica optical fiber is based on the distributed measurement of the frequency 

shift of the Brillouin light (Brillouin‐frequency) caused by strain and temperature changes applied to the fiber. 

In order to detect soil displacement, a non‐woven geotextile mat manufactured by STFI, Chemnitz of a length of 17.5 m 

with integrated single‐mode silica fibers as sensors was embedded in an earth‐filled dam in Myczkowce (Fig.7), Poland 3 

years ago. The sensors in the form of standard optical cables were integrated into the geotextile using the warp‐knitting 

technique.  

Fig. 8 shows the distribution of the Brillouin frequency of the fibers embedded in the geotextile measured 3 years after 

installation. Field tests were conducted in April and August 2009. Each Brillouin trace corresponds to the Brillouin 

frequency measured on two sensing fibers connected by fusion splices at the far end of the geomat. Due to higher 

environmental/soil temperatures during the field test conducted in August, the Brillouin trace of this measurement 

features higher values of the Brillouin frequency.  In the fiber sections between 205 m and 240 m where the geomat was 

embedded in the soil, a mechanical load is assumed which results in a change of the recorded Brillouin frequency in these 

fiber sections. The origin of this effect should be investigated by further systematic measurements and a deep analysis of 

the geotechnical processes. However, this was to our knowledge the first real field test demonstrating the use of a 

distributed Brillouin sensor embedded in geotextiles for monitoring of geotechnical structures.  

Figure 7. The earth‐filled dam in Myczkowce (left) and the construction site with the sensor‐based non‐woven geotextile before embedding into the soil 

and 3 years later (right). 

Figure 8. Brillouin measurements on the sensor‐based geotextile 3 years after embedding into the soil. The section between 205 m and 240 m illustrates 

Brillouin frequency shift distribution of two interconnected sensing fibers embedded in the geotextile.  

Summary and Outlook 

In civil engineering the geotechnical monitoring is gaining in significance and the used measuring systems are in steady 

development. This paper presented two novel techniques using distributed fiber optic sensors embedded in geotextiles. 

Both measuring solutions (OTDR in polymer optical fiber and Brillouin frequency in silica optical fiber) provide the 

detection of local deformation in position and size. This particular feature means a new quality in geotechnical monitoring 

and permits a wide range of applications aimed to the needs of precise damage detection, structural analysis and early 

recognition of structural mutation. 

REFERENCES 

Froggatt, M and Moore, J. 1998. High‐spatial‐resolution distributed strain measurement in optical fiber with Rayleigh 

scatter. Applied Optics, 37: 1735‐1740.  

Husdi, IR, Nakamura, K and Ueha, S. 2004. Sensing characteristics of plastic optical fibres measured by optical time domain 

reflectometry. Measurement Science and Technology, 15: 1553‐1559.   

Liehr, S, Lenke, P, Krebber, K, Seeger, M, Thiele, E, Metschies, H, Gebreselassie, B, Münich, JC and Stempniewski, L. 2008. 

Distributed strain measurement with polymer optical fibers integrated into multifunctional geotextiles. Proc. of SPIE, Vol. 

7003: 700302‐1 ‐ 700302‐15.  

Liehr, S, Lenke, P, Wendt, M and Krebber, K. 2008. Perfluorinated graded‐index polymer optical fibers for distributed 

measurement of strain. Proc. of POF Conference.  

Thevenaz, L, Facchini, M, Fellay, A, Nikles, M and Robert, P. 2001. Field tests of distributed temperature and strain 

measurement for smart structures. Lasers and Electro‐Optics, CLEO/Pacific Rim, 490–491. 

Liehr, S, Lenke, P, Wendt, M, Krebber, K, Glötzl, R, Schneider‐Glötzl, J, Gabino, L, Krywult, L. 2009. Distributed Polymer 

Optical Fiber Sensors in Geotextiles for Monitoring of Earthwork Structures. 4th International Conference on Structural 

Health Monitoring of Intelligent Infrastructure (SHMII‐4) 2009 22‐24 July, 2009, Zurich, Switzerland  

Das, B.M. 1999.  Principles of Foundation Engineering, Fourth Edition.  Pacific Grove: Thomson.   

Gladstone, R., Anderson, P., Fishman, K.L., and Withiam, J.L., 2006.  “Durability of Galvanized Soil Reinforcement: More 

Than 30 Years of Experience with Mechanically Stabilized Earth.”  Transportation Research Board No. 1975: 49‐59. 

Messervey, T.B., Zangani, D., & Casciati, S., 2009.  Monitoring Technologies: Progressing from theory to application.  

Proceedings of the 4th International Conference on Smart Structures and Materials, 13‐15 July, Porto, Portugal, 2009. 

Marr, A., 2007. Why monitor geotechnical performance?  Proceedings of the 7th International Symposium on Field 

Measurements.  24‐27 September, 2007, Boston, 2009.