Fiber optic acoustic emissions monitoring system. An experimental investigation in a laboratory application for rainfall-induced landslides in different soil materials slope models

In order to overcome the shortcomings of conventional slope monitoring methods, in this document the application of a quasi-distributed optical fiber sensing system to measure precursory acoustic emissions (AE) preceding the release of landslides in a small-scale physical model is illustrated. The defor-mation process of soil slopes during a landslide can be quantified also considering the acoustic emissions monitoring. The implemented method based on fiber optic technology detects elastic waves transmitted within the slope and provides AE measurements at high spatial and temporal resolution over relatively large distances. The aim of this work is to investigate acoustic emissions as precursor of slope failure and to assess the potential of the fiber optic technology for early warning in different soil slopes materials. In the present study four shallow rainfall-induced landslides have been triggered on a small scale slope simulator accurately reproduced in the Laboratory of Geological and Geophysical Applications (Gap2 Lab) situated in the territorial Pole of Lecco of the Politecnico of Milan. Rainfall was artificially reproduced through a network of micro-sprinkler irrigators. The fiber cables were deployed at a predefined depth within the slope model with preselected configurations and they were interrogated through interferometry. Conventional instruments measuring the volumetric water content and the visual inspection system for the monitoring of the surface deformation and surface displacements were also installed along the slope for the comparison and the validation of the results. The installation process of the optical fiber sen-sors and of the traditional instrumentations is accurately explained. The experiments were conducted on slopes with different geological conditions and with fiber optic cables disposed in different configurations in order to explore the ability and the effectiveness of the fiber optical sensors in the investigation of shallow landslides behavior. The results show that the interferometric fiber optic AE monitoring system has a good consistency with the traditional instruments since from the different monitored quantities, all the several phases within the landslide developed during the experiments, have been clearly identified. Moreover, it is shown that, in most of the cases, optical fibers can detect precursory signs of failure well before the collapse. It is demonstrated that this method can effectively represents an early warning system of rainfall-triggered landslides, in particular in layered coarser soil slopes that exhibit fluid-like rapid mass movements. In fact, it is also verified that acoustic emissions are more pronounced in looser soil as-semblies, while they are much weaker in densely packed mixtures or cohesive uniform soil slopes, which not exhibit fluid-like motion. The present laboratory experiments should promote in the future deeper research in the field of slope instability and further applications for risk mitigation.

Al fine di superare le carenze dei metodi tradizionali per il monitoraggio dei versanti, in questo elaborato viene illustrata su un modello fisico di pendio in scala l’applicazione di un sistema quasi-distribuito basato sull’impiego della fibra ottica per misurare le emissioni acustiche che vengono emesse prima del verificarsi di una frana. Il processo di deformazione dei versanti in terra durante il corso di un franamento può essere quantificato anche grazie al monitoraggio delle emissioni acustiche. Il metodo qui utilizzato basato sulla tecnologia a fibra ottica rileva le onde elastiche che si propagano nel suolo e fornisce le misurazioni delle emissioni acustiche ad alta risoluzione spaziale e temporale su relativamente lunghe distanze. Lo scopo di questo lavoro è quello di indagare se le emissioni acustiche possano essere considerate degli affidabili segni premonitori del cedimento di un pendio e di valutare la potenzialità della tecnologia a fibra ottica come metodo di identificazione nei vari materiali del terreno in modo da poter essere utilizzato co-me esaustivo segnale di allarme. Nel presente studio sono state riprodotte artificialmente su piccola scala quattro frane superficiali su un simulatore di pendio costruito nel laboratorio di Geologia e Geofisica Applicata (Gap2 Lab) situato nel polo territoriale di Lecco del Politecnico di Milano. La pioggia è stata riprodotta artificialmente attraverso un sistema di augelli. I cavi a fibra ottica sono stati disposti nel pendio a profondità e con configurazioni prestabilite e sono stati interrogati per interferometria. Per il confronto e la convalida dei risultati ricavati dalla fibra ottica, sono stati inoltre installati sul simulatore altri strumenti tradizionali mirati al monitoraggio del contenuto d’acqua del terreno e alla foto ripresa dei cinematismi superficiali del suolo nel corso dell’evoluzione del processo di franamento. Gli strumenti e la loro installazione vengono spiegati meticolosamente. Gli esperimenti sono stati condotti su versanti con diverse condizioni geologiche e con i cavi della fibra ottica disposti con configurazioni differenti in modo da analizzarne l’efficienza dei sensori nel cogliere il comportamento di una frana superficiale. I risultati ottenuti mostrano che il sistema di monitoraggio interferometrico a fibra ottica delle emissioni acustiche è coerente con gli strumenti tradizionali poiché, come da questi, tutte le diverse fasi in cui si è articolato il processo di frana-mento osservato durante gli esperimenti sono state identificate. Inoltre, nella maggior parte dei casi, la fibra ottica si è dimostrata capace di cogliere segnali premonitori molto prima del collasso. Viene dimostrato che questo metodo può effettivamente rappresentare un sistema di allarme per anticipazione di frane innescate da eventi di pioggia, in particolare in versanti stratificati di materiale più grossolano che mostra un comportamento simil fluido che mobilita il suolo in maniera repentina. Infatti, viene inoltre verificato che le emissioni acustiche sono più pronunciate negli ammassi di suolo più poveri, mentre sono molto più deboli negli ammassi densamente compattati o in versanti di materiale coesivo uniforme, che non hanno un comportamento simile a quello di un fluido. Il presente esperimento di laboratorio dovrebbe promuovere in future e più approfondite ricerche nel campo della stabilità dei pendii e in altre applicazioni da implementare per la mitigazione del rischio.