侯爽 何敬民

開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

基于應(yīng)力波時(shí)間反演法的土壤含水率監(jiān)測(cè)

侯爽 何敬民

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640）

針對(duì)大范圍土壤含水率監(jiān)測(cè)問(wèn)題，研究基于應(yīng)力波時(shí)間反演聚焦信號(hào)的土壤含水率監(jiān)測(cè)技術(shù)。采用壓電傳感器作為激發(fā)器和傳感器產(chǎn)生并接收應(yīng)力波信號(hào)；利用時(shí)間反演技術(shù)自適應(yīng)聚焦可有效提高信號(hào)信噪比，將接收信號(hào)在時(shí)域上反演后作為激勵(lì)信號(hào)再次發(fā)出，并采集此得到的聚焦信號(hào)，建立聚焦信號(hào)幅值與土壤含水率的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：聚焦信號(hào)幅值與土壤含水率呈正相關(guān)關(guān)系，基于時(shí)間反演法的土壤含水率監(jiān)測(cè)技術(shù)在滑坡預(yù)警方面具有較好的應(yīng)用前景。

時(shí)間反演；土壤含水率；滑坡監(jiān)測(cè)；壓電材料

0 引言

降雨是誘發(fā)滑坡的最主要因素之一，尤其暴雨是滑坡活動(dòng)最重要的誘發(fā)因素。根據(jù)全國(guó)290個(gè)縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果顯示：滑坡在地質(zhì)災(zāi)害中所占比例達(dá)51%，而降雨誘發(fā)的滑坡約占滑坡總數(shù)的90%[1]。降雨入滲會(huì)使土壤含水率增加，孔隙水壓力增大，降低非飽和土的粘聚力，從而降低土體抗滑力，誘發(fā)滑坡發(fā)生。因此，研究土壤的含水率監(jiān)測(cè)對(duì)滑坡災(zāi)害的預(yù)警具有重要意義。

土壤含水率測(cè)量方式可分為破壞性測(cè)量、接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量[2]。破壞性測(cè)量主要采用烘干法，即取一定土樣放入烘干箱中烘至恒重，然后根據(jù)土樣減小質(zhì)量計(jì)算土壤含水率；該方法操作簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適用于大面積測(cè)量及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。接觸式測(cè)量常用FDR法，該方法利用電磁波的傳播頻率來(lái)測(cè)量土壤的含水率，測(cè)量安全、高效便捷；但目前市面上大部分FDR法的傳感器多為收發(fā)一體的小型針式傳感器，測(cè)量范圍小，常用于單個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壤含水率測(cè)量，不適用于大面積的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。非接觸式測(cè)量包括紅外遙感法、γ射線(xiàn)法和探地雷達(dá)法，該方式主要用于測(cè)量表層土壤的含水率，測(cè)量空間范圍有較大局限性[2]。

近年來(lái)，壓電材料被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。其中，壓電陶瓷材料由于具有信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)迅速、響應(yīng)頻帶寬、同時(shí)具備驅(qū)動(dòng)器和傳感器功能，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。SONG等發(fā)明可嵌入混凝土中的壓電智能骨料并利用主動(dòng)傳感方法監(jiān)測(cè)多種混凝土結(jié)構(gòu)的損傷行為[4-5]。KONG等利用這種壓電智能骨料通過(guò)主動(dòng)傳感方法監(jiān)測(cè)土壤的凍融過(guò)程[6]。WANG等進(jìn)一步研究在不同土壤含水率條件下的土壤凍融過(guò)程[7]。可見(jiàn)，基于壓電材料的主動(dòng)傳感技術(shù)可用來(lái)監(jiān)測(cè)土壤的含水率。

在大體積土體含水率監(jiān)測(cè)中，波動(dòng)方法存在較強(qiáng)信號(hào)衰減而受信噪比制約。時(shí)間反演技術(shù)由于具有自適應(yīng)性聚焦效果且能有效提高信號(hào)信噪比，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。法國(guó)科學(xué)家FINK等[8]將時(shí)間反演技術(shù)由光學(xué)應(yīng)用到聲學(xué)領(lǐng)域，并在理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用上對(duì)其自適應(yīng)聚焦原理開(kāi)展深入研究。ZHANG等[9]利用時(shí)間反演法對(duì)碗扣式鋼管連接節(jié)點(diǎn)緊固程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，聚焦信號(hào)幅值隨緊固程度的增大而增大，時(shí)間反演法在敏感性和抗噪聲方面優(yōu)于能量法。HUO等[10]利用時(shí)間反演法獲取應(yīng)力波通過(guò)螺栓連接處的聚焦信號(hào)幅值，試驗(yàn)結(jié)果表明，聚焦信號(hào)幅值隨著螺栓軸力的增大而增大，時(shí)間反演法有較強(qiáng)的抵抗噪聲能力。

針對(duì)山體滑坡區(qū)域大體積、大范圍的工程狀況，本文提出一種基于壓電主動(dòng)傳感的監(jiān)測(cè)方法，利用時(shí)間反演技術(shù)提高信號(hào)的信噪比，并建立反演聚焦信號(hào)與土壤含水率之間的關(guān)系。首先，在立方體容器內(nèi)制作土壤試驗(yàn)體；其次，將壓電傳感器即驅(qū)動(dòng)器及接收器預(yù)先埋在土壤試驗(yàn)體內(nèi)；然后，改變土壤的含水率，通過(guò)3個(gè)均勻分布的商用水分計(jì)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取其平均值作為含水率的參照值；接著，將脈沖信號(hào)作用于發(fā)射端壓電傳感器，對(duì)接收端的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反演后再對(duì)發(fā)射端傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即可得到時(shí)間反演法聚焦信號(hào)；最后，對(duì)壓電傳感器接收的聚焦信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)比聚焦信號(hào)幅值和土壤含水率之間的關(guān)系。

1 壓電波動(dòng)信號(hào)時(shí)間反演法土壤含水率監(jiān)測(cè)原理

采用時(shí)間反演法，對(duì)響應(yīng)信號(hào)作時(shí)域反演處理：

將式(3)代入式(4)可得

由式(5)可知：響應(yīng)信號(hào)的能量大小可用聚焦信號(hào)的幅值來(lái)表征。

2 試驗(yàn)裝置及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

土壤種類(lèi)會(huì)對(duì)波的傳播產(chǎn)生一定影響。根據(jù)GB/T 50145—2007土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)粒徑可分為黏土、砂土和碎石土。本文選取砂土作為試驗(yàn)對(duì)象，砂土試驗(yàn)材料取自某段開(kāi)挖工程現(xiàn)場(chǎng)，并依據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，測(cè)得該試驗(yàn)對(duì)象為中砂，其顆粒組分如表1所示。

表1 砂土顆粒組分

發(fā)射端壓電傳感器為大功率超聲波傳感器（4SH-3540C），能發(fā)出大功率和聲壓值的超聲波。

接收端壓電傳感器采用免電磁干擾的壓電傳感器，具有電磁屏蔽、性能穩(wěn)定和響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。

本文利用2個(gè)壓電傳感器實(shí)現(xiàn)收發(fā)機(jī)制，且其軸心位于同一條直線(xiàn)，相距1 m。為避免傳感器在壓實(shí)土壤過(guò)程中發(fā)生移位，先將傳感器固定在鋼筋籠上，如圖2所示。

圖2 壓電傳感器固定

土壤試驗(yàn)體放置在1.5 m×0.6 m×0.6 m的立方體容器內(nèi)，土壤分層加入并層層壓實(shí)。加入約20 cm厚的土壤后，放入預(yù)先固定在鋼筋籠上的壓電傳感器，使傳感器處于土壤試驗(yàn)體的中心，同時(shí)把3個(gè)FDR水分計(jì)放置于土層上方，其測(cè)得的平均值作為土壤含水率的參考值；再繼續(xù)加入土壤并充分壓實(shí)。土壤試驗(yàn)體及傳感器布置圖如圖3所示。

圖3 土壤試驗(yàn)體及傳感器布置圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由任意波形發(fā)生器、功率放大器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、電腦及收發(fā)端壓電傳感器組成，如圖4所示。任意波形發(fā)生器AFG-1022生成波形，經(jīng)功率放大器ATA-2041放大后，輸出信號(hào)電壓為400 V。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器HK-9210放大后，由多功能數(shù)據(jù)采集卡NI-6366采集至電腦。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置圖

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)物圖

研究表明：碎石土邊坡含水量為26%時(shí)能保持穩(wěn)定，含水率達(dá)到29%時(shí)存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)[11]；凍土的最大含水率約為27%~32%[12]；強(qiáng)風(fēng)化巖的最大含水率約為27%[13]。結(jié)合滑坡風(fēng)險(xiǎn)和土壤的最大含水率，本試驗(yàn)控制土壤含水率在10%~30%。試驗(yàn)土體烘干處理后的初始含水率為10%。把土樣裝入容器后，通過(guò)噴淋器使水分均勻地滲透到土壤中，每次加水約為5 L，含水率的變化梯度約為1%。靜置待水充分滲入土壤后，通過(guò)3個(gè)埋設(shè)在土壤試驗(yàn)體中的FDR水分計(jì)測(cè)定平均含水率作為土壤即時(shí)含水率。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

激勵(lì)信號(hào)為漢寧窗調(diào)制的中心頻率為500 Hz的正弦脈沖波，如圖6所示。漢寧窗調(diào)制可減少正弦脈沖的頻譜泄露，使信號(hào)能量更集中于中心頻率。

圖6 調(diào)制正弦脈沖信號(hào)

在24%含水率下，采用時(shí)間反演法對(duì)土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 直接接收信號(hào)與反演聚焦信號(hào)

由圖7可知：反演信號(hào)聚焦成為一個(gè)自相關(guān)函數(shù)信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度得到提高，幅值比直接接收信號(hào)提高了約50%，由原來(lái)的1 V提高到1.5 V。同時(shí)，兩段信號(hào)的噪聲水平相當(dāng)，因此反演聚焦信號(hào)也提高了信號(hào)的分辨率。由自相關(guān)函數(shù)在= 0處取得峰值的特點(diǎn)，本試驗(yàn)采用聚焦信號(hào)幅值來(lái)表征土壤含水率大小。

由于聚焦信號(hào)幅值具有一定的離散性，在24%含水率下重復(fù)測(cè)量結(jié)果如圖8所示。為降低監(jiān)測(cè)的離散性影響，對(duì)每一個(gè)含水率，采用重復(fù)采樣10次的平均值作為測(cè)量結(jié)果。

圖8 24%含水率下10次采集聚焦信號(hào)

土壤在不同含水率下的反演聚焦信號(hào)幅值如圖9所示，該關(guān)系曲線(xiàn)可用以描述區(qū)域土壤平均含水率的大小。

圖9 聚焦信號(hào)幅值與含水率的關(guān)系

由圖9可知：隨著土壤含水率的增加，反演聚焦信號(hào)的幅值呈單調(diào)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)橥寥篮试龃髸r(shí)，土壤中的自由水逐漸增多，自由水在重力作用下在土壤的空隙中流動(dòng)，產(chǎn)生的動(dòng)水壓力使土壤孔隙增大，孔隙被空氣占據(jù)，幅值變小[14]。

4 結(jié)論

針對(duì)實(shí)際滑坡區(qū)土壤含水率難以區(qū)域性監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，本文采用基于壓電主動(dòng)傳感信號(hào)時(shí)間反演法對(duì)土壤含水率監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：1）聚焦信號(hào)幅值隨著含水率的增大而減小，通過(guò)分析聚焦信號(hào)幅值可確定土壤的含水率，該方法可以作為土壤含水率區(qū)域性監(jiān)測(cè)的一種有效手段；2）時(shí)間反演法所得到的聚焦信號(hào)能有效提高信號(hào)的信噪比。因此，壓電主動(dòng)傳感時(shí)間反演法在土壤區(qū)域性含水率監(jiān)測(cè)上具有很好的應(yīng)用前景。

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Soil Moisture Monitoring Based on Time Reversal of Stress Wave

Hou Shuang He Jingmin

(School of civil engineering and transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

A soil moisture monitoring method utilizing the time reversal of stress wave has been proposed for the application in the large scale soil. The piezoelectric transducers have been used as both the actuator and the sensor to generate and receive the stress signals. The feature of the adaptive focusing of time reversal signals of the stress wave has been utilized to improve the signal to noise ratio. The receive excitation signal was applied the time reversal first, which was then sent back by the actuator as excitation and was

again as the focused signal, which was related to the current soil moisture. The test results show that the amplitudes of the focused signal is proportional to the soil moisture, and the prospective of the soil moisture monitoring technique using the time reversal of the stress wave in the prediction of the landslide has been validated. Keyword:

time reversal; soil moisture; landslide monitoring; piezoelectric materials

侯爽，男，1977年生，博士，副教授，主要研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)抗震、監(jiān)測(cè)。E-mail: cthous@scut.edu.cn

何敬民，男，1993年生，碩士研究生，主要研究方向：混凝土材料健康監(jiān)測(cè)。

TP277

A

1674-2605(2020)06-0007-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.06.007