基于應力波時間反演法的土壤含水率監測

侯爽 何敬民

開發設計

基于應力波時間反演法的土壤含水率監測

侯爽 何敬民

（華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640）

針對大范圍土壤含水率監測問題，研究基于應力波時間反演聚焦信號的土壤含水率監測技術。采用壓電傳感器作為激發器和傳感器產生并接收應力波信號；利用時間反演技術自適應聚焦可有效提高信號信噪比，將接收信號在時域上反演后作為激勵信號再次發出，并采集此得到的聚焦信號，建立聚焦信號幅值與土壤含水率的關系。試驗結果表明：聚焦信號幅值與土壤含水率呈正相關關系，基于時間反演法的土壤含水率監測技術在滑坡預警方面具有較好的應用前景。

時間反演；土壤含水率；滑坡監測；壓電材料

0 引言

降雨是誘發滑坡的最主要因素之一，尤其暴雨是滑坡活動最重要的誘發因素。根據全國290個縣市地質災害調查結果顯示：滑坡在地質災害中所占比例達51%，而降雨誘發的滑坡約占滑坡總數的90%[1]。降雨入滲會使土壤含水率增加，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，誘發滑坡發生。因此，研究土壤的含水率監測對滑坡災害的預警具有重要意義。

土壤含水率測量方式可分為破壞性測量、接觸式測量和非接觸式測量[2]。破壞性測量主要采用烘干法，即取一定土樣放入烘干箱中烘至恒重，然后根據土樣減小質量計算土壤含水率；該方法操作簡單、結果準確，但費時費力，不適用于大面積測量及實時監測[2]。接觸式測量常用FDR法，該方法利用電磁波的傳播頻率來測量土壤的含水率，測量安全、高效便捷；但目前市面上大部分FDR法的傳感器多為收發一體的小型針式傳感器，測量范圍小，常用于單個測點的土壤含水率測量，不適用于大面積的實時監測[3]。非接觸式測量包括紅外遙感法、γ射線法和探地雷達法，該方式主要用于測量表層土壤的含水率，測量空間范圍有較大局限性[2]。

近年來，壓電材料被廣泛應用于結構健康監測領域。其中，壓電陶瓷材料由于具有信號抗干擾能力強、反應迅速、響應頻帶寬、同時具備驅動器和傳感器功能，在結構健康監測和損傷識別領域發揮重要作用。SONG等發明可嵌入混凝土中的壓電智能骨料并利用主動傳感方法監測多種混凝土結構的損傷行為[4-5]。KONG等利用這種壓電智能骨料通過主動傳感方法監測土壤的凍融過程[6]。WANG等進一步研究在不同土壤含水率條件下的土壤凍融過程[7]。可見，基于壓電材料的主動傳感技術可用來監測土壤的含水率。

在大體積土體含水率監測中，波動方法存在較強信號衰減而受信噪比制約。時間反演技術由于具有自適應性聚焦效果且能有效提高信號信噪比，在眾多領域得到廣泛應用。法國科學家FINK等[8]將時間反演技術由光學應用到聲學領域，并在理論、實驗和應用上對其自適應聚焦原理開展深入研究。ZHANG等[9]利用時間反演法對碗扣式鋼管連接節點緊固程度進行監測，試驗結果表明，聚焦信號幅值隨緊固程度的增大而增大，時間反演法在敏感性和抗噪聲方面優于能量法。HUO等[10]利用時間反演法獲取應力波通過螺栓連接處的聚焦信號幅值，試驗結果表明，聚焦信號幅值隨著螺栓軸力的增大而增大，時間反演法有較強的抵抗噪聲能力。

針對山體滑坡區域大體積、大范圍的工程狀況，本文提出一種基于壓電主動傳感的監測方法，利用時間反演技術提高信號的信噪比，并建立反演聚焦信號與土壤含水率之間的關系。首先，在立方體容器內制作土壤試驗體；其次，將壓電傳感器即驅動器及接收器預先埋在土壤試驗體內；然后，改變土壤的含水率，通過3個均勻分布的商用水分計對其進行監測，取其平均值作為含水率的參照值；接著，將脈沖信號作用于發射端壓電傳感器，對接收端的信號進行時域反演后再對發射端傳感器進行驅動，即可得到時間反演法聚焦信號；最后，對壓電傳感器接收的聚焦信號進行分析，對比聚焦信號幅值和土壤含水率之間的關系。

1 壓電波動信號時間反演法土壤含水率監測原理

采用時間反演法，對響應信號作時域反演處理：

將式(3)代入式(4)可得

由式(5)可知：響應信號的能量大小可用聚焦信號的幅值來表征。

2 試驗裝置及監測系統

土壤種類會對波的傳播產生一定影響。根據GB/T 50145—2007土的工程分類標準，依據粒徑可分為黏土、砂土和碎石土。本文選取砂土作為試驗對象，砂土試驗材料取自某段開挖工程現場，并依據GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范進行試驗測定，測得該試驗對象為中砂，其顆粒組分如表1所示。

表1 砂土顆粒組分

發射端壓電傳感器為大功率超聲波傳感器（4SH-3540C），能發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、性能穩定和響應迅速的特點。

本文利用2個壓電傳感器實現收發機制，且其軸心位于同一條直線，相距1 m。為避免傳感器在壓實土壤過程中發生移位，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

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

圖3 土壤試驗體及傳感器布置圖

數據采集系統由任意波形發生器、功率放大器、電荷放大器、數據采集卡、電腦及收發端壓電傳感器組成，如圖4所示。任意波形發生器AFG-1022生成波形，經功率放大器ATA-2041放大后，輸出信號電壓為400 V。接收信號經過電荷放大器HK-9210放大后，由多功能數據采集卡NI-6366采集至電腦。數據采集系統實物圖如圖5所示。

圖4 數據采集系統配置圖

圖5 數據采集系統實物圖

研究表明：碎石土邊坡含水量為26%時能保持穩定，含水率達到29%時存在滑坡風險[11]；凍土的最大含水率約為27%~32%[12]；強風化巖的最大含水率約為27%[13]。結合滑坡風險和土壤的最大含水率，本試驗控制土壤含水率在10%~30%。試驗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3個埋設在土壤試驗體中的FDR水分計測定平均含水率作為土壤即時含水率。

3 試驗結果及分析

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

圖6 調制正弦脈沖信號

在24%含水率下，采用時間反演法對土壤含水率進行監測的試驗結果如圖7所示。

圖7 直接接收信號與反演聚焦信號

由圖7可知：反演信號聚焦成為一個自相關函數信號，信號強度得到提高，幅值比直接接收信號提高了約50%，由原來的1 V提高到1.5 V。同時，兩段信號的噪聲水平相當，因此反演聚焦信號也提高了信號的分辨率。由自相關函數在= 0處取得峰值的特點，本試驗采用聚焦信號幅值來表征土壤含水率大小。

由于聚焦信號幅值具有一定的離散性，在24%含水率下重復測量結果如圖8所示。為降低監測的離散性影響，對每一個含水率，采用重復采樣10次的平均值作為測量結果。

圖8 24%含水率下10次采集聚焦信號

土壤在不同含水率下的反演聚焦信號幅值如圖9所示，該關系曲線可用以描述區域土壤平均含水率的大小。

圖9 聚焦信號幅值與含水率的關系

由圖9可知：隨著土壤含水率的增加，反演聚焦信號的幅值呈單調下降趨勢。這是因為土壤含水率增大時，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，產生的動水壓力使土壤孔隙增大，孔隙被空氣占據，幅值變小[14]。

4 結論

針對實際滑坡區土壤含水率難以區域性監測的問題，本文采用基于壓電主動傳感信號時間反演法對土壤含水率監測技術進行了試驗研究。試驗結果表明：1）聚焦信號幅值隨著含水率的增大而減小，通過分析聚焦信號幅值可確定土壤的含水率，該方法可以作為土壤含水率區域性監測的一種有效手段；2）時間反演法所得到的聚焦信號能有效提高信號的信噪比。因此，壓電主動傳感時間反演法在土壤區域性含水率監測上具有很好的應用前景。

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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：混凝土結構抗震、監測。E-mail: cthous@scut.edu.cn

何敬民，男，1993年生，碩士研究生，主要研究方向：混凝土材料健康監測。

TP277

A

1674-2605(2020)06-0007-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.06.007