基于应力波时间反演法的土壤含水率监测

侯爽 何敬民

开发设计

基于应力波时间反演法的土壤含水率监测

侯爽 何敬民

（华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640）

针对大范围土壤含水率监测问题，研究基于应力波时间反演聚焦信号的土壤含水率监测技术。采用压电传感器作为激发器和传感器产生并接收应力波信号；利用时间反演技术自适应聚焦可有效提高信号信噪比，将接收信号在时域上反演后作为激励信号再次发出，并采集此得到的聚焦信号，建立聚焦信号幅值与土壤含水率的关系。试验结果表明：聚焦信号幅值与土壤含水率呈正相关关系，基于时间反演法的土壤含水率监测技术在滑坡预警方面具有较好的应用前景。

时间反演；土壤含水率；滑坡监测；压电材料

0 引言

降雨是诱发滑坡的最主要因素之一，尤其暴雨是滑坡活动最重要的诱发因素。根据全国290个县市地质灾害调查结果显示：滑坡在地质灾害中所占比例达51%，而降雨诱发的滑坡约占滑坡总数的90%[1]。降雨入渗会使土壤含水率增加，孔隙水压力增大，降低非饱和土的粘聚力，从而降低土体抗滑力，诱发滑坡发生。因此，研究土壤的含水率监测对滑坡灾害的预警具有重要意义。

土壤含水率测量方式可分为破坏性测量、接触式测量和非接触式测量[2]。破坏性测量主要采用烘干法，即取一定土样放入烘干箱中烘至恒重，然后根据土样减小质量计算土壤含水率；该方法操作简单、结果准确，但费时费力，不适用于大面积测量及实时监测[2]。接触式测量常用FDR法，该方法利用电磁波的传播频率来测量土壤的含水率，测量安全、高效便捷；但目前市面上大部分FDR法的传感器多为收发一体的小型针式传感器，测量范围小，常用于单个测点的土壤含水率测量，不适用于大面积的实时监测[3]。非接触式测量包括红外遥感法、γ射线法和探地雷达法，该方式主要用于测量表层土壤的含水率，测量空间范围有较大局限性[2]。

近年来，压电材料被广泛应用于结构健康监测领域。其中，压电陶瓷材料由于具有信号抗干扰能力强、反应迅速、响应频带宽、同时具备驱动器和传感器功能，在结构健康监测和损伤识别领域发挥重要作用。SONG等发明可嵌入混凝土中的压电智能骨料并利用主动传感方法监测多种混凝土结构的损伤行为[4-5]。KONG等利用这种压电智能骨料通过主动传感方法监测土壤的冻融过程[6]。WANG等进一步研究在不同土壤含水率条件下的土壤冻融过程[7]。可见，基于压电材料的主动传感技术可用来监测土壤的含水率。

在大体积土体含水率监测中，波动方法存在较强信号衰减而受信噪比制约。时间反演技术由于具有自适应性聚焦效果且能有效提高信号信噪比，在众多领域得到广泛应用。法国科学家FINK等[8]将时间反演技术由光学应用到声学领域，并在理论、实验和应用上对其自适应聚焦原理开展深入研究。ZHANG等[9]利用时间反演法对碗扣式钢管连接节点紧固程度进行监测，试验结果表明，聚焦信号幅值随紧固程度的增大而增大，时间反演法在敏感性和抗噪声方面优于能量法。HUO等[10]利用时间反演法获取应力波通过螺栓连接处的聚焦信号幅值，试验结果表明，聚焦信号幅值随着螺栓轴力的增大而增大，时间反演法有较强的抵抗噪声能力。

针对山体滑坡区域大体积、大范围的工程状况，本文提出一种基于压电主动传感的监测方法，利用时间反演技术提高信号的信噪比，并建立反演聚焦信号与土壤含水率之间的关系。首先，在立方体容器内制作土壤试验体；其次，将压电传感器即驱动器及接收器预先埋在土壤试验体内；然后，改变土壤的含水率，通过3个均匀分布的商用水分计对其进行监测，取其平均值作为含水率的参照值；接着，将脉冲信号作用于发射端压电传感器，对接收端的信号进行时域反演后再对发射端传感器进行驱动，即可得到时间反演法聚焦信号；最后，对压电传感器接收的聚焦信号进行分析，对比聚焦信号幅值和土壤含水率之间的关系。

1 压电波动信号时间反演法土壤含水率监测原理

采用时间反演法，对响应信号作时域反演处理：

将式(3)代入式(4)可得

由式(5)可知：响应信号的能量大小可用聚焦信号的幅值来表征。

2 试验装置及监测系统

土壤种类会对波的传播产生一定影响。根据GB/T 50145—2007土的工程分类标准，依据粒径可分为黏土、砂土和碎石土。本文选取砂土作为试验对象，砂土试验材料取自某段开挖工程现场，并依据GB 50007—2011建筑地基基础设计规范进行试验测定，测得该试验对象为中砂，其颗粒组分如表1所示。

表1 砂土颗粒组分

发射端压电传感器为大功率超声波传感器（4SH-3540C），能发出大功率和声压值的超声波。

接收端压电传感器采用免电磁干扰的压电传感器，具有电磁屏蔽、性能稳定和响应迅速的特点。

本文利用2个压电传感器实现收发机制，且其轴心位于同一条直线，相距1 m。为避免传感器在压实土壤过程中发生移位，先将传感器固定在钢筋笼上，如图2所示。

图2 压电传感器固定

土壤试验体放置在1.5 m×0.6 m×0.6 m的立方体容器内，土壤分层加入并层层压实。加入约20 cm厚的土壤后，放入预先固定在钢筋笼上的压电传感器，使传感器处于土壤试验体的中心，同时把3个FDR水分计放置于土层上方，其测得的平均值作为土壤含水率的参考值；再继续加入土壤并充分压实。土壤试验体及传感器布置图如图3所示。

图3 土壤试验体及传感器布置图

数据采集系统由任意波形发生器、功率放大器、电荷放大器、数据采集卡、电脑及收发端压电传感器组成，如图4所示。任意波形发生器AFG-1022生成波形，经功率放大器ATA-2041放大后，输出信号电压为400 V。接收信号经过电荷放大器HK-9210放大后，由多功能数据采集卡NI-6366采集至电脑。数据采集系统实物图如图5所示。

图4 数据采集系统配置图

图5 数据采集系统实物图

研究表明：碎石土边坡含水量为26%时能保持稳定，含水率达到29%时存在滑坡风险[11]；冻土的最大含水率约为27%~32%[12]；强风化岩的最大含水率约为27%[13]。结合滑坡风险和土壤的最大含水率，本试验控制土壤含水率在10%~30%。试验土体烘干处理后的初始含水率为10%。把土样装入容器后，通过喷淋器使水分均匀地渗透到土壤中，每次加水约为5 L，含水率的变化梯度约为1%。静置待水充分渗入土壤后，通过3个埋设在土壤试验体中的FDR水分计测定平均含水率作为土壤即时含水率。

3 试验结果及分析

激励信号为汉宁窗调制的中心频率为500 Hz的正弦脉冲波，如图6所示。汉宁窗调制可减少正弦脉冲的频谱泄露，使信号能量更集中于中心频率。

图6 调制正弦脉冲信号

在24%含水率下，采用时间反演法对土壤含水率进行监测的试验结果如图7所示。

图7 直接接收信号与反演聚焦信号

由图7可知：反演信号聚焦成为一个自相关函数信号，信号强度得到提高，幅值比直接接收信号提高了约50%，由原来的1 V提高到1.5 V。同时，两段信号的噪声水平相当，因此反演聚焦信号也提高了信号的分辨率。由自相关函数在= 0处取得峰值的特点，本试验采用聚焦信号幅值来表征土壤含水率大小。

由于聚焦信号幅值具有一定的离散性，在24%含水率下重复测量结果如图8所示。为降低监测的离散性影响，对每一个含水率，采用重复采样10次的平均值作为测量结果。

图8 24%含水率下10次采集聚焦信号

土壤在不同含水率下的反演聚焦信号幅值如图9所示，该关系曲线可用以描述区域土壤平均含水率的大小。

图9 聚焦信号幅值与含水率的关系

由图9可知：随着土壤含水率的增加，反演聚焦信号的幅值呈单调下降趋势。这是因为土壤含水率增大时，土壤中的自由水逐渐增多，自由水在重力作用下在土壤的空隙中流动，产生的动水压力使土壤孔隙增大，孔隙被空气占据，幅值变小[14]。

4 结论

针对实际滑坡区土壤含水率难以区域性监测的问题，本文采用基于压电主动传感信号时间反演法对土壤含水率监测技术进行了试验研究。试验结果表明：1）聚焦信号幅值随着含水率的增大而减小，通过分析聚焦信号幅值可确定土壤的含水率，该方法可以作为土壤含水率区域性监测的一种有效手段；2）时间反演法所得到的聚焦信号能有效提高信号的信噪比。因此，压电主动传感时间反演法在土壤区域性含水率监测上具有很好的应用前景。

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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：混凝土结构抗震、监测。E-mail: cthous@scut.edu.cn

何敬民，男，1993年生，硕士研究生，主要研究方向：混凝土材料健康监测。

TP277

A

1674-2605(2020)06-0007-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.06.007