周 濤，王 陽，程 琦，芮婷婷，馮志軍，張世文*

(1.安徽理工大學(xué) 空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001)

礦產(chǎn)資源在我國(guó)已有很久的開采史,其開發(fā)力度隨著科技發(fā)展不斷增大,隨之而來的問題便是耕地的破壞[1]。土地復(fù)墾作為耕地修復(fù)的重要手段,在礦業(yè)廢棄地修復(fù)方面起著重要作用[2]。傳統(tǒng)的土地復(fù)墾手段主要為地下充填粉煤灰、煤矸石等[3-4],然后再覆土。在復(fù)墾結(jié)束后,一般會(huì)采取機(jī)械壓實(shí)的方式或自然沉降的措施[5-6],但是無論采用哪種方式,都會(huì)引起土壤的沉降,現(xiàn)階段主要的工作重點(diǎn)便是如何確定土壤沉降的穩(wěn)定時(shí)間。目前土層沉降監(jiān)測(cè)主要是根據(jù)實(shí)際深度的變化而進(jìn)行判斷,主要方式有基于傳統(tǒng)測(cè)繪手段的變形監(jiān)測(cè)[7],其主要應(yīng)用于工程方面,且操作較為復(fù)雜,需要浪費(fèi)大量人力、物力;其次便是衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)[8],但其受天氣影響較大,不易連續(xù)監(jiān)測(cè)。同時(shí),由于土層在沉降過程中內(nèi)部理化性質(zhì)不斷變化,利用這些信息去表征土壤的沉降過程也具有重要意義,主要是利用土壤含水率及容重的變化來進(jìn)行土層沉降的判定[9],但是這種方法在一定程度會(huì)對(duì)土層造成破壞,且不適合大面積探測(cè)。如何更加快捷和高效地表征土層沉降過程具有重要意義。

探地雷達(dá)具有快速、高效和無損等優(yōu)點(diǎn),已在復(fù)墾土壤領(lǐng)域有了較多應(yīng)用[10-11]。依據(jù)探地雷達(dá)獲取的電磁波數(shù)據(jù),可以獲取諸多特征值,而這些特征值可以反應(yīng)土壤內(nèi)部理化性質(zhì)的變化情況,程琦等[12]利用雷達(dá)早期振幅包絡(luò)平均值和頻譜峰值頻率分別建立起與土壤含水率的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了土壤含水率的反演,并發(fā)現(xiàn)隨著土壤含水率的增大,電磁波的峰值頻率逐漸向低頻移動(dòng);Tosti等[13]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析譜圖峰值頻率分量與土壤中黏土含量的響應(yīng)關(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電磁波峰值頻率分量與土壤中黏土含量具有較好的響應(yīng)關(guān)系,隨著黏土含量的增加,頻率峰值逐漸減小。本文旨在利用這些特征值在土層沉降不同階段的變化情況,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土壤特征的表征,Lai等[14]利用短時(shí)傅里葉變換(Short Ti me Fourier Transfor m,STFT)表征混凝土內(nèi)部的水化現(xiàn)象,并結(jié)合反射層的頻率變化信息來表征混凝土內(nèi)水分變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了探地雷達(dá)頻率隨混凝土內(nèi)部水化作用的變化規(guī)律;同時(shí)該團(tuán)隊(duì)還利用小波變換在時(shí)序上分析磚墻干燥中的頻率變化,研究根據(jù)峰值頻率的分布情況可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磚墻干燥程度的表征[15]。目前利用探地雷達(dá)基于時(shí)序上的研究主要集中在建筑材料的表征方面,但是這些研究在復(fù)墾土壤這種非均質(zhì)土壤下的應(yīng)用相對(duì)較少。

本文提出一種借助探地雷達(dá)的信號(hào)變化來反應(yīng)土壤沉降過程的方法,主要利用探地雷達(dá)時(shí)域信號(hào)的振幅信息、頻域內(nèi)的峰值頻率信息以及分界面處的頻率變化情況對(duì)土層的沉降過程進(jìn)行表征,旨在借助雷達(dá)信號(hào)特征值的變化情況,為土壤的沉降過程表征提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)獲取

本次試驗(yàn)?zāi)康闹饕抢锰降乩走_(dá)信號(hào)變化表征復(fù)墾土壤在自然條件下的沉降規(guī)律。建筑垃圾填充是土壤復(fù)墾的一種方式,為模擬復(fù)墾土壤沉降過程,明確土壤沉降過程中的雷達(dá)信號(hào)的變化情況,試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)1 m×1 m 的方形區(qū)域[16],分別開挖深度為60 c m、80 c m 和100 c m,其下填充20 c m 的建筑垃圾,其上為覆土層。試驗(yàn)布設(shè)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)布設(shè)圖

探測(cè)儀器主要選用PRO EX 專業(yè)型探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè),利用關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)法采集數(shù)據(jù),天線中心頻率為500 MHz,時(shí)窗為50 ns,采樣點(diǎn)1 026個(gè),天線平均移動(dòng)速度為0.02 m/s。由于本試驗(yàn)需要獲取新復(fù)墾土壤在不同時(shí)間下的探地雷達(dá)信號(hào)變化,所以需進(jìn)行多次實(shí)地測(cè)量。本次試驗(yàn)于2021年6月2日至2021年7月20日進(jìn)行6次數(shù)據(jù)采集,采樣時(shí)間間隔為一周。根據(jù)實(shí)際記錄情況,在6月2日至6月14日期間,天氣晴朗,未發(fā)生降雨,土層沉降程度較小;在6月14日到7月9日期間,持續(xù)降雨,土層沉降程度較大;在7月9日之后的探測(cè)中,雖有降雨,但土層沉降已經(jīng)達(dá)到較為穩(wěn)定的水平。每次測(cè)量結(jié)束當(dāng)天進(jìn)行探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后共獲取6組數(shù)據(jù)用于分析。同時(shí),在每次探測(cè)中,均會(huì)同步獲取土層沉降量并作記錄。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于無法保證每次測(cè)量中的時(shí)間零點(diǎn)一致,所以采用長(zhǎng)短時(shí)平均值比法(Long Short Window Ener gy Ratio,STA/LTA)[17]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間零點(diǎn)校正,拾取電磁波的零點(diǎn)位置,其中短時(shí)窗平均值(Short Ti me Window Average,STA)為事件信號(hào)振幅或能量變化趨勢(shì),長(zhǎng)時(shí)窗平均值(Long Ti me Window Average,LTA)為背景噪聲信號(hào)振幅或能量變化趨勢(shì),其基本公式為:

式中,i為采樣時(shí)間間距;long、short分別為長(zhǎng)時(shí)窗長(zhǎng)度和短時(shí)窗長(zhǎng)度;γ為觸發(fā)閾值;CF(j)表示微震信號(hào)在i時(shí)刻對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)值。

本次選用特征函數(shù)如下:

經(jīng)過零點(diǎn)校正后的波形數(shù)據(jù)如圖2 所示。通過特征函數(shù)分別計(jì)算相應(yīng)的STA和LTA值及其比值,獲取STA/LTA的變化曲線,第一個(gè)峰值即為雷達(dá)波的初至點(diǎn)。由圖2可 知,CF1 ～CF5 為5 個(gè) 特 征 函 數(shù) 下STA/LTA變化曲線,其中CF1、CF2、CF4、CF5可以明顯反應(yīng)探地雷達(dá)的P 波初至?xí)r間點(diǎn),CF3識(shí)別效果較差,最終所示波形的零點(diǎn)位置為2.13 ns。根據(jù)時(shí)間零點(diǎn)位置,對(duì)同一區(qū)域在不同時(shí)間下的波形進(jìn)行零點(diǎn)校正,以此作為分析基礎(chǔ)。

圖2 零點(diǎn)校正結(jié)果圖

通過零點(diǎn)分析,取STA/LTA變化曲線的第一個(gè)峰值作為雷達(dá)波初至點(diǎn)。在零點(diǎn)校正后,緊接著對(duì)電磁波進(jìn)行去直流漂移、AGG增益、背景去除及巴斯沃斯濾波處理,其主要目的均是為獲取效果較好的雷達(dá)圖像及Ascan波形信號(hào),處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 雷達(dá)信號(hào)預(yù)處理圖

1.3傅里葉變換與短時(shí)傅里葉變換

傅里葉變換(Fourier Transfor m,FT)可以反應(yīng)特定時(shí)間下的頻率變化情況,卻不能明確地揭示頻率內(nèi)容是如何隨時(shí)間演化的。為了克服這一缺陷,需要將一維信號(hào)轉(zhuǎn)換為二維時(shí)頻圖,其中STFT 是時(shí)頻分析中應(yīng)用最廣泛的算法之一,它基于以每個(gè)時(shí)間點(diǎn)為中心的詳細(xì)傅里葉變換。STFT 將信號(hào)與同時(shí)集中在時(shí)域和頻域的窗函數(shù)進(jìn)行比較。對(duì)任何特定時(shí)間下的譜進(jìn)行疊加,以反映信號(hào)行為在時(shí)間和頻率的橫向變化。STFT 算法和窗函數(shù)可以在數(shù)學(xué)上表示為公式(8):

ω(t)是用戶自定義的短時(shí)持續(xù)時(shí)間的窗函數(shù),而x(t)是時(shí)域信號(hào)。這個(gè)窗口的長(zhǎng)度是至關(guān)重要的,并取決于探地雷達(dá)頻率的波長(zhǎng),本文選用漢寧窗為窗函數(shù),考慮到每道信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù),采用16點(diǎn)為窗寬進(jìn)行后續(xù)分析,增益前后的短時(shí)傅里葉變換結(jié)果對(duì)比圖如圖4所示。

圖4 短時(shí)傅里葉變換結(jié)果對(duì)比圖

1.4 土壤沉降過程與電磁波衰減理論

在本試驗(yàn)中,土壤沉降主要分為兩個(gè)階段進(jìn)行。第一個(gè)階段為土壤因外界荷載作用(主要是降雨),自身重力增加引起的下沉,這一階段主要由于土壤處理非飽和狀態(tài),內(nèi)部孔隙度較大,在外力作用下,會(huì)發(fā)生明顯沉降,同時(shí)伴隨著土壤內(nèi)部容重增大,含水率增大。第二階段為土壤自身固結(jié)作用,固結(jié)過程也是孔隙水壓力消散的過程[19-20]。水排出的速度決定了土固結(jié)的快慢,土的滲透性和滲透途徑的長(zhǎng)短,透水性等也會(huì)影響固結(jié)時(shí)間。在該階段中,土壤內(nèi)部發(fā)生蒸發(fā)和下滲作用,伴隨的便是土壤內(nèi)部含水率下降及容重的小幅度增長(zhǎng)。

在土層沉降過程中,隨著土壤內(nèi)部理化性質(zhì)的變化,導(dǎo)致復(fù)墾后不同時(shí)間下電磁波的衰減程度不同,這種情況可用介電弛豫現(xiàn)象來描述。介電弛豫(Dielectric Relaxation)是指當(dāng)電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用(或移去)后,從瞬時(shí)建立的極化狀態(tài)達(dá)到新的極化平衡態(tài)的過程,也是造成介質(zhì)材料存在介質(zhì)損耗的原因之一,由德拜模型可知,在探地雷達(dá)的頻率范圍內(nèi),大多數(shù)介質(zhì)的介電弛豫機(jī)制主要由其介電常數(shù)決定,其中介質(zhì)的介電色散和弛豫頻率取決于材料中水的形式[21]。

2 結(jié)論與分析

2.1 時(shí)域信號(hào)分析

為探究分界面處振幅隨時(shí)間的變化情況,對(duì)原始時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析。3個(gè)區(qū)域某一點(diǎn)位處的隨時(shí)間變化的時(shí)域信號(hào)圖如圖5所示。由于高頻電磁波在土壤中受到較多衰減,所以進(jìn)行了增益處理。

圖5 時(shí)域振幅波形圖

由圖5可知,在前3次探測(cè)中,信號(hào)振幅值在15 ns左右開始有了較為明顯的響應(yīng),而在之后的探測(cè)中,振幅響應(yīng)時(shí)間由前3次的15 ns之前推遲到后3次探測(cè)的15 ns,主要原因是隨著土壤含水率及容重的增大[22],土壤層的介電常數(shù)隨之增大,電磁波的傳播速度變慢,導(dǎo)致電磁波在土壤層的雙程走時(shí)增多。在起初3次探測(cè)中,分界面處的振幅信息未得到較好的響應(yīng),說明在沉降初期,集中在表面的水分主要以蒸發(fā)為主,下滲作用較慢,上下層的介電常數(shù)差異較小,并未對(duì)下層的介質(zhì)造成影響;在后3次探測(cè)中,隨著降雨增多,水分的下滲,分界面位置的振幅峰值也逐步增強(qiáng),說明隨著土壤沉降,水分的下滲引起上下層介電常數(shù)差異的縮小[23],從而導(dǎo)致振幅峰值的上升。

2.2 頻譜信號(hào)分析

為探究電磁波在不同復(fù)墾后的整體衰減情況,通過傅里葉變換將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)至頻域,根據(jù)頻域中的峰值頻率信號(hào)來獲取電磁波在土壤沉降過程中的衰減情況。經(jīng)過傅里葉變換之后的頻譜圖如圖6所示。由于起初兩次探測(cè)時(shí)受到降水影響較小,其頻譜信號(hào)結(jié)果相似,故僅以其中一次為例。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域分別獲取5次探測(cè)結(jié)果的頻譜圖。

由圖6可見,3個(gè)區(qū)域的主頻峰值均在6月14日達(dá)到最高,為380 MHz,這主要是因?yàn)樵囼?yàn)初期,試驗(yàn)區(qū)域處于干燥的環(huán)境中,主要以水分的蒸發(fā)為主,土壤內(nèi)部水分的減少導(dǎo)致電磁波衰減程度降低,峰值頻率向高頻移動(dòng);6月14日之后受降水影響,土層沉降明顯,該階段的峰值頻率變化均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),峰值頻率由之前的380 MHz衰減至7月9日的220 MHz,由于土壤在沉降過程中含水率及容重的加大了電磁波的衰減力度,從而使得峰值頻率下降;在后兩次探測(cè)中,峰值頻率并未一直在降低,而是有明顯的上升,峰值頻率主要分布在250 MHz左右,隨著土壤內(nèi)部的固結(jié)作用開始發(fā)生,土壤內(nèi)水分排出,水對(duì)電磁波的影響減小,峰值頻率逐步向高頻處移動(dòng)。前兩個(gè)區(qū)域的峰值頻率均呈現(xiàn)出先增加后減小再增加的趨勢(shì),而第3個(gè)區(qū)域?yàn)橄仍黾雍鬁p小,主要是由于覆土較厚,較其余兩個(gè)區(qū)域沉降較慢[22]。

2.3 短時(shí)傅里葉變換

由于傅里葉變換分析僅為總體上的信號(hào)衰減,缺少必要的時(shí)域信息,為進(jìn)一步探究直達(dá)波和分界面處的頻率變化情況,將信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換如圖7所示。由圖7可見,覆土40 c m 處的沉降過程中的探測(cè)結(jié)果,第一個(gè)響應(yīng)較為強(qiáng)烈的地方為直達(dá)波信號(hào),由于填充層與土層之間介電差異,導(dǎo)致分界面處出現(xiàn)較強(qiáng)的能量波動(dòng),第二個(gè)響應(yīng)較為強(qiáng)烈的區(qū)域則為土層與填充層的分界位置。

圖7 不同時(shí)序下探測(cè)中短時(shí)傅里葉時(shí)頻譜

隨著時(shí)間的推移,分界面處的能量變化呈現(xiàn)出先增強(qiáng)、再減弱并趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)殡S著土壤含水率升高,土壤容重的增大,導(dǎo)致土層的介電常數(shù)不斷增大,從而引起上下界面介電常數(shù)差異增加,反射系數(shù)從而增加,分界面處的能量變化隨之增加;在第4次觀測(cè)中,分界面出的峰值達(dá)到最高,隨著土壤內(nèi)部水分的飽和[24],上下界面介電常數(shù)差異達(dá)到一個(gè)最大值,從而引起分界面處的能量信息增強(qiáng)至最大值;而在最后兩次探測(cè)中,分界面處的能量略有降低,由于在之前土壤內(nèi)部水分及容重已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的水平,固結(jié)作用的發(fā)生導(dǎo)致水分的流失,伴隨著土壤內(nèi)部水分蒸發(fā)及下滲作用,所以分界面處能量才會(huì)發(fā)生減小。

綜上分析,土層在沉降過程中,分界面處的能量變化會(huì)處于動(dòng)態(tài)變化之中,其主要變化趨勢(shì)為:先增強(qiáng)、再輕微減弱、最后保持穩(wěn)定波動(dòng)。根據(jù)能量峰值的變化情況,可以初步判斷土壤內(nèi)部的水飽和情況,進(jìn)而獲取土壤內(nèi)部沉降情況。

對(duì)6次探測(cè)數(shù)據(jù)分別獲取其直達(dá)波和反射層峰值對(duì)應(yīng)的頻率信息,同時(shí)制作時(shí)序下的頻率變化圖如圖8所示。不同覆土厚度下的土壤曲線沉降如圖9所示。由圖8可見,以分界面為中心的頻率在前3次探測(cè)中變化較大,以下降為主,分界面處的頻率分量由最開始的465 MHz逐步減小至400 MHz以下,隨著土壤的沉降過程,分界面處的介電常數(shù)在不斷的增大之中,引起其頻率值的不斷降低;在最后3次探測(cè)中,頻率變化趨于穩(wěn)定,分界面處的頻率分量略有上升,達(dá)到400 MHz左右,電磁波衰減程度不大,土壤沉降以固結(jié)作用為主,這與圖9所示的土壤沉降過程曲線相似。而直達(dá)波的頻率變化隨著時(shí)間起伏不定,這主要是受到表層土介電常數(shù)變化的影響。

圖8 直達(dá)波和分界面處的頻率變化曲線

圖9 不同覆土厚度下的土壤曲線沉降

根據(jù)直達(dá)波及反射層峰值頻率的變化情況可知:由于兩個(gè)位置的頻率變化情況并未保持同一或相互對(duì)立的變化趨勢(shì),說明表層土壤的變化僅僅影響直達(dá)波的頻率變化,并不會(huì)對(duì)反射層造成較大影響。同時(shí)說明土壤結(jié)構(gòu)內(nèi)的理化性質(zhì)才是影響反射層峰值頻率變化的原因,由于土壤結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,所以這種影響效果并不明顯。

2.4 規(guī)律分析

在圖8所示的短時(shí)傅里葉變換中,可以發(fā)現(xiàn)最初的峰值頻率隨時(shí)間不斷變化,這是因?yàn)橥寥涝诔两颠^程中的不同時(shí)期對(duì)頻率的吸收程度不同,以及相應(yīng)的介電弛豫現(xiàn)象所引起的。在土壤的飽和過程中,含水量增多,復(fù)介電常數(shù)虛部?jī)A向于吸收電磁波的高頻分量,所以土壤在飽和過程中頻譜由高端向低端移動(dòng);而隨著土壤固結(jié)作用的發(fā)生,土壤內(nèi)水分隨著下滲及蒸發(fā)作用減小,電磁波的衰減程度減小,使得頻譜由低端向高端移動(dòng)[14]。

為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,本研究在試驗(yàn)后再進(jìn)行一次探測(cè),共有7組數(shù)據(jù)用于分析。根據(jù)短時(shí)傅里葉變換獲取的以分界面處的頻譜圖如圖10所示。箭頭代表變化趨勢(shì)。由圖10可知,共分為3個(gè)階段,即布設(shè)試驗(yàn)結(jié)束后,初期試驗(yàn)區(qū)域受降水影響較小,這一階段土壤未發(fā)生明顯沉降,土壤內(nèi)水分變化較小,對(duì)電磁波影響較小,峰值頻率主要在400 MHz左右微波動(dòng),但波動(dòng)效果并不明顯,在沉降初期,表層水分的變化對(duì)下層影響較小;第2階段為土壤在水分飽和過程中發(fā)生的沉降,這一階段內(nèi)的峰值頻率變化為由高端向低端移動(dòng),峰值頻率由開始的400 MHz衰減至320 MHz左右,在土壤的瞬時(shí)沉降階段,含水率由非飽和發(fā)展到飽和,土壤內(nèi)部的介電常數(shù)受含水率影響不斷增大,電磁波衰減增大;第3階段為土壤內(nèi)部的固結(jié)作用,峰值頻率主要由低端向高端移動(dòng),固結(jié)作用中主要是水分的排出,由于水分對(duì)于電磁波的干擾起主導(dǎo)作用,電磁波的衰減程度有所下降,所以峰值頻率會(huì)提升至390 MHz左右。

圖10 3個(gè)階段的頻譜變化曲線

土壤沉降過程中,自由水在高頻電場(chǎng)作用下受到束縛和限制極化,因此,高頻分量的衰減較小,頻譜移到較高的一端,從而產(chǎn)生更高的峰值頻率值。3個(gè)階段的總體頻譜變化圖如圖11所示。由圖11可見,第1階段擁有最高的峰值頻率值,其次是第3階段,最后則是第2階段,并且第1階段為頻率的最大值,即電磁波衰減最小的時(shí)期。在土壤的沉降過程中,譜圖峰值頻率會(huì)根據(jù)具體的情況隨時(shí)間波動(dòng)變化,若一開始為頻率衰減最小的時(shí)間,則峰值頻率會(huì)隨著各階段土壤含水率的主要變化情況產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化,頻率分量也會(huì)經(jīng)歷時(shí)高時(shí)低的變化趨勢(shì),整體上呈峰值頻率逐漸減少后增加的趨勢(shì),并最終趨于穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài),且最終的峰值頻率不會(huì)高于初始頻率值。主要是由于復(fù)墾土壤的土層總體上處于不斷的動(dòng)態(tài)變化之中,所以其內(nèi)部的頻率變化并不穩(wěn)定,但在土壤沉降過程中會(huì)出現(xiàn)頻率變化的極值點(diǎn),之后的頻率變化將處于這個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖11 土壤沉降過程分界面處頻譜變化

3 討論

土層的沉降是一個(gè)復(fù)雜且無規(guī)律的過程。本研究通過設(shè)計(jì)將土壤沉降分階段進(jìn)行模擬,在自然條件下,土壤環(huán)境受外界條件和自身?xiàng)l件的聯(lián)合影響,主要包括降水、土壤內(nèi)部水分蒸發(fā)、下滲作用及自身的固結(jié)作用等[25]。本文將這些相互交叉的變化情況具體分離,將土壤沉降進(jìn)行具體的在某一特定情況下變化情況,主要為:無外界干擾,在非飽和狀態(tài)下依靠自身重力的沉降;進(jìn)行降水干擾,土壤在外加荷載及接近飽和狀態(tài)時(shí)發(fā)生的沉降;最后為減小外界干擾,土壤內(nèi)部固結(jié)作用下的沉降情況。由于土壤沉降過程中水分的變化最為突出[15],而探地雷達(dá)對(duì)水有著最高的敏感性,所以,依據(jù)探地雷達(dá)的信號(hào)變化表征不同階段的沉降過程,具有較高的可行性。安鵬等[16]研究表明,土壤內(nèi)部水分的變化會(huì)隨著沉降變化逐漸增加,而電磁波的頻率衰減在很大程度上反應(yīng)的是土壤內(nèi)水分的變化,瞬時(shí)沉降階段,電磁波衰減程度增加;而在土壤固結(jié)階段,伴隨著水分的排出,電磁波的衰減情況會(huì)有所減小,當(dāng)土層沉降穩(wěn)定后,電磁波的衰減會(huì)趨于動(dòng)態(tài)平衡之中,說明可以通過探地雷達(dá)信號(hào)的變化進(jìn)行土壤沉降過程的判斷,為土壤結(jié)構(gòu)的沉降過程提供參考依據(jù)。

在本研究中,結(jié)合分界面處的振幅及頻率信息,進(jìn)而分析土層的沉降過程。土層沉降過程中,分界面處的情況是最為復(fù)雜的,由于土層與填充層的混合會(huì)影響分界面處的介電常數(shù)變化,從而導(dǎo)致分界面處的振幅變化,當(dāng)土層沉降穩(wěn)定后,振幅信號(hào)會(huì)保持穩(wěn)定;同時(shí)本文利用短時(shí)傅里葉變換,獲取了分界面位置處的頻率變化曲線,并繪制曲線變化圖,在土層的瞬時(shí)沉降過程中,由于水分的下滲作用,分界面處的頻率分量會(huì)隨著沉降過程不斷減小,當(dāng)土壤內(nèi)部水分達(dá)到飽和狀態(tài)之后,外界因素的影響減弱,土層內(nèi)部的固結(jié)作用開始起主導(dǎo)作用,分界面處的水分減少,其頻率分量隨之增大,說明分界面處的頻率變化可以反應(yīng)土壤的沉降情況,并可以根據(jù)探地雷達(dá)信號(hào)判斷土層的沉降階段。

同時(shí),本文依舊存在一些局限性。在研究中僅僅利用含水率及容重作為雷達(dá)信號(hào)的影響因素,雖然水對(duì)電磁波的影響最為突出,但其他因素也可能造成電磁波的擾動(dòng),從而影響結(jié)果;同時(shí),由于各項(xiàng)沉降過程會(huì)存在同時(shí)發(fā)生的可能,而本文僅考慮每個(gè)階段主要的沉降階段,并未考慮其他方面的因素,可能在數(shù)據(jù)上會(huì)存在一定偏差,所以,還需在后續(xù)的研究中進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

根據(jù)上述分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)根據(jù)原始時(shí)域信號(hào),隨著復(fù)墾時(shí)間的增長(zhǎng),分界面處的振幅響應(yīng)逐步增強(qiáng),并且其隨著復(fù)墾后時(shí)間的增長(zhǎng)逐步變化,呈現(xiàn)出先增加后減小再增加的趨勢(shì)。

(2)結(jié)合傅里葉變換后的頻譜圖,隨著沉降過程,電磁波衰減程度在瞬時(shí)沉降階段以增大為主,隨著瞬時(shí)沉降階段的結(jié)束,達(dá)到最高的衰減程度;在土壤固結(jié)階段,電磁波的衰減程度會(huì)有所下降,總體上處于動(dòng)態(tài)波動(dòng)之中,待土層沉降結(jié)束,電磁波衰減程度逐步趨于穩(wěn)定。

(3)根據(jù)短時(shí)傅里葉時(shí)頻圖,土層在沉降過程中,分界面處的頻率分量在瞬時(shí)沉降階段以增強(qiáng)為主;在土壤固結(jié)階段,其頻率分量會(huì)有輕微減弱;當(dāng)土層沉降穩(wěn)定后,其會(huì)保持在較為穩(wěn)定的范圍。