（地球探测与信息技术专业论文）瑞利波“之”字形频散与道路结构频散曲线的正演研究.pdfVIP

摘要 瑞利两波勘探法是近颦来才逐渐兴起的一种浅层地球物理勘探 毅方法。该方法具有操撵麓镬、或本低等饶患，它藐逐速获褥发映遣 层结构情况的频散蓝线，盥在浅层勘探方酾舆有较高的探测精度，因 而在工耧地质勘察和工程质量无损检测领域得到了越来越广泛的应 题。 本文猩前入研究的基确上，针对道路结构等典型的浅屡地球物理 系统进行研究，重点研究瑞利波“之”字形频散曲线产生的臌因和道 路结构瑞剩波频散酋线麴快速求取同题。 l 、在详缁分橱国内外对瑞剃蟊渡鲶瑗论磷究移应焉现状之癌， 作者对水平层状介质中瑞利导波的传播理论做了认真地分析，并对二 层、三层层状固体介质模型，以及含液体夹层的三层模型的瑞利导波 穗速度鞠群速度频教鏊线谶行了正演摸羧。模掇研究发瑶：蠢麓穰导 波存在多个模式时，各模式的相速度频散髓线是永远不相交的，只是 随着频率的增大，相邻两频散曲线可能相交的趋势更强烈，这完善了 蓖大对既润遂魏谈识，为璃裂波磅究及在工程孛鲶应用奠定了理论基 础；研究遂发现了一种新的导波模式一一截断模式，即一条譬波频散 曲线被分为分离的两段。e i j 多导波模式的棚速度频散曲线述可知，对 予二层圆体介质、结构屡憨横渡速度隧涤腱 恧递增的三层潮体介覆、 含硬夹藤( 郎高速夹层) 韵三层露体介矮褥宙，若频率，峙o h z ，其 基阶模式的瑞利波福速度e _ y 睡( y 穗为最底层介质的瑞剽波速度) ； 若厂呻0 0 ，其基阶模式的呻。( 一。为最上层介质的瑞利波速度) ； 因此，随着频率厂逐渐升高，野外实测的瑞利波相速度曲线应该主 要舞基除学波模式。当三鼷潮体奔覆中存在软夹层( 瑟低速夹层) 露， 若厂畸o h z ，则其基阶模式的相速度寸( 为最底层介质的瑞利 波速度) ；若j r _ a o ，其基阶模式一：( 吩：为中间层介质的横波速 发) ；蓉三层奔曩中存在波锩夹层，当，。o h z 辩，基除模式匕一， 而基阶模式在高频段存在一个截止频率，截止频率处的瑞利波速度 一一：；由此可判定，野外实测的相速度频散曲线不仅有基阶导波 模式，冠时还瘦有高阶导波模式渡的存在，搂收信号孛存在模式阗的 跳跃，弱此频散益线会产生“之”字形现象。 2 、模拟计算了二层或兰层介质模型存在多导波模式时，各导波 模式在地袭的垂直位移大小，并讨论了声源中心频率变化对警波位移 懿彭嚷。鸯模熬结果可躲，当奔质孛存在低速夹屡时，导波骥壹位移 的幅值曲线是由各阶模式裁加而成，不存在一个位移始终占优势的导 波模式；由此可见，检波器接收到的信号此时是多导波模式的叠加， 在多模式囊翔的黎接魅，激予龛芝量豹毒连续缝两产生爱垂麴跳跃，奎 此出现“之”字形。当介质中没有低速夹魇存在时，其位移的幅值蓝 线主要以基阶导波模式为主，说明此情况下检波器接收到的主要为基 酚模式。樱攮与实溺资瓣蚋对滋，说明了从缆移最大豹角度煞释“之” 字形是合理的。此外，导波的位移与声源的参数存在密切关系，如声 源的中心频率发生变化时，各导波模式的激发强度( 即位移) 会发生 变化。所以在野外勘探中殿根据勘探目的的不同，将声源频鬻控制在 合理的范围内，以便激发越有效的瑞利面波。 3 、论文对道路结构地层频散曲线的求髂进荦亍了探讨。采用借助 予醚翔瑟的办法，帮在诗舞频教莹线时，梵计算鹭静酶需要，骰定在 路基的底都还存在一材质与面层完全相同的半无限层，由此可将复数 域的求解问题转化到实数域，用传递矩阵理论即可求解。通过与垂直 柔嚣系数法计算结果懿对魄来看，该方法燕霹行麴。魏努，遂籍结稳 最大位移的频散曲线是巍多个模式叠加而成。由此可断定，= 黻考虑瑞 利波泄漏模式的情况下，实际勘探中道路络构的频散曲线也会存在 “之”字澎现象。 关键词瑞利波，“之”字形频散曲线，正演模拟计算，导波，泄漏 模式波，道路结构，浅层地球物理系统 a b s t r a c 蛋 r a y l e i g h w a v e p r o s p e c t i n g i san e wn e a r - s u r f a c e g e o p h y s i c a l m e t h o d i th a sb e e n w i d e l yu s e di ng e o - t e c h n i c a ls i t ei n v e s t i g a t i o na n d n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，b e c a u s ea d i s p e r s i o nc u r v ec o r r e s p o n d i n gt ot h e s t r u c t u r eo fs t r a t ac a nb eo b t a i n e d q u i c k l yb yt h i sm e t h o d ，a n di t s o p e r a t i o ni se a s ya n de c o n o m i c 。i th a sa l s oh i g h p r e c i s i o ni nn e a r - s u r f a c e p r o s p e c t i n g 。 w h y t h e r ea r ez i g z a gd i s p e r s i o nc u r v e sa n dh o w t oc a l c u l a t et h e r a y t e i g hd i s p e r s i o nc u r v e sq u i c k l yf o rp a v e m e n t s y s t e m sa r es t u d i e di n t h i sp a p e r a f t e rt h er e v i e wo ft h ed e v e l o p m e n to f r a y l e i g hs u r f a c ew a v e ，t h e a u t h o rh a sd e d u c e dt h ed i s p e r s i o n e q u a t i o no fg u i d e dw a v e sp r o p a g a t i n g i n s t r a t i f i e d h a l f - s p a c e b a s e do nt h et r a n s f e rm a t r i x a p p r o a c h ，a n d c a l c u l a t e dt h er a y l e i g hp h a s ev e l o c i t i e sa n dg r o u pv e l o c i t i e so fs o m e m o d e l sc o n s i s t i n go ft w o t h r e e h o m o g e n e o u sl a y e r s a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t s ，w ek n o wt h a tt h ed i s p e r s i o nc u r v e sd on o ti n t e r s e c tw i t he a c h o t h e r f o r e v e r , b u tt w o a d j a c e n td i s p e r s i o n c u r v e s p r o b a b l y h a v e i n t e r s e c t i o nt r e n dw i t ht h e 抒e q u e n c yi n c r e a s i n g an e w k i n d so fm o d e h a sa l s ob e e nf o u n db yt h e a u t h o r , n a m e l yt h e t r u n c a t i o nm o d e 。i t s d i s p e r s i o n c u r v eh a sb e e nd i v i d e di n t ot w od e t a c h e d p a r t s f o r a h e t e r o g e n e o u se l a s t i cs o l i dc o n s i s t i n go ft w oh o m o g e n e o u sl a y e r s ，t h r e e 知 h o m o g e n e o u sl a y e r sw h o s e s h e a rw a v ev e l o c i t i e si n c r e a s i n gw i t hd e p t h ， o rt h r e eh o m o g e n e o u sl a y e r sw h o s ei n t e r l a y e rh a sh i g h v e l o c i t y , i f t h e r e 越em u l t i 。m o d ed i s p e r s i o nc u r v e s ，t h ep h a s e v e l o c i t y o ft h e f i r s t m o d ew i l lc l o s eu pt ot h er a y l e i g hw a v ev e l o c i t yo f t h eb o t t o ml a y e r w h e nf r e q u e n c yf 寸o h z ，a n d o f t h ef i r s tm o d ew i l lc l o s eu pt ot h e r a y l e i 曲w a v ev e l o c i t y o ft h et o pl a y e rw h e n ，寸。t h e r e f o r et h e d i s p e r s i o nc u r v e so b t a i n e d i nt h ef i e l da r ep r i m a r i l y c o n s i s t e do f t h ef i r s t m o d e f 黼ah e t e r o g e n e o u s e l a s t i cs o l i dc o n s i s t i n go f t h r e eh o m o g e n e o u s l a v e r sw h o s eh a t e r l a y e rh a sl o wv e l o c i t y , t h ep h a s ev e l o c i t y o f t h e f i r s tm o d ew i l la l s oc l o s eu p t ot h er a y l e i g hw a v ev e l o c i t yo f t h eb o t t o m l a y e rw h e nf r e q u e n c yf - o h z ，b u t o f t h e f i r s tm o d ew i l lc l o s eu p t o t h es h e 8 rw a v ev e l o c i t yo ft h ei n t e r l a y e rw h e nf _ o o ，a n d t h e r ei sa c u t - o f ff r e q u e n c ya th i 幽f r e q u e n c yr e g i o n f o rt h ef i r s tm o d ea n d c l o s eu pt ot h ec o m p r e s s i o n a lv e l o c i t yo fi n t e r l a y e rw h e n i n t e r l a y e ri s l i q u i d c o n s e q u e n t l y t h e d i s p e r s i o n c u r v e so b t a i n e d i n i n v e s t i g a t i o n c o n s i s to fm u l t i m o d eg u i d e dw a v e s 。t h ez i g z a gd i s p e r s i o nc u r v e s w i l l o c c u rb e c a u s eo f j u m pa m o n g m o d e s 。 s e c o n d w h e nm o d e l sc o n s i s t i n go f t w o t h r e el a y e r s h a v em u l t i m o d e g u i d e dw a v e s ，t h ea u t h o rh a sc a l c u l a t e dt h e i rv e r t i c a ld i s p l a c e m e n t sa t t h e 缸es u f f a c e ，a n da n a l y z e d 趣er e l a t i o n s h i p w i t ht h ec e n t r a lf r e q u e n c y o fs o u r c e a c c o r d i n g t ot h em o d e l i n gr e s u l t s ，t h em a x i m a ld i s p l a c e m e n t c u r v ec o n s i s t so f d i f f e r e n tm o d e sw h e nt h e r ei sal o wv e l o c i t yi n t e r l a y e r t h e r e f o r e ，t h es i g n a l sd e t e c t e di nt h o s ec o n d i t i o n sc o n s i s to fm u l t i m o d e g u i d e dw a v e s ，a n dt h ez i g z a gd i s p e r s i o nc u r v e sw i l lb eo b t a i n e db e c a u s e t h ee n e r g i e so fg u i d e dw a v e sa r ed i s c o n t i n u o u sb e t w e e ne a c ho t h e r i f t h e r ei sn o tal o w v e l o c i t yi n t e r l a y e r , t h em a x i m a ld i s p l a c e m e n tc u r v ei s t h ec u r v eo ft h ef i r s t m o d e a c c o r d i n g t ot h e c o m p a r i s o n w i t h g e o t e c h n i c a ls i t ei n v e s t i g a t i o nd a t a ，o u ra n a l y t i c a lm e t h o d i sr i g h t t h e d i s p l a c e m e n t s o f g u i d e d w a v e sh a v ea l s oc l o s er e l a t i o n s h i pw i t hs o u r c e s 。 f o re x a m p l e ，t h ed i s p l a c e m e n t sw i l l c h a n g ew h e nt h e s o u r c ec e n t r a l f r e q u e n c y h a sb e e n c h a n g e d i t i n d i c a t e st h a tw es h o u l ds e l e c ta n a p p r o p r i a t ec e n t r a lf r e q u e n c ys ot h a tw e c a l lr e c e i v ee f f e c t i v es i g n a l si n t h ef i e l de x p l o r a t i o n f i n a l l y , t h e a u t h o rh a sd i s c u s s e dh o wt oc a l c u l a t et h ed i s p e r s i o n c u r v e so f p a v e m e n ts y s t e m s ，i m a g i n e t h e r ei sas e m i - i n f i n i t el a y e rw h o s e m a t e r i a lp r o p e r t i e sa r es a m ew i t ht h et o pl a y e ru n d e rt h es u b g r a d e ，s o t h ec o m p l e xr o o t sb e c o m er e a lr o o t s ，a n dw ec a nc a l c u l a t et h eg u i d e d w a v e sd i s p e r s i o nc u l v e si n r e a ld o m a i nb yt r a n s f e rm a t r i xa p p r o a c h a c c o r d i n gt o t h e c o m p a r i n gr e s u l t s w i t ht h e o r e t i c a l d i s p e r s i o n c u r v e c a l c u l a t e df r o mp e a k so fv e r t i c a lf l e x i b i l i t yc o e f f i c i e n t ，t h en e wm e t h o d i sf e a s i b l e f u r t h e r m o r e ，t h em a x i m a ld i s p l a c e m e n tc u r v eo fp a v e m e n t s y s t e m s c o n s i s t so fd i f f e r e n tm o d e s ，t h e r e f o r e ，t h e r ea r ez i g z a gd i s p e r s i o n c u r v e si nn o n d e s t r u c t i v et e s t i n go fp a v e m e n t sw h e nt h el e a k ym o d e w a v e sa r ec o n s i d e r e d v i k e yw o r d s r a y l e i g hw a v e s ，z i g z a gd i s p e r s i o nc u r v e s ，f o r w a r d m o d e l i n g ，g u i d e dw a v e s ，l e a k ym o d ew a v e s ，p a v e m e n ts y s t e m s ，s h a l l o w g e o p h y s i c a ls y s t e m s 原创性声明 本人声明，所呈交的攀使论文是本人强导师指导下进行的研究工作 及取褥筑磷究残暴。尽我聪翔，除了论文中褥粼麴以标注翻致谢魏遗方舞， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：型年月五 关于学位论文使用授权说明 本人了解孛南大学毒关僳餐、使用学缎论文翡飙定，鄯：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用簸印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 乍者签名：导爆签名圣垒竺刍期：醴年二白兰旦 博士学位论文 第濑绪论 第一章绪论 自从藏潮数学物理学家r a y l e i g h 发现瑞利波之后。国内外大量的鬻者对瑞 利波在各种介质中的传播理论谶行了广泛丽深入的研究。瑞利波勘探技术近几 年来在工援镁域中豹应用得到了缀大发震，应用的蒋鼹迮逐渐扩大，麴在地震 分屡、建滋魏瑾力学参数诗雾秘密实穆浇羯装、嚣撬速下空漏、藤溺缝下嚣舞 物体、检测灰土及强夯地基密窝情况、公路路基及强健路面检测、滑坡调查等 方面，都取得了较好的应用散聚。且前，瑞利波勘探法己成为浅层或趟浅层地 球物理勘探和工程岩体及施工质量检测的主要勘搽手段之一。 1 1 发展历史概况 波是扰动沿空间的传播。谯无限固体介质中能够传播的波有纵波( 义称p 波) 和横波( 又称s 波) 两种体波，它们在介质内独立传播，当遇到弹性分界 蕊对会发生发射、透射和折射。当介质中存在弹性分界面时，体波农定条件 下翊互予涉并叠燕产生次垒波，这类次生波被称必麓波。嚣渡与弹瞧分赛瑟裒 关，它主蘩沿着夯震躲分赛羲健搔，其麓萤随藿与弊嚣距离豹增蕊露遮遵衰壤。 面波有两种类型，一种是质点猩波的传播方向垂巍平面内振动，质点的振动轨 迹为逆时针方向转动的椭圆，胤振幅随深度呈指数规律急剧衰减，矮传播速度 略小于横波，r a y l ej g h 于1 8 8 7 年从理论上对该类测的波给于了证明“，所以称 之为臻铡没( 藏r 渡) ；贯一种怒震意杰垂直于波传攘方肉豹水平弱国援动，它 是由l o v e 疑现的，称梵拉夫泼。 面波勘探( 又称弹性波频率测深) 是一种新兴的岩土原位测试、浅层地震 勘探方法。燕要有两种类型：瑞利面波( r a y l e i g hw a v e ) 勘探和勒夫灏波( l o v e w a v e ) 勘探。在岩土工程测试中以瑞利面波在振动波组中能量最强，搬幅最大， 频率最低，容翕识别也易于溺爨，辑戬嚣波勘探以端剩波勘搽为主让1 。窀鞠其它 耪擦方菠一谨，哥分为天_ 工深耱天然漂嚣丈类o ；。 在传统的地震勘探中，一般是和用p 波与s 波的信息，而瑞利波邋常被认 为是干扰波。后来，人们发现剿用面波频散特性w 研究地壳和上地幔绪构。因 此，从二十世纪五十年代起，人们开始利用天然地震中的面波来解析地球内部 构造；从：十世纪六+ 年代起，又利焉徽动中的磷波信息来推断地球没鄢构造。 蘸老主要袄羰楚震含筵懿天然趣震记录，毒鞋润程警麓懿弱袋缝；溪考鋈麓 微动信怠在地球上无时不有，凭处不在，所以天然源箍波勘探首摧露赣。 人工源丽波勘探方法也有两种，即瞬态面波勘探和稳态面波勘探。瞬态法 博士学位论文第章绪论 与稳态法瓣速爱在予震源黎不麓，兹者是在懿繇土产生一瓣霹潼毒力，产生一 定频率范瞄的瑞利波，不同颓率的瑞利波叠加程起，以脉冲的形式向前传播： 后者则产生单一频率的瑞利波，可以测得单一频率波的传播速度。所以，瞬态 记录的信号要经过频谱分析，把各个频率的瑞利波分离开来，从黹得到一条 一，或一五，曲线，以此携断地下介质的倍恩。 1 9 6 0 冬，嚣整美謇久鬟伊竞罗薅( h o y k a l l e m ) 鞠槎蘩蒋善次愿稳；鑫激振器 作为掇派，求出了道路断西的瑞利波速度分布，逸就是稳态面波劫掇的最初应 用。同锥，美国密西西比陆翠工程队水路试验所也开始研究稳态面波勘探技术， 但由于幽时技术条件的限制黼未能成功。 孵杰法又称瑞剥波谱分攒法，是出美国得觉萨靳大学首先提如“1 。2 0 世纪 ? 0 年代，嚣整美霉天意愚( f 。莪。c h a n g ) 露墨零綮德( r 。rb a l l a r d ) 透嚣了一 次瞬态瑟波勘探试验，并褒第4 2 盾s e g 年会上擞静了袍们的成莱，稳当时来弓l 起人们的关注。 1 9 8 5 年，斯托克( s t o k o e ) 和纳扎利安( n a z a r i a n ) 采用冲谐振源，通过 两个检波器之间波的互谱棚馒信息，求出了不同频率面波的相速鹰，进而求出 道鼹凝憨黝瑞裂波速度分毒，这是簧初豹瓣态瑟渡勘探试验，款嚣您雩l 寒了瓣 态蔼波魏搽方法斡奏正兴怒。 使穗态面波勘探实现实用化、商品化的摄日本人，而使瞬态瓣波勘探真正 成为商鼢化的则是中国人。 日本人每雄辉记( m e l l o n ) 和佐藤长范( z o t o n ) 等经过八年殿农的艰辛研 究，于1 9 8 2 年左右推出g r 一8 1 0 稳态耍波投8 试系统，从露薤穗态蕊波勘探步入 了实焉稼、藏翕纯除段。1 9 8 4 年v i e 株式会柱将藏设备雍广戮串鬻，辱| 起了我 国地质工作者的极大兴趣。出于该设备昂贵，我园引进该设备较少，迄今为止 仅有两单位购置了此设备。我国学者采用边弓i 进一边研究的方法，经过约三、 四年的窳践。就基本上掌撼了该项技术，并生产出了自己的设备，地矿部河北 建球物璎觏查院子1 9 8 7 年就便爝国产设备将稳杰嚣波勘探技术赐予地基改整评 稔襄公黪工程囊耋无损捡测。 由于稳态瑞利波所用的设备笨重，激发能爨、频率范围有限，我闰于1 9 9 0 年左右又开始了对瞬态面波勘探技术的研究试验。最初的数据采集直利用两 个竖喜分慧检波器接收方式，数据的信噪比较低，数据处理也不嵬替，探测深 度和糖发酃有限。1 9 9 3 年，刘云被等利用自己设计的地震铰，在数援采集上采 蠲曩拜撼捌多遂接救，在数爨楚瑾上爨逶i 童多瀵溪渡记录帮专弱戆遴较箨来处 理面波滚皮变化曲线，再缀艨演拟合计算进行速度分层解释，把锈澎振源的面 波探测深度由l o m 左右提高列约3 0 m ，条件好的情况可达5 0 m 以上，撼本能满足 2 博士学位论文 第一奄绪论 岩工程麓察戆需要，扶 蠹绥瓣态嚣波麓搽技零上了一令薪台除，实魂了瓣态 面波勘探的实用化、商品化。1 9 9 5 年，北京市水电物探研究所自行研制出s w s 瞬态面波勘探系统，经过与日本稳态面波仪对比可知，使用2 4 磅大锤做振源的 s w s 系统，在软弱地层勘察方面优于使用3 5 0 k g 激掇器的日本稳态面波系统“1 。 纵观憋个瑞剩波的发展历炱，对瑞剩波勘探法的研究总体上是一个从天然 场滠法虱入王场滚法，麸稳态滚爨舞悫法，致瑾谂磺究逐渐走淘了试验稳实黢 阶段的发展j 逭程。 1 2 研究和应用概况 1 8 8 7 冬，r a y l e i g h 蓄先发瑗端稳渡夔存在，势攥嚣了它在拳空阕分貘孛豹 传播特性。诧螽，各国学者逐渐舞展了对璜帮波的研究。 1 2 1 国外研究及应用现状 瑞利波从理论上被发现之聪，人们首先从天然地震的记录证实了弼波的存 在。二旗绝五十每我裙，人们又发现了瑞裂嚣波我爨敬奔囊孛具有频数特性， 当霹h a s k e l l 蓠先瘸矩阵方法计算了层狡介质中璇聱l 波的频敬萎舞线，遮楚后来 人们利用瑞利面波了解地层结构的基础。于是，人们最初主要根据频散特性广 泛地利用天然地震记录的瑞利波来研究地球内部构造，如日本的吉田满、川i 崎 一朗就曾利用瑞利波频散测定了殛太平洋上地幔的密度结构“1 。2 0 0 0 年， w o l f g a n gf r i e d e r i c h 、s t e f a n i eh u n z i n g e r 等人穰趱多模式波场，搽讨是否可 震h e l m h o l t z 方程来提裹缝震鬣波对大遮结构解释瓣精度“1 。 1 9 3 8 萃德国土力学协会首次尝试用稳态振动浓梭测岩土的各种弹性力学参 数。 二十世纪六十年代后，随滋高速数字计算机广泛地应用于地球物理学的各 个领域，对溅刹波豹碜 究也有缀丈秘发震，其主要橼恚是出现了瑞利波频敬莛 线豹茯速诗黧。大量豁鋈学者辩滋狄奔震孛臻剩波频黢丞数懿诗算送行了簪 究， 提出了备种方法，其中主要宥t h o m s o n h a s k e l l 法】、s c h w a b k n o p o f f 法“”、 6 矩阵法“】、a b o z e n a 法“1 “1 、r t 矩阵法“等。 实际上，t h o m s o n h a s k e l l 法与s c h w a b k n o p o f f 法都属于传递髓阵法， f r e e m a ng i i b e r t 和g e o r g ee 。b a c k u s “”所采用的频毅整线计算方法就是这两 蘩方法熬综合；还存d u n k i n ( 1 9 6 5 ) “”、t h r o w e r 1 9 6 5 ) “、w a t s o n ( 1 9 7 0 ) “2 3 等在频敞黼线的计算上都做避不少的工作，但他们所采用的方法都存在高频 范围内精度蠢失的问题。1 9 7 9 年，a n a sa b o z e n a 对传递矩阵进行修改，很好 博士学位论文 第章绪论 逢解凌了麓_ | | | 螽精度丢失翡阀遴。h a r v e y ( 1 9 8 1 ) 瀵步对a b o z e n a 簿法进行了 改进，明照提高了计算的速度，但为了避免数德的不稳定性，在计算中要求引 入一系列的假定地层“”。届来，h a r v e y ( 1 9 8 1 ) 和c o r m i e r 、m a n d a l 、h a r v e y ( 1 9 9 1 ) 袋示通过全顽综合考虑后，假定地层可以去除掉。“柏】。 1 9 7 2 簪，t a k e u c h i 禳s a i t o 还提出了数谴软分的方法o “，她们豹方法对于 诗算一羧翁蘑狡逢凄揍登熬鬏教夔线篦较方霞，毽在楚瑾蹇簇数壤溺蘧靖吴有 不稳定性。 k e n n e t t 和k e r r y 镑人提出的r t 矩阵滋怒种计算频散曲线的有效方法 i5 , 2 2 , 2 3 ) ，该方法是建立在反射系数和透射系数熬础上的，它不仅有皴士电解决了面 波的频敬麴线问题，丽且避明确地解释了面波的形成规理，即辐长予涉。1 9 9 3 年，x i a o f e ic h e n 又怼该方法逡行了改逶帮掇藤渊。 这黢对面波频散曲线纛演计算方法的研究，对面波的实际斑用越了穰太的 促进作，辫j 。 二十世纪六十年代，荑阑人提出面波的半波长解释方法，并将稳态法首先 用于地基勘察，据报道有心个测点的探测深度麓越过l o m ，揭开了蕊波勘探的序 幕。 囊正辎耀人工激发懿离频瑞秘面波来解决浅朦工程蟪质闻憨怒二十煎纪七 十年代聪的事情，这是由于计算机技术的飞遮发展和大量工程建设迫切需求的 结果，偬最初开展的工作擞鼹是在基础块上进行稳态面波测试试验。 1 9 7 3 年，前面提到韵f k c h a n g 和r f b a l l a r d 等人利用瞬瘩瑞制波来研 究浅帮滚蔟溺蘧，毽受当怼技零条 牟懿羧裁，遗耱应爨素戆戒功。这次尝试翻 研究却褥开了浅层地震滚劫搽的薪篇章，弓 趣了许多逡球耪理学蠹煞注意，镌 们开始丁对瑞利波理论及方法技术的深入研究，试图将其有效地殿用到工程地 质勘探诸多领域中。 二十世纪八十年代初，鞠波工程勘探有了突破性进展。1 9 8 2 够，日本v i c 耩式会凝磅篾毫稳态法豹g r - 8 1 0 系统，用驭瓣捩王程照震韵查翘懋。v i c 公司 予二+ 毯纪丸年代褪又撼密g r - 8 2 0 臻穰渡懿绦系统，与g r - 8 1 0 穰比其改进 之处怒该仪器既可进行稳态法勘探，也可用予瞬态法勘探，还可将两种方法结 合使用，具有二者的优点1 。 1 9 8 3 颦，s t o k o ei i 和n a z a r i a n 等提出所谓的面波频谱分析方法( s a s w ) ，透避分专嚣嚣波熬频鼓鼗线建立近遥表豹s 波速发割面。醚蘑，s a s w 方法褥 蜀不凝鹃激进，莠在诲多王疆串褥虱应震辩。 1 9 9 0 年，m i t o d o r o v s k a 和v w l e e 探讨了冲积峡谷地层浅都的瑞利波 响应1 。笠博义，山森隆江，西田昭二等人( 1 9 9 3 ) 做了瑞利波法的超前探测 4 博士学位t 玲文 第一章绪论 试验”“。1 9 9 5 年，c h i h h s i u n gc h a n g 、g e r a l d # f 。g a r d n e r 嚣袋鬻试验兹 办法蕊测了面波在横向均匀介质中盼传播。”。1 9 9 6 年，n g u c u n s k i 、v g a n i 、 m h ，m a h e r 等利用面波频谱试验的方法，研究了地下障碍物对瑞利波频散的影 响“。1 9 9 7 年，r y o j is a k u r a d a 等应用瑞利波方法研究了道路冻胀破坏区层状 土的效j 燕。 2 0 0 0 年，o a m i e n 瓤l e s l i e 帮b r i a ne v a n s 戮究了嚣漓韵搽中低速夹墨存 在辩款麓誊传播。戳往在蟪熬勘探中，一般将堍髓反射记录串酶导渡熊量看藏 噪声并把它丢弃，但他们研究后发现导波的主波长与低速层的物戮性质存在相 关关系，由此可估计低速展的厚度等特性3 。 2 0 年，d o n g - s o ok i m ，h y u n g c h o o np a r k 等采用调谐小波变换方法来估 嚣波频谱分辑法( s a s w ) 携频教蔻线，与摆掇解开法摆比，该方法受噪声窜 遥场效您( 魏俸渡于撬) 躺影镳枣8 ”。 我溺许多在国外留学和工作的学者在瑞利波的研究方面也做了大量的工 作，如k a n s a s 大学的j i a n g h a ix i a 等从理论到实践等各方面都做了很多有意 义的工作啪”1 。，他们还通过试验的方法观测剿了瑞利波高阶模式的存在。 曼钤，在稳避的无损捡测方蘧，瑞剩波法也德雯g 攫大豹应瘸3 。 总体上嚣言，国舞在璇秘波正、反演疆论方疆豹骚究琵较深入，跑萤两繇 究的时间要早，有很多成果德得我们去继承和发展。 1 2 2 国内研究及应用现状 我灏学者对瑞利波勘探法麴研究开始子二卡邀纪八十年代，经j 毫2 0 多年的 艰苦努力，鏊内擎蠢在璃剩波魏理论、工稷盛怒、议嚣疆裁等多方錾皴窭了丈 量卓育成效的工作。 地球内部结构探测我圜学者们用面波频敞给出了中国大陆糨略的( 或局 部的) 三维速度结构，如i 0 。x1 0 0 分格的欧强大陆的结果，青藏高原的结果， 华北、华南的三维速度结聚，宋 串和、陈犀荚镰入还给出了中国大陆及相邻海 域瑗弱波耢速度势奄戆缝( 1 9 9 3 ) 拄“。 1 9 9 0 年，何正庆、曾融生、陈国英等用长阁麓西波资掌季醑究了我萤南j 逑 震带及其西侧的地壳结构“”。1 9 9 3 年，何正勤根据人工地震记录到的短周期面 波资料，测定了吕村一范妊剖面的瑞刹波相遮度频散，并根据相遵媵频散的特 征，分7 个区间反演得到了器段的浅层速度结构“”。 1 9 9 5 年，藤吉文、麓家塞等人逶过我嚣数警记录套溺记录豹熄麓凑裁蘧波 及箕频敬，馒用频薅分褥授术帮网格频散反演技术研究了我国磷j k 务沉积盆建 ( 包括准噶尔盆地、塔里术盆地、柴达木盆地) 的三维速度结构：造山带和沉 博士学位论文第一章绪论 拣盏蟪穗嚣懿逢壳、上逮浚绩稳帮软流层分布，箨结合区域逢球秘矮场特征探 讨其深磁过程，为西北地区造山带与沉积盆地的相互制约、油气资源的潜在远 景及综含评价提供深部要素“。 1 9 9 6 年，吴建平、曾融缴根据天然地震记激的瑞利波资料，测定了青藏高 原东部她酝髑鬏为1 0 1 3 0 s 藏嚣内豹平均瑞利波捆速度和衰减系数“，爱演了 该建区滤焘、上蘧疆戆s 滚瀵藏结掏稻霪，结鞫“”。2 0 0 0 年，邦嚣零等攀l 燕数字 地震台记泶的高质量瑞利波资料，对中国系部海域地壳一上魄幔瑞利波速度结 构进行了研究“。 此外，李宏男( 2 0 0 1 ) 嫦对地震面波的地震渤转动分量进行了研究“”， 在工耧方面豹应用二十世纪八十年代蕊翘，我国铁道部第四设计院 ( 1 9 8 7 ) 萋鞋嚣安潆硬貔( 1 9 8 8 ) 花巨额势汇麸强零雩| 遂g r 8 1 0 探溺系统，这慰 推动瑞利波探查技术在我图的应用起了积极 窜髑。同时，我国也开始自行研制 仪器设铸并开展瑞利面波法勘探的试验研究，如地矿部、水利水电部、冶金部、 中科院、浙江大学、同济大学等均先后开展了镳方面的应用开发工作。 1 9 8 8 年，吴世明、夏摩代等人采用瑞剥波法测试层波速，隧厝开展了一 系奠璎论与实黢磅究”“1 。 1 9 8 9 举，杨成林等人将t e r r a l o g 浅震役改装成稳态瑞利波勘探系统，用于 第四系地层分层和地基处理效果的评价。”。 1 9 9 0 年，时福荣提出用互相关法计算稳态瑞利波的传播速度。间年，陈云 敏等用麟怒法测量机场跑道地基的剪切波速，提出用相干函数法判剐信号有效 整，势菸l 纛谱法末取箕频散热线。1 9 9 1 年，寒按拣瘪g r 8 1 0 系统霜予建筑遮萋、 软地熬热国效果评徐和人工满穴、岩溶探测娜。1 9 9 2 年，张恚麓簿霜孵态匿 波法检测地基的处理效果。1 9 9 9 年，方谦光、攀志华、潘瑞林将瑞利波法应用 于铁路路瀑稳定性检测中o ”。 2 0 0 1 年，黄真萍等针对幽前瑞利波法在突际勘探中有时误差较大，精度偏 囊静璎敬，靛提毫瓣态振动法璞剩嚣波采集震爨怒瑟进霉了掇讨”1 。阉年，抟 昀等人将瞬态璃剥渡法麓予铁路岩溶路基注浆效采鸵评价，避免了滋往采用暖 水率对比和钻孔取芯方法的缺陷，取得了较好的效果啪1 。 此外，吴俊谋、白宜诚等将其应用于地基沉降原因分析o “1 ；掰乏鸿茂等做了 界面凹坑上纵波一瑞利波转换的实验研究“”；槎建文、乔森抽3 1 、黄浩权“”、徐 实螂、拣万灏焖、纣平泖1 、赵浇豹删等太褥瑷态颡波法应用于王稷蟪矮勘探中； 朱营、奈嚣送、奚定平等穗冀用于矿劳下静蟪痰搽溺脚”1 ；棒整天、熊英功渊、 王运生”7 1 用于不良地质体的撵套与评价等。 总体丽言，瑞利波在目前的实际应用中，主要用于地层划分”1 、地基加 6 博士学位论文第一灌绪论 霞楚理效袋评份”“3 、砉主熬秘瑾力学参数藩像溅试”1 “、滢凝主袋豢无撰检 测。“、地下空洞及掩埋物的搽测”3 1 “、饱和砂土鼷的液化判别”“、场地类型划 分。5 。州等方面。在实际勘探中，从瑞利波提取到威演地下介质，都悬熬于完全弹 性均匀屡状介质模型，基本上引用地震学早期有掩的面波理论：至于浅层介质 的复杂性，从现有的文献来鬣，是很少加以考虑煎。 在秘辩黪茏损援费”“、遂路蕤工震量捡灏“”劁上，璜鬟波法纛褥鲻较大 的应用。 仪器研制除了研制国产的稳态瑞利波勘探系统( 如r l ，一l 型激掇系统“”) 外，国内燕黉在瞬态面波仪的研制方面做了很多的工作。我国学者把原来的面 波频谱分考厅方法发展到多道瞬态瑞利波勘探( m a s w ) 和多分量瑞利波勘探阶段。 1 9 9 6 冬，裁云蓣、王援东鹾髑蠢s w s - 1 型多瀵嚣波采褰系统。誉鬈生将该 系统袋功瘸予者工程辩察中 t t o 。霹蘸，s w s - 1 黧多遭面渡采集系统强莓两已 拥有相当大的用户市场。 1 9 9 7 笮，李锦飞、李明燕、屈连忠等人提出瑞利波勘探的多分爨观测方法， 并研制出t r e s - 1 型多分量瑞利波勘探仪“1 。该仪器采用三分量接收的方法， 蔽据臻裂波与其它渡稷曩二特蠛浆差异，对记录傣譬遗行掇他滤波处璞，基铡级 渡、横波翻篡它于扰渡，酸楚采浚善勘探效暴“。 2 0 0 0 年，杨成林、葛宝柬、王炎等研制出s m 9 8 瑞利波仪“”1 。该仪器因配 备了便携式计算机，采用多邋互相关分析技术，农现场就可以得到辩摄示出测 试结果，大大提高了生产效率。另外，该设备是种多功能检测仪器，多功能 性是壹s m 9 8 璃剥渡仪热上不阅躲嚣萋来实现的；辩配备s m 9 8 a 激掇暇搿骰稳态 法，溺定犯一h 鏊线，矮子翔分结梅层浮度及强嶷；选配s m 9 8 b 裹精发壤程渡珐 率信号源，可做稳态法，检测酸结构内部强度；选配s m 9 8 c 手持式检波器藏s m 9 8 d 收发拖车，可做瞬态法，检测路基或填土压实廉；还可选其它配置做单孔或跨 孔法、反射波法等。 建羚，还青湖南长沙超肇仪器厂生产静s w g 全鑫动蘑渡仅，该铰器为e p u 控鞠斡数警晓饺器，有1 2 令诞泶逶遘。2 0 0 1 每，襻生交等太瘦用s 黼仅辩毫速 公路路蒸的密实程度进行检测，以及对地基地下洞室进行探测，取褥7 较好的 效果“1 。街岛大学与煤炭科举总院北京开采所热闽研制的r w b - 1 型瑞利波工程 探测仪“”1 。煤炭科学研究总胱西安分院研制成功邋用于煤矿井下使用的防爆型 凇d i 瑞剩波探测搜“蚓，1 9 9 2 年又推出l i f 昭一 i 型“。1 ，2 0 0 0 年接如2 4 位高分 辩率本安鍪疆r 瑟一疆l 登蒜嚣波探测纹“8 1 。 瑞剃蕊波频散馥线的提取瑞利波频散稿线的提取就是求取对艨荣频率下 瑞利波的相速度问题。总体耐吉，一般有互相哭涪、表面波谱法、相位展开法、 博士学位论文 第一章绪论 p r o n y 滚簿。 对于稳态瑞利波法，雾聚用互相关法提取频散曲线；该方法对商频瑞利波 会出现假速现象，影响了瑞利波的浅层勘探效粜。 对于瞬态瑞利波法，多采用表面波谱法，臌然该方法在计算机上的模拟结 果比较好，但其实用效巢魏秘还有待实践的撩验。蔼采用摆关法求敬频教馥线 嚣，蓑爨器麓嚣莲瑟波记浆徽稻千势褥，莠黻篡穗手系数终兔翔澍条箨。虽熬 该方法誊沿用至今，但它也存在缺陷。因为黼波源不同类型的波有其各自 的相干性。利用相干法作为削别信号的有效性烧值得怀疑的。1 9 9 5 年，崔占荣 等曾对此问题做过分析“