1、摘要 : 瑞雷波法是一種新興的巖土工程地球物理勘探與測試方法 , 具有其他方法所無法比擬的優越性 , 國內外關于瑞雷波法的研究日益增多 。文中對瑞雷波法的發展與正反演等方面的研究現狀進行了較詳細的總結 , 并指出了該方法目前理論和 實踐中存在的問題 , 對其發展前景作了展望 。關 鍵 詞 : 瑞雷波法 ; 研究現狀 ; 展望中圖分類號 : p624文獻標識碼 : a文章編號 : 1672 - 4550 ( 2007 ) 04 - 0010 - 04rev iew on the presen t research s itua tionrayle igh w ave veloc ity m et

2、hodhou l an2jie, ch en x ing2zhang, cu i chun2long( schoo l of environm en and r e sou rce s, sou thwest u n ive rsity of sc ience and techno logy, m ianyangof621000 , ch ina)a b stra c t: in comp a rison w ith o the r exp lo ration me thod s, th is new kind of geophysic s exp lo ra tion me thod fo

3、r sha llow fo rm a tion s ray2leigh wave ve loc ity m ethod has m any advan tage s and mo re and mo re re searche s have been conduc ted on it. in th is p ap er, an ove rview on the p resent resea rch situa tion of r ayleigh wave ve loc ity m ethod and its d isp e rsive curves p ick up and inve rsio

4、n ana lysis have been p resen2 ted in deta il. then the p rac tica l and theo retical p roblem s still existing in r ayleigh wave exp lo ra tion and its p ro spec t a re discussed.key word s: r ayle igh wave ve loc ity m e thod; p re sen t re sea rch situa tion; p ro sp ec t真正將瑞雷波用來解決淺層工程問題 , 始于紀 70

5、年代 。首先是美國的 f1 k1 chang等 ,瞬態激振產生的 瑞 雷波 研究 淺 部地 質問 題 ,20 世利用 并 在1 引言瑞雷波法是一種新興的無損原位測試方法 , 集 勘探與測試為一體 , 被廣泛應用于巖土工程界 。它 是利用瑞雷波的波速及其彌散特性 , 來反演地層結 構及土層參數的一種方法 。按震源產生的方式 , 分 為穩態法和瞬態法 。它們的測試原理都是依據瑞雷 波在地層中傳播的機理和其固有特性 , 只是產生面 波的震源不同 1 。測試 方法 主 要有 穩態 兩 道面 波 法 、 sa sw 法和 ma sw 法等 。目前常用 , 也是較先 進的方法 , 是基于 12 道或 24

6、 道接收的 ma sw 法 。 它主要應用于工程地質勘察 、地基土檢測 、地基加 固效果評價 、道路質量檢測 、異常地質體的檢測 、 砂土液化判別 、軟弱夾層探測和滑坡調查等 2 - 5 。隨著瑞雷波法的發展 , 對它的研究也取得了很 大的進展 。本文在對瑞雷波法的發展 、正 、反演研 究現狀等作了詳細的總結 。1973年國際地球物理勘探年會上報道了有關研究成果 , 引起地球物理學者們的注意 , 開始對瑞雷波 勘探理論 和 方 法 進 行 深 入 研 究 。 20 世 紀 80 年 代 初 , 在工程勘探方面有了突破性進展 。 1982 年日本 v ic株式會社研制出了 gr - 810 型佐

7、藤全自動 地下勘查機 , 并在 工程 地 質勘 察的 諸 多領 域內 應 用 6 。 1983年 , stokoe ii and n aza rian 使用重錘作 為震源 , 通過頻譜分析測定土層波速獲得成功 , 并 提出了面波頻譜分析法 (即 sa sw 法 ) , 隨后應用該法開展了一系列實踐和研究工作 7 - 8 。但是 , 它 測試的前提是假設接收到波的能量主要是由瑞雷波 引起的 , 因此在噪音較大的地方就不能獲得可靠的 結果 。 1999年 m ille r和夏江海 ( x ia, j1) 博士等人 就提出了多道面波分析法 (即 ma sw 法 ) 。它是在多道接收的基礎上 (通常為

8、 12 道或 24 道 ) , 來反 演地層結構和剪切波速 , 可以很容易把基階面波同 非基階面波 、體波以及其他噪音區分開來 , 避免了2 瑞雷波法的發展與現狀早期的瑞雷波法主要用來探測地球內部結構 。3 收稿日期 : 2006 - 12 - 26; 修改日期 : 2007 - 04 - 023 3 作者簡介 : 侯蘭杰 ( 1963 - ) ,男 , 實驗師 , 本科 , 主要從事地質工程及地質資源的實驗教學和科研工作 。在 sa sw 法中出現的空間假頻現象 , 大大提高了勘探的精度 和效 率 9 。ma sw 法 之所 以能 方 便地 區 分出基階面波是它采用了盡可能長的檢波器接收陣

9、列 。較長的接收陣列必然會影響反演結果 , 如果使 用較短的接收陣列 , 又會以犧牲相速度精度和勘探 深 度 為 代 價 10 。 2003 年 , 日 本 的 ko ich i h aya sh i 等就提出了 cm pcc 分析技術 , 該技術可以成功地 解決 ma sw 法 的 缺 陷 , 提 高 了 其 精 確 度 和 分 辨 率 10 。我國瑞雷波法的工程勘探研究開始于 20 世紀80年代 。 1988年 , 吳世明等人在國內率先采用瞬 態瑞雷波法測試土層波速 , 隨后又在地基處理 、道 路檢測等方面開展了一系列試驗研究工作 4 , 11 - 13 。1989 年 , 楊成林等人開始

10、對瑞雷波法在第四紀地 層劃分 、地基處理效果評價等方面進行研究 , 并于1993 年出版了瑞雷波勘探 一書 , 書中就瑞雷波 勘探方面的一些技術 、方法 、存在問題等進行了較 為深入的探討 , 是目前國內少有的關于瑞雷波勘探 方面的專著 。并建立了其特征方程 , 由于只考慮了一種壓縮波 ,導致特征方程有誤 。 20 世紀 90 年代 , 我國的吳世 明 、夏唐代 、陳龍珠等人對飽和土中瑞雷波頻散特 性進行了大量研究 , 分別建立了表面透水和不透水 15 - 18 。情況下的瑞雷波特征方程31112 特征方程求解方面的研究用于求解特征方程的方法主要有 2 種 , 解析法 和數值方法 。隨著計算機

11、技術和數值計算方法的發 展 , 用于特征方程求解頻散曲線的數值計算方法得到空 前 發 展 , 提 出 了 諸 如 thom son - h a ske ll 法 、schwab - knopoff法 、矩陣法 、a bo - zena法 、 r t矩陣法等 。 我國學者凡友華針對以上方法中存在的共同缺陷 傳遞矩陣各元素量綱不統一的問題 , 提出了各 元素均為無量綱值的傳遞矩陣法 , 隨后又提出了一 種快速穩定的標量傳遞算法 , 由于傳遞矩陣及各子 矩陣的元素均為無量綱值并且是實數 , 避免了同一 矩陣各元素的數量級相差較大 、出現復數運算等缺 陷 , 提高了計算的精度和穩定性 19 - 20

12、。同時 , 他 還對柱坐標系下對稱柱面瑞雷波頻散特性進行了一 系列研究 , 將 矩陣法應用于計算層狀介質中軸對3 瑞雷波法研究進展1885 年 , 英國 科 學家r ayle igh 首先 在 理論 上稱柱面瑞雷波的頻散函數 , 得到了 6 階 矩陣法 、5階 矩陣法 、快速 矩陣法 3 種方法 , 很好地解決了高頻數值精度丟失和溢出問題 , 提高了計算速 度 21 。 2002 年 , 他又采用了 3 個 5 階矩陣乘積形 式的上傳矢量的快速矢量傳遞算法 , 提高了計算的 精度和穩定性 22 。歐陽聯華等對 a bo - zena算法進行了改進 , 提 出了高頻時穩定的改進 a bo - z

13、ena法 , 但他只涉及 完全彈性介質 , 對 于黏 彈 性介 質還 有 待進 一步 研 究 23 。宋先海 、肖柏勛等針對 - p變換易出現假 頻和端點效應的問題進行改進 , 克服了以上缺陷 , 且失真小 、可靠性大大提高 24 312 反演方面的研究瑞雷波頻散曲線的求取和反演 , 是瑞雷波法的 核心 。測試方法不同 , 頻散曲線的求取和反演也不相同 。穩態法對儀器設備要求高 , 它使用連續振動的激振裝置產生不同頻率的單頻振動 , 從而在介質 中產生相同的單頻簡諧瑞雷波 , 每一測試頻率都要 調節傳感器的間距以獲得同相點 , 用于求取相速度 的方法主要有目視對比同相位進行計算波速的時間 差法

14、和利用數值計算的互相關分析法 1 。證明了瑞雷波的存在 。 20 世紀 50 年代初 , thom 2son ( 1950年 ) 、 h a ske ll ( 1953年 )等人又發現了瑞 雷波的 頻 散 特 性 , 并 用 來 探 測 地 球 內 部 結 構 14 。20世紀 70 年代初 。美國的 f1 k1 chang等人 , 成 功地利用瞬態激振產生的瑞雷波來研究淺部地質問題 , 從此開始了對瑞雷波勘探理論及方法的深入研究 6 。311 正演方面的研究瑞雷波正演方面的研究主要體現在瑞雷波特征 方程的建立和求解兩個方面 。特征方程是根據彈性波動理論建立起描述已知介質模型中瑞雷波速度與 波

15、動頻率及其他彈性參數之間關系的方程 。31111 特征方程建立方面的研究 層狀半空間瑞雷波特征方程是在 20世紀 60 年代末期基本建立起來的 , 隨后的研究主要針對特征 方程求解方法的改進 。b io t在 20 世紀 50 年代建立 了流體飽和多孔介質中波的傳播理論 , 成為隨后進行有關 飽 和 多 孔 介 質 波 動 理 論 各 項 研 究 的 基 礎 。john1 p1 jone s ( 1961 年 ) 、 ch iang c1m 1 ( 1981 年 )等人基于 b io t的理論 , 研究了飽和 土中 的 瑞雷 波大 , 但是其理論和實踐中的問題也很突出 。( 1 ) 利用正反演

16、擬合法反演地層巖土體物理 力學參數 , 具有較高的精確度 。但目前的正演模型 大都基于不太符合生產實際的水平地層假設 。如何 建立更加符合實際的初始模型 , 減少反演工作量 , 提高反演精度 , 應是進一步研究的重點 。( 2 ) 全波列多模導波的應用研究需進一步加 強 。在含有低速軟弱夾層或高波速覆蓋層 (如道路 結構 )的勘探中 , 高階面波的應用將會大大改善目 前的勘探精度和勘探效果 , 全波列多模導波的進一 步深入研究 , 將會提高勘探的精度 , 尤其是在軟弱 夾層的勘探方面 。( 3 ) 由于物探方法的多解性 , 目前還無法通過 頻散曲線直接進行分層定名 , 應加強這方面的試驗 研究

17、 。針對不同土層 (或不同土層組合 )波速增長變 化規律 , 通過大量深入細致的實踐研究 , 尋找各種 土的頻散曲線特征 , 并結合它們形成的地質條件和 地質規律 , 消除物探方法的多解性 , 建立各種頻散 曲線特征庫 , 真正實現利用瑞雷波法勘探分層 。( 4 ) 在現有 理 論技 術前 提 下 , 瑞 雷波 波速 與 巖土體物理力學性質之間定量關系的研究還鮮有報 導 。這種定量研究將進一步推動瑞雷波法在巖土工 程勘探中的應用 , 改善 其 作為 輔助 勘 察手 段的 地 位 , 甚至可以取代目前常規的勘探方法而成為主要 勘探手段 ?？傊?, 瑞雷波法是一種新興的地球物理勘探與測 試方法 ,

18、 具有其他方法無法比擬的優越性 , 相信隨著 對它研究的不斷深入 , 無論是試驗方法還是測試精度 方面都會得到進一步改善 , 從而部分甚至全部代替傳 統的勘探方法 , 成為一種主要的勘探測試手段 。析法或窄帶通濾波互相關函數法等 26 。但是 , 這些方法在利用天然地震中長周期面波時 , 根據經驗 可以較精確地測量出相速度 , 而對于高頻信號 , 由 于某一頻率的面波傳播速度主要決定于兩臺間的相 位變化 , 信 號 的 傅 氏 相 位 主 值 在 - , 之 間 , 故計算所得兩 臺的 相位 差 可能 與實 際 相差 了2的整數倍 , 從而導致相速度的計算誤差 。針對 這個問題 , 胡家富等通

19、過測量臺間格林函數進行較正 , 得到了較精確的結果 27 。祁生文等也對傳統的瑞雷波震相提取方法和相位 差計 算方 法 加以 改 進 , 同時強調了震相分析 , 大大提高瑞雷波相速度 提取的可靠性和穩定性 28 。宋先海 、肖柏勛等先svd 算法等 29 - 30 。后提出了 tdwl sa 反演算法和tdwl sa 反演算 法 是一 種計 算 上比 較現 實 的最 新瑞雷波頻散曲線反演方法 , 由于改進和優化了正演 算法并減少了待 反演 的 層參 數 , 所 以反 演 速度 較 快 , 用該算法反演低速軟弱夾層等地質結構不但具 有穩定性好 、精度高 、分辨能力強而且能自動分層 和反演地層參數

20、 29 。313 頻散曲線“之 ”字形回折的研究利用頻散曲線的“之 ”字 形回 折 ,可 以 很容 易確定較弱夾層的存在 , 但目前尚不能給出精確的結果 。黃嘉 正 、關 小 平 等 曾 從 多 層 液 體 模 型 出 發 , 對“之 ”字形頻散曲線進行了研究 31 - 32 。張碧星等 通過對含軟弱夾層和地裂縫情況下 , 瑞雷波頻散曲 線“之 ”字形回折的形成機理進行了理論分析 , 認 為多模 導 波 的 存 在 是 形 成“之 ”形 回 折 的 主 要 原 因 33 。當層狀介質中出現軟弱夾層時 , 實際信號 中可能包含多個模式的導波 , 而當頻率處在某一模 式導波截止頻率附近時 , 就會

21、出現實際勘探工作中 所謂瑞雷波極不穩定的情況 , 即當頻率出現微小的 變化時 , 瑞雷波傳 播速 度和 能 量強 弱產 生 很大 差 異 , 表現在頻散曲線上就會出現“之 ”字形回折 33 。 目前人們已在高階面波和多模導波的理論和實踐方 面做了一些研究 34 - 35 。但是對于低速軟弱夾層等 情況下瑞雷波的傳播 , 理論上還不很清楚 。全波列 多模導波的研究還需加強 , 而且層狀介質中諸導波 模式的研究具有很重要的意義 。參 考 文 獻楊 成 林 1 瑞 雷 波 勘 探 m 1 北 京 : 地 質 出 版 社 ,1993: 9 - 471杜正濤 , 劉麗敏 , 程 道 偉 1 瑞 雷 面

22、波 勘 探 技 術 在 第 四系分層方面的應用 j 11999, 23 ( 4) : 277 - 2821 吳世明 , 曾國熙 , 陳云敏 , 等 1利用表面波頻譜分析 測試土層 波 速 j 1 地 震 工 程 與 工 程 振 動 , 1988, 8( 4) : 27 - 321陳云敏 , 吳世明 , 夏 唐 代 1 用 表 面 波 譜 分 析 方 法 檢 1 2 3 4 測道路結構的質量 j 1浙江大學學報 , 1993 , 27 ( 3 ) :309 - 3141潘瑞林 1 瞬態瑞利面波法在南 昆鐵路八渡滑坡勘察 中的應用 j 1鐵道工程學報 , 2002 , 75 ( 3 ) : 54

23、- 591 劉康和 1面波探測新技術綜述 j 1電力勘測 , 1997,14 ( 2) : 61 - 641n aza rian s, stokoe k h , h ud son w r1 u se of sp ec tra l ana lysis of su rface wave s m e thod fo r de te rm ina tion of modu li and th ickne sse s of p avem en t system s r , tran spo rta tion r e sea rch r eco rd, 930 , w a sh ington c1 : t

24、ran spo rta tion r e sea rch boa rd, 1983: 38 - 451stokoe k h , n aza rian s, r ix g j , e t a l1 in situ se im icte sting of ha rd - to - samp le so ils by su rface wave m e th2od, ea rthq1 eng1 a nd so il dyn r 1 ii - r ecen t adv1散函數的計算 j 1 地震工程與 工程振動 , 2001, 21( 3 ) : 1 - 51凡友華 , 肖柏勛 1計算層狀介質中軸對稱

25、柱面瑞利 面波頻散函數的 矩陣法 j 1 物探與化探 , 2001,25 ( 2) : 109 - 1161凡友華 , 劉家琦 , 肖柏勛 1 計算瑞利面波頻散曲線 的快速矢量傳遞算法 j 1 湖南 大學學報 , 2002, 29( 5 ) : 25 - 301歐陽聯華 , 王家林 1 一種高頻面波頻散函數的快速 算法 j 1 物 探 化 探 計 算 技 術 , 2002 , 24 ( 3 ) : 204 -2141宋先海 , 肖柏勛 , 等 1用改進的 - p 變換算法提取 瞬態瑞 雷 波 頻 散 曲 線 j 1 物 探 與 化 探 , 2003, 27 ( 4 ) : 292 - 295吳

26、世明 , 曾國熙 , 陳云敏 , 葉貴如 1 利用表面波譜 分析 測 定 土 層 波 速 j 1 地 震 工 程 與 工 程 振 動 ,1988, 8 ( 9 ) : 27 - 321吳世 明 1 土 介 質 中 的 波 m 1 北 京 : 科 學 出 版 社 ,1997: 45 - 981胡 家 富 , 段 永 康 1 影 響 面 波 勘 探 精 度 的 因 素 探 討 j 1地震研究 , 2000, 23 ( 3) : 333 - 3381祁生文 , 孫進忠 , 萬志清 1 瞬態瑞雷波勘探方法的 一點改進 j 1 遼 寧 工 程 技 術 大 學 學 報 : 自 然 科 學 版 , 2001

27、 , 20 ( 4 ) : 466 - 4681宋先海 , 肖柏勛 1低速夾層中瑞雷波頻散曲線快速 穩定反演算法 j 1 勘 察 科 學 技 術 , 2003 ( 6 ) : 30 -341宋先海 , 肖柏勛 1瞬態瑞雷波反演橫波的 svd 算法 及其應用 j 1地質與勘探 , 2004 , 40 ( 1 ) : 93 - 961 黃嘉正 , 周鴻秋 , 關小平 1 工程地質中瑞雷波勘探 的理論 初 探 j 1 物 探 和 化 探 , 1991 , 15 ( 4 ) : 268 -2771關小平 , 黃嘉正 , 周鴻秋 1 工程勘探中穩態瑞雷波 法解釋 理 論 的 探 討 j 1 地 球 物

28、理 學 報 , 1993, 36( 1 ) : 96 - 1051張碧星 , 肖柏勛 , 楊文杰 , 等 1瑞雷波勘探中“之 ” 形頻散曲線的形成機理及反演研究 j 1地球物理學 報 , 2000 , 43 ( 4 ) : 557 - 5671shaokong feng, take sh i sugiyam a, h iroak i yam anaka1effec tivene ss of m u lti - mode su rface wave inve rsion in sha llow enginee ring site inve stiga tion s j 1 exp lo ra t

29、ion geop hysic s, 2005 ( 36) : 26 - 331x ia j , m ille r r d , pa rk c b , e t a l1 inve rsion of h ighfrequency su rface wave s w ith fundam en ta l and h ighe r mode s j 1 jou rna l of app lied geop hysic s, 2003( 52 ) : 45 - 571 5 21 6 22 7 23 8 24 in ground - mo tion eva l1- 2771ko ich i h aya sh i h a ruh iko suzuk i1 cm p c ro ss - co rre la tion ana lysis of m u lti - channe l su rface - wave da ta j 1 ex2 p lo ra tion geop hysic s, 2004 ( 35) : 07 - 131o n e ill a1 shea r ve loc ity mode l app ra isa l in sha llow su r2 face wa