瞬态瑞雷波勘探技术
8.瞬态多道瑞利波勘探技术李哲生
瞬态多道瑞利波勘探技术的原理方法、仪器设备和应用实例李哲生(福建省建筑设计研究院)提要本文阐述了瞬态多道瑞利波勘探的原理和方法，提出了适用该方法的仪器和设备工程为实例，介绍了这种方法在岩土工程勘察中的应用。
关键词 瑞利波 稳态法 瞬态法 瞬态多道瑞利波勘探技术一 前言在进行折射法和反射法地震勘探时，由纵波激震震源产生的地震波在传播过程中，不可避免地产生瑞利波，为了取得折射波的初至或反射波的同相轴，需要选择合适的窗口和滤波，将瑞利波作为干扰波设法排除。
但近些年来，人们已成功地利用瑞利波传播过程中的频散特性，将其应用于岩土工程勘察中来。
瑞利波勘探法根据震源形式不同可分为二大类：一为稳态法，另一为瞬态法。
前些年，主要以稳态激振方法为主，其代表为日本VIC 株式会社的GR-810、GR-830地下勘探机。
国内也有一些类似的仪器设备，它们的勘探原理都相同，即利用扫频仪和功率放大器发出的谐波电流推动电磁激振器对地面产生稳态面波，由相隔一定距离的拾振器将接收到的面波振动转换为电压量送入计算机(频谱分析仪)进行相关计算，得出频散曲线。
由于稳态激振面波勘探方法设备较为复杂，重量也大，随之根据其原理，出现了瞬态面波勘探方法，其设备较为轻便，测试速度快。
但也有许多缺点，其一是瞬态激振的功率密度谱分布不均，许多频率能量大小，随机干扰大，以致于频散曲线与理论相差太大，常常无法利用。
其二是仍按照稳态激振面波勘探方法接收地面震动波，致使所有的波，如反射波、折射波、直达波等均作为干扰波而与面波混在一块，有可能导致误差较大的结果，这也是稳态激振面波勘探方法主要缺点之一。
为了克服这些缺点，目前发展了一种新的面波勘探方法--瞬态多道瑞利波勘探技术。
它的激振可采用不同材料和质量的锤或重物下落激振，在地面布置多个拾震器，并选择最佳面波接收窗口接收震动，通过多次迭加多道和相关迭加，使得频谱能量加大，干扰减小。
据此，北京水电物探研究所(原北京华水物探研究所)研制了SWS 多功能面波仪，并将分析处理软件装入计算机内。
瞬态瑞雷面波法在软岩地层勘探中的应用
覆 盖 层厚 度 或 基 岩界 面起 伏 勘 探等 方 面具 有 一定 的 优势 。 软 岩 在 我 国 西 北 地 区分 布 很 广 泛 ， 别 是 在 黄 特
河两 岸分 布更 广 。 由于软 岩 地 区大 面 积覆 盖 着第 四 系松 散层 ， 层 沉 积变 化较 为复 杂 ， 地 要进 行 工 程勘 察
关 键 词 ： 岩 ； 波勘 探 ； 散 曲 线 软 面 频
摘 要 ： 合 工 程 实 例 ， 绍 了 在 物 性 条 件 和 地 质 条 件 较 复 杂 地 区 利 用 面 波 勘 探 技 术 解 决 软 岩 地 区 第 四 系 覆 盖 层 结 介 及基岩埋 深的勘探方 法 。
中图分类号 ：６ １ Ｐ ３
ｍ／ ｓ之 间 ， 与 土 层 、 卵 砾 石层 的 波 速 差 异 很 小 ， 这 砂
（ ）瑞 雷波 在 层状 介 质 中传 播 的频 散特 性 １
在 层 状 介 质条 件 下 ， 雷 波 在 介 质 中 的传 播 速 瑞
度 是 频 率 的 函数 ， 即瑞 雷 波速 度 随 激发 频 率 的变 化 而 变化 。 该特 性是 瑞 雷波 勘 探 的理 论基 础 ， 由于瑞 雷 波 法 不 仅 利用 了 波 的运 动 学 特 征 ， 重 要 的是 利 用 更 了波 的动 力学 特 征 ， 常规 地 震 折 射 波 法 和 反 射 波 而 法 主 要 利 用 波 的运 动学 特 征 ， 要 求 各 层 的波 速 或 且 波 阻抗 有 较 大差 异 ， 因此 瑞 雷波 对 介质 反 映更 细 微 。 （ ）瑞雷 波 的 穿透 深 度与 波 长 的关 系 ２ 瑞 雷 波水 平振 幅和 垂直 振 幅从 弹 性介 质 的 表面
维普资讯
西 北 水 电 ・ ０ ２年 ・第 ２期 ２０
瞬态瑞雷波勘探技术在边坡岩体卸荷深度探测中的应用
波的传播特性反映了介质物性条件沿垂直方向的变
ｔ ｅ ｓａ ｉ ｔ ｆｒ ｃ ｓ ｓａ ｄ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆｓ ｐ ｅｎ ｏ ｃ ｍｅ ｔ ｈ ｔｂ ｌ ｙ ｏ ｋ ｍａ ｎ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｌ ｅ ｒ ｉｆ ｒｅ ｎ ． ｉ ｏ ｏ Ｋｅ ｏ ｄ ：ｔａ ｓｅ ｔＲａ ｌ ｉｈ ｗ ｖ ；ｕ ｏ ｄ ｎ ｏ ｋ ｍａ ｓ ｌｐ ｙ Ｗ ｒ ｓ ｒ ｎ ｉｎ ｙｅ ｇ ａ ｅ ｎ ａ ｉ ｇ ｒ ｃ ｓ ；ｓｏ ｅ ｌ
赵安宁 李 洪 ，
（ 中国水 电顾 问集 团西北勘 测设 计研 究 院工程 物探研 究所 ， ｋ ７０５ ） 探技术 的基本理论 和工作方法 ， 通过某水 电工程边坡岩体卸荷厚度 探测应用 实例 ，
说 明采用瞬态瑞 雷波测试方法查明边坡岩体松动 、 卸荷程度和深度分布 ， 是一种便捷和行之有效 的方法 ， 可为评价
瞬态瑞 雷波 勘探技 术是 ２ ０世纪 ９ ０年代 中期 发 展起来 的一 种新 的工程 物探方法 。瑞雷 波传播 具有 振动 能量强 、 频率低 、 噪 比高 、 信 易识别 和观测 、 不受
在工 作方 法上有所 区别 。
１ １ 基本 原理 ．
由弹性 波理 论 可知 ， 雷波 存在 于 自由表 面附 瑞
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｂ ｓｃ ｔ ｅ ｒ ｎ ｏ ｋ ｎ ｔ ｏ ｆ ｒ ｎ ｉ ｎ ａ ｌ ｉ ａ ｅ ｅ ｐ ｏａ ｉｎ ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｅ ｍａｎｙ ｅ ｐ ｕ ｄ ｄ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ａ ｉ ｈ ｏｙ ａ ｄ ｗ ｒ ｉ ｇ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ａ ｓｅ ｔＲ ｙｅ ｇ ｗ ｖ ｘ ｌ ｒｔ ｅ ｈ ｉ ｕ ｒ ｉ ｌ ｘ ｏ ｎ ｅ ．Ｂ ｅｅ ｔ ｇ ｔ ｈ ｏ ｙ ｄ ｔ ｃｉ ｎ ｒ ｌ ｆｒ ｃ ｉ ｋ ｅ ｓｏ ｅ ｓ ｐ ｒｅ ａ ｌ ，ｉ ｉ ｄｃ ｔｓｔ ａ ｓａ ｃ ｎ ｅ ｉｎ ｎ ｆ ｃｉｅ ｍｅｈ ｄ ｔ ｃ ｒａｎ ｌｏ ｅ ｒ ｃ ｌｐ ｅ ｉ ｋｔ ｃ ｎ ｓ ｆｔ ｌ ｅｆ ｘ ｍｐ ｅ ｔ ｎ ｉａｅ ｔ ｔｉ ｏ ｖ ｎ ｅ ｔａ ｄ ｅ ｅ ｔ ｔｏ ｏ ａ ｅ ｉ ｏ ｓ ｏ ｋ ｓ ｅ，ｕ － ｅ ｏ ｈ ｈ ｏ ｏ ｈ ｉ ｖ ｓ ｔ ｏ ｎ
多道瞬态瑞雷波勘探技术在地基土层波速测试中的应用
地 质 装备
２ ５
多道 瞬 态 瑞 雷 波勘 探 技 术在 地 基 土层 波 速 测试 中的应 用
李凤之 迟永坤 齐霞
（ 阳 地球 物 理 勘 察 院 沈
辽 宁 沈 阳 １ ０ ２ ） １ １ １
摘
要： 作者 采用 多道瞬态瑞 雷波勘探技 术对地基土层进 行 波速测 试 ， 并根据 各测 点波速 情况 确定地 基土 层的 密 实程度 ， 而对地基进行 评价。 从 波速测试
供 了方 便 。
一
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一 。
式 中
分别 为 质点 位移 场 的标量 位 和 向量
位 ， 、 分别 为 纵波 、 波波 速 。 横 （ ） 中的一 个解 为 ： １式
（ Ｙ， ）一 ＡＢ知ｌ ・ ‘ ’ ， ｚ —
Ｔ （ Ｙ， ｘ， ）一 Ｂｅ 如 。・ — ２ ８（
终结 果 。 ４ 原始 资料 的整理 与解 释
图 １ 野 外 工 作 布 置 图
其 Ｍ 处为 测点 ， 相邻 检波器 的距 离为 ， 振 激 点 位于检 波器排 列 的一侧 ， 和邻 近 检 波 器之 间 的距
瑞 雷波 水平 振 幅 和垂直 振 幅从 弹性 介质 的表 面 向内部 呈指 数衰 减 ， 主要 能 量 集 中在 一 个 波 长 范 围 内 。因此 ， 以认 为 瑞雷 波 的穿 透深 度为 １ 波长 。 可 个 根据 瑞雷 波 理论 ， 当深 度 Ｚ 为 ｒ的 １２时 ， 雷 波 ／ 瑞
微。
响 、 部地 层分 辨 率高 等特 点 ， 浅 使得 面 波勘探 技 术被 广泛地 应 用 于地基 场地 土类 型和建 筑 场地类 别 的划 分 、 筑场 地 土层 的划 分 、 基 加 固效 果 评 价 、 害 建 地 灾 地 质体 调查 等 方面 。
瞬态瑞雷面波法在道路工程地质勘察中的应用
道路|工|程鬆瞬态瑞雷面波法在道路工程地质勘察中的应用冯海•罗大庆，李璐杰(广西交科集团有限公司，广西南宁530007)摘要：与常规的地质勘探技术相比，瞬态瑞雷面波法具有对场地的要求不高、性价比高、便于激发与识别、不受地层速度的影响等优势，因此，获得了业内广泛的认可，在解决浅层工程地质问题方面具有重要作用。
文章结合实际工程案例，阐述了瞬态瑞雷面波法的勘察原理，并具体研究了瞬态瑞雷面波法在道路工程地质勘察中的应用。
关键词：道路工程;瞬态瑞雷面波法;地质勘察;原理;实践中图分类号：U412.22 文献标识码：A D0l:10.13282/ki.wccst.2021.01.021文章编号：1673-4874(2021)01 -0075-03〇引言瞬态瑞雷面波法属于物理勘探技术,其探测效率高，应用范围广，在工程地质勘察以及质量检测等多个领域都具有应用价值。
在道路工程建设过程中，由于工程施工区区域跨度大，地质环境复杂，地形地貌以及地层构造变化，因此，前期的地质勘探工作极为关键。
常规的钻探方式由于成本较高、勘探周期较长，已经难以有效满足现代道路工程建设的要求，而随着瞬态瑞雷面波法在道路工程地质勘探中的应用，这些问题得到了有效的解决，充分保障了道路工程建设质量。
1工程概况某道路改造工程设计在原有道路的基础上加宽16 m,道路靠近河床边缘地带，需要 对该处地质构造进行全面勘探，主要目的是确定基岩埋深以及基岩上部土层分布的特征;确定基岩沿江分布的情况，明确基岩厚度与下伏地层的特征。
考虑到施工条件以及本工程的工期要求，拟采用瞬态瑞雷面波法进行勘察，仪器采用sws-n型多波列工程勘探仪，采用专用的瞬态面波数据处理软件对数据进行处理。
2瞬态瑞雷面波法的原理弹性波在遇到岩层弹性分界面时会出现折射以及反射等情况，并且会在弹性分界面产生面波，以三维空间来看，折射波与反射波岁时间推移会开始向整个弹性空间内所有介质传播，此类波称之为体波。
2.瞬态瑞雷波勘探方法-严寿民
第十六卷 第二期 物 探 与 化 探 Vol.16, No.2 1992年4月 GEOPHYSICAL & GEOCHEMICAL EXPLORATION Apr., 1992瞬态瑞雷波勘探方法严寿民（中国科学院地球物理研究所）摘 要瞬态瑞雷波勘探方法是一种新的地震方法。
它可以快速和经济地测定岩土层的瑞雷波速度。
由瑞雷波速度可换算成横波速度。
本文简要叙述了它的原理和野外试验方法。
并以实例说明了此方法的有效性。
最后对这一方法的优点作了讨论。
瑞雷波勘探方法是国外最近几年发展起来的新的浅层地震勘探方法，与以往的地震勘探方法差别在于：它应用的不是纵波和横波，而是以前视为干扰的面波。
众所周知，面波具有频散的特性，即其传播的相速度随频率的改变而改变。
这个频散特性可以反映地下构造的一些特性。
60年代初，美国密西西比陆军工程队水路试验所开始研究这种方法，但由于当时技术条件的限制，而未能成功。
一直到80年代，日本的VIC 株式会社推出GR-810佐藤地下全自动勘探机后，才使这个勘探技术在浅层物探中得以应用。
通过几年的实践和初步研究表明，此方法是一种较为简便和行之有效的探测手段，有着很广阔的发展前途。
但由于GR-810采用的所谓稳态瑞雷波勘探方法，带有一套稳态的激震设备，因而其价格昂贵，设备显得很笨重，使这种技术的应用和推广受到一定的限制。
针对这个问题，我们用瞬态瑞雷波来代替稳态法，并在实践中获得成功。
所用的仪器是日本CF-350通道FFT 信号分析仪、一个锤子和二个低频检波器，以代替GR-810全自动勘探机。
由于去掉了笨重的稳态振动系统，因而设备是非常轻便的，并先后在野外做了试验，取得了较好的成效。
瞬态瑞雷波法的原理瞬态瑞雷波法是用锤击使地面产生一个包含所需频率范围的瞬态激励。
离震源一定距离处有一观测点A ，记录到的瑞雷波是f 1(t)，根据付立叶变换，其频谱为⎰∞∞--=dt e t f F t i 11)()(ωω （1） 在波的前进方向上与A 点相距为△的观测点B 同样也记录到时间信号f 2(t)，其频谱是⎰∞∞--=dt e t f F t i 22)()(ωω （2） 假若波从A 点传播到B 点，它们之间的变化纯粹是频散引起的，由应有下列的关系式)()()(12ωωωωR V i e F F ∆-= （3）)(ωR V 是圆频率为ω的瑞雷波的相速度。
多道瞬态瑞雷波法技术应用探讨
多道瞬态瑞雷波法技术应用探讨体剪切波速度测试作为对浅层地震进行勘察与科学评价的一种新型，在强夯地基检测中得到了广泛地应用与发展。
以往，针对剪切波速度原位测试而言，多以体波为试验信号，以表面为波干扰信号，测试时在地层中进行钻孔测试费用昂贵，难以大范围推广。
伴随着科学技术的不断发展，表面波法孕育而生，在一定程度上彌补了土体剪切波速度测试的缺陷，不需要在地层中进行钻孔，将振源检波器置入地表面上，经济可靠，应用范围广。
具体而言，表面波法主要涵盖两种方法：一是稳态瑞雷波法，二是瞬态瑞雷波法。
伴随着瑞雷波法实测技术的快速发展，该项技术在煤炭冶金、工程勘察、地基承载力确定、考古与地下洞穴、地基加固效果评价、工程质量检测等方面应用广泛，能创造巨大经济效益。
但由于瞬态激振功率谱分布难以实现均匀，且频率能量小，具有高随机干扰性，故当前已发展出来的一种全新面波勘探方法—多道瞬态瑞雷波测试技术，可经由多道相关迭加与多次迭加，增高频谱能量，减少干扰，能保证测试结果的精准性。
1 多道瞬态瑞雷波法技术概述瑞雷波检测一般包括两种：一是瞬态法，二是稳态法。
针对此两种方法区别而言，关键在于震源存在差异。
瞬态法主要是指在激震时形成的瑞雷波，具有一定频率范围，以复频波为主要形式进行传播；而稳态法主要是指在激震时形成瑞雷波，频率较为单一，并以此形式进行传播。
而就两种方法测试结果而言，具有相似性，而瞬态法优势较为显著，同时测试设备较为简便，于测试过程便捷，能对较深的土层进行测试。
立足于瞬态瑞雷波法原理角度，其振源主要采用重锤或脉冲荷载，基于荷载作用下，处于地表上的传感器可对R波竖向分量信号进行接收。
而瑞雷波通过检波器向检波器向外进行传播，接收时间域信号，其中涵盖单频瑞雷波，通过频谱分析可获取R波波速。
从本质上来讲，瑞雷波法主要采用瑞雷波动力学特征与运动学特征来开展岩土工程勘察与检测，其特性主要表现在三个方面：（1）基于分层介质中，瑞雷波频散特性显著；（2）瑞雷波影响深度为一个波长以内，由于波长存在差异，导致穿透深度也不尽相同，其属于不同深度介质状况反映指标；（3）剪切波速与瑞雷波传播速度息息相关。
瞬态瑞雷波法在空洞勘探中的应用研究
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，ｒ ｒ１ Ｉ
图 ４ 模型 ３在产 域最大模 曲线
图 ５ 模型 ４在产 域最大模 曲线
图 ２～图 ５为滤波信号经过傅立 叶变换后 ｆ ｋ － 域最 大模频 散 曲线 图。根据频率 和波数 的关 系 ， 算 面波 的相 速度 ， 算 出波 计 换 频散 曲线 。图 ６～图 ９为滤波信号经 过傅立 叶变换 后 月 ｃ域最 ＿ 。
用道 间距 和偏移距 为 ０ ５ｍ和 ６ｍ。 ． 记 录长度 和采样 间隔 ： 在瞬态瑞波 勘探过程 中采样 间隔 与勘
性 来进行地层 的速 度场地 要求 不高 且能一 次获 得与 深度 相关 的
一
对于浅 层宜 采用较 高 的采样率 ， 之采 用较 低 的采 反 地层面波速度参 数 的特点 。地 下 隐伏空 区与空 洞是 工程 建设 的 探 深度 有关 ， 样率 。本模 型记 录长度为 ０ ２ ６ｓ采样点数为 １ ８ ．５ ， ６次 。 ０ 大隐患 ， 分层并反映浅层地质 问题。它具 有操作简单 、 对 探测快 边 界条件设 置 ： 为避免边 界处 反射 波对 求解 域 的影 响 ， 有 对 速、 对其进行 准确 、 有效 的探查是一项十分重要而又棘手 的工作 。 限域表 面设 置无反射边界条件来模拟半无限大空 间。 瑞雷波法是一种 利用 瑞雷 波运 动学 和动力 学特 征 的进行 工 程质量检测及工程地质 勘探 的一种方法 ， 当对 自由界 面进行 竖 向 ３ 数据 处理 击震时均会在 自由界 面产生瑞雷波 ， 雷波有 三个与工 程质 量检 瑞 测有关 的特性 ： １ 在层状介质 中， 雷波具有频散特性 。 ） 瑞 ２ 瑞雷波的传播速度 与介质 的物理 力学性质密切相关 。 ） ３ 瑞雷波的穿透深度 与波长密切相 关。 ）
为 得 到 复 杂 地 质 情 况 下 ， 大 模 频 散 曲线 的 规 律 ， 文 运 用 最 本
瞬态多道瑞雷波原理及在碎石土强夯地基检测中的应用
瞬态多道瑞雷波原理及在碎石土强夯地基检测中的应用摘要：瞬态瑞雷波最近几年来在岩土工程勘察中应用越来越广泛，本文通过具体实例阐述了瞬态多道瑞雷波勘探的原理和方法，分析了瞬态瑞雷波在强夯检测中的应用。
关键词：强夯；地基检测；剪切波速度；瞬态多道瑞雷波勘探技术在建筑行业逐渐发展的同时，多种勘探技术面世并用于实际工程。
在上世纪90年代就出现了瞬态瑞雷面波勘探方法，其属于浅层地震勘探方法之一，最近几年来在新疆岩土工程检测中应用越来越广泛。
在采用此方法进行检测时，可选用不同材质、不同重量的锤或者物体将其由高出落下形成激振。
检测过程中，需在被检测现场设置多个拾震器，科学设置面波接收窗口以接收震动，在多道面波叠加情况下，频谱能力增高，干扰量降低。
依据以往的工程实例可发现，此检测方式可用于区别建筑场地土层类型、评估地基加固情况等，且此种方式具有速度快、结果准确性高等优点。
瞬态瑞雷面波勘探中充分利用了瑞雷波在分层介质中传播频散、传播速度与介质物理力学性质联系紧密的特征。
一、瞬态瑞雷波法原理分析瞬态瑞雷波法利用锤击或炸药在地面形成涉及所需频率的瞬态激励。
在距离震源一定距离位置设置一个观测点（以A表示），并在此观测点检测瑞雷波（以(t)表示），在瑞雷波前进方向、距离A观测点一定距离（以△s表示）的位置f1设置另一个观测点（以B表示），并检测此观测点瑞雷波（以f(t)表示）。
经2检测发现，瑞雷波由A点至B点的变化是由于频散产生的，可依据两个观测点之间的距离、每一频率之间的相位差，可准确计算每一频率的相速度，进而准确绘制勘察地点频散曲线。
在计算瑞雷波的速度时，利用以下公式计算。
在确定瑞雷波速度频率为f时，它相应的波长R 为：R=VR/f依据弹性波理论可知，瑞雷波能量大多存在介质自由表面周围，且这些能量存在的深度在一个波长深度范围以内。
依据半波长理论可发现，我们可将瑞雷波平均速度VR视为1/2波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度：H=R/2= VR/2f。
瞬态瑞雷波勘探技术在南水北调配套工程中的应用
１ 前 言
瞬态 面波 勘探 技术 是在 ２ ０世 纪 ９ ０年代 ，在 我 国才 发展 起来 的一 种 工程勘 察方 法 。但 通 过这 几年 的发展 ，在基 础理 论和 应用 等方 面都 取得 了可 喜 的 研 究成 果 。 与 其他 地震 勘探 方法相 比，瞬态 瑞 雷波勘 探 技
入京的有利形势，做好全市水资源配置的战略性调 整和全市供水系统空 间布局战略性调整而建设 的 南水北调工程总干渠至各 自来水厂的联络工程 。南 水北调配套工程 多以地 下铺设管道来 实现全 市水 资源的调整 ，在工程施工过程中，多处需要进行工
程 地 质勘 查 ， 以及 地下 不 良体 分 布 的勘 查确 定 。
・６２ ・
作者 简介 ：晋 凤 鸣 （ １ ９ ８ ２年一 ） ，男 ，工程 师 。
设 计施 工
水 利规 划与 设计 物 探 方法 中具 有一 定 的优越 性 。
（ １ ）工作 方 法 ：
２ ０ １ ３年 第 ３期
质 中 ，瑞雷波 的传 播速度 与 振动 频率 无关 ， 即无频
２ 瞬态瑞雷波勘探 的基本理论
２ ． １ 基本原理 地 表震 源 不仅激 发 纵波和 横 波 ，同时 由于 纵波 和横波 的相互干涉叠加，会出现波形的转换，使地
下介质质点按一定 的轨迹运动，形成一种新的能量 很 强 且主 要集 中在 地表 附近 的波 动 ，称为 瑞 雷面波 。
瞬态瑞雷波勘探法应用于南水 北调 配套工程 瑞 雷 波 的传 播 具有 如下 特性 ： 中 ，可解 决如 下两 个方 面 的浅层 地质 问题 ： （ １ ）在分层介质 中，瑞雷波具有频散特性， （ １ ）工程地质勘查：利用实测 的面波频散 曲 即瑞雷波 的传播速度 是频率的函数； 而在均匀介 线，通过定量解释 ，可得到各地质层的厚度及弹性 波的传播速度 ，传播速度的大小直接反映了地层的
物探方法 瞬态瑞雷波法【精选】
• 目前国内外生产的检波器类型较多， 面波测试时，可从固有频率为4.5、8、 10、15、28等检波器中选择使用，瞬 态面波一般使用固有频率较低的检波 器
• 检波器接收到的基本是瑞雷波的垂直 分量。瞬态冲击激发的面波可以看作 许多单频谐振的叠加，因而记录到的 波形也是谐波叠加的结果，呈脉冲型 的面波。
瑞雷波勘探方法是近年来发展起来 的浅层地震勘探新方法。由于瑞雷 波速度同剪切波速度及岩、土力学 参数有着密切的关系，
因此在岩、土工程和地基处理方面得 到广泛的应用。
• 从方法上讲，瑞雷波勘探有频率域 观测的稳态法和时间域观测的瞬态法 两种
稳态法应用时间较长，方法技术也较为 成熟，但缺点是设备笨重，不利于提高 效率。瞬态法则具有轻便、快捷效率高 的特点。所用的采集系统就是地震勘探 数据采集系统。因此很快受到人们的普 遍重视。
• 频率滤波是数据处理中最常见的处 理手段，它可以消除各种干扰。
对于浅层勘探，保留高频成分，对于较 深目的层保留低频成分。对于中等深度 勘探，要合理选择通频带，以降低干扰， 使资料质量得到改善，并最终减小对频 散曲线的影响。
切除处理可以把直达波和折射波等 部分地消除，从而保留下来较纯的面波， 切除以后可以大大改善频散曲线的计算 结果。
R =vR/f (6.3.6)
瑞雷波的能量主要集中在介质的自由表 面附近，其深度大体在一个波长深度范围 内，由半波长理论，所测量的瑞雷波的平 均波速vR 可以认为是半波长深度处介质的 平均弹性性质，即勘探深度是
H=R/2=vR/2f
(6.3.7)
由(6.3.7)可知，频率越高，波长R越 短，勘探深度越小;反之，频率越低，
• 为了获得对应于不同深度的波速， 要求震源产生的频率范围要宽，
8.瞬态多道瑞利波勘探技术的原理方法、仪器设备和应用实例-李哲生
瞬态多道瑞利波勘探技术的原理方法、仪器设备和应用实例李哲生(福建省建筑设计研究院)提要本文阐述了瞬态多道瑞利波勘探的原理和方法，提出了适用该方法的仪器和设备工程为实例，介绍了这种方法在岩土工程勘察中的应用。
关键词 瑞利波 稳态法 瞬态法 瞬态多道瑞利波勘探技术一 前言在进行折射法和反射法地震勘探时，由纵波激震震源产生的地震波在传播过程中，不可避免地产生瑞利波，为了取得折射波的初至或反射波的同相轴，需要选择合适的窗口和滤波，将瑞利波作为干扰波设法排除。
但近些年来，人们已成功地利用瑞利波传播过程中的频散特性，将其应用于岩土工程勘察中来。
瑞利波勘探法根据震源形式不同可分为二大类：一为稳态法，另一为瞬态法。
前些年，主要以稳态激振方法为主，其代表为日本VIC 株式会社的GR-810、GR-830地下勘探机。
国内也有一些类似的仪器设备，它们的勘探原理都相同，即利用扫频仪和功率放大器发出的谐波电流推动电磁激振器对地面产生稳态面波，由相隔一定距离的拾振器将接收到的面波振动转换为电压量送入计算机(频谱分析仪)进行相关计算，得出频散曲线。
由于稳态激振面波勘探方法设备较为复杂，重量也大，随之根据其原理，出现了瞬态面波勘探方法，其设备较为轻便，测试速度快。
但也有许多缺点，其一是瞬态激振的功率密度谱分布不均，许多频率能量大小，随机干扰大，以致于频散曲线与理论相差太大，常常无法利用。
其二是仍按照稳态激振面波勘探方法接收地面震动波，致使所有的波，如反射波、折射波、直达波等均作为干扰波而与面波混在一块，有可能导致误差较大的结果，这也是稳态激振面波勘探方法主要缺点之一。
为了克服这些缺点，目前发展了一种新的面波勘探方法--瞬态多道瑞利波勘探技术。
它的激振可采用不同材料和质量的锤或重物下落激振，在地面布置多个拾震器，并选择最佳面波接收窗口接收震动，通过多次迭加多道和相关迭加，使得频谱能量加大，干扰减小。
据此，北京水电物探研究所(原北京华水物探研究所)研制了SWS 多功能面波仪，并将分析处理软件装入计算机内。
瞬态面波法摘要
摘要】瞬态面波法是一种新兴岩土原位测试勘探方法，对地层具有薄层分辨能力、定量分析评价能力和通过图象再现地下地层与构造的能力。
在工程建设项目的勘察设计中发挥越来越大的作用。
【关键词】瞬态面波瑞雷面波频散曲线勘察应用与折射波、反射波相比瞬态面波法是一种新兴岩原位测试勘探方法，利用实测瑞雷面波频散曲线，通过定量解释，可以得到各地质层弹性波的传播速度，传播速度的大小，直接反映了地层的“软”、“硬”程度。
因此，可以对第四系地层进行划分，确定地基的持力层、土石界面基岩面的起伏变化。
瞬态面波勘察技术对地层具有的薄层分辨能力、定量分析评价能力和通过图象再现地下地层与构造的能力。
一、瞬态面波概要试验表明，瑞雷面波某一波长的波速主要与深度小于该波长一半的地层物性有关，这就是用一定波长的瑞雷面波波速来表征一定深度地层物性的实验基础。
瞬态面波法是通过锤击、落重及炸药震源，产生一定频率范围的瑞雷面波。
再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的瑞雷面波分离开来，从而得到一条VR-f曲线或VR-λR曲线。
解释方法多采用半波长法，但进一步发现，半波长法解释方法有时不够精确，实际应用中需作修正或改进。
推断层厚度的方法目前有一次导数极值点法和拐点法；计算层速度的方法有渐进线法、□VR/□λRH极值法和近似计算法几层厚度、层速度的综合解释法等。
通过正反演计算，进行人机联作速度分层，也是日趋常用的处理解释方法。
瞬态面波处理系统的主要功能模块及处理流程图见图1。
二、工程应用实例1、工程勘察图2是兰州-临洮高速公路对临洮县城特大桥采用锤击震源和瞬态面波法取得的工作成果。
此图为波速实测曲线和人机联作地层分层的解释成果，与钻孔验证二者对应良好。
节约了三分之二的钻探工作量。
图3是山丹-临泽高速公路对黑河大桥采用锤击震源和瞬态面波法取得的工作成果。
此图为波速实测曲线和人机联作地层分层的解释成果，与钻孔验证二者对应良好。
在地层分层的解释成果图中地层分为大的三层，剪切波速由100m/s变化至500m/s，反映了由地表松散的砂卵石至深部中密-密实的砂卵石的地层变化。
在高速公路边坡勘察中瞬态瑞雷波法的应用分析
在高速公路边坡勘察中瞬态瑞雷波法的应用分析瞬态瑞雷波法是一种比较常见的勘探技术，其在地质勘查中的应用比较广泛。
将瞬态瑞雷波法应用于高速公路边坡勘察中，能够提升地质勘察的效果，对边坡防治具有一定的促进作用。
本文主要对瞬态瑞雷波法进行探讨，并对瞬态瑞雷波法在高速公路边坡勘察中的应用进行分析。
标签：高速公路边坡勘察；瞬态瑞雷波法；应用分析边坡问题是高速公路建设过程中需要面临的重点问题，及时对高速公路边坡进行勘察和处理，能够保障高速公路的稳定发展。
在实际勘察过程中，高速公路边坡的数据资料难以获取，易对边坡稳定分析结果造成影响，从而为高速公路埋下安全隐患。
瞬态瑞雷波法可通过瑞雷波的扩散对浅层地质进行勘察，其在工程地质勘察中的应用效果比较优越。
1、瞬态瑞雷波法地震波可分为两类，包括面波与体波。
当体波在非均匀介质中传播时，就会出现投射现象与反射现象。
瑞雷波的出现是由于反射纵波与横波纵波相互干涉形成的。
瑞雷波勘探属于无损探测，其在工程建设中的應用范围相对广泛。
由于传统的瑞雷波勘探效果有限，已经无法满足工程建设的勘探要求，因此出现了瞬态瑞雷波勘探方式。
这种勘探方式可通过数据分析，从而得出地下不同深度的数据资料。
在进行瞬态瑞雷波的振动信号处理时，可选择瑞雷波处理软件。
这种软件可处理各种不同频率的瑞雷波，从而得出瑞雷波频散曲线。
然后对瑞雷波频散曲线进行分析，得出对应的深度，并将各深度介质中的瑞雷波速值求解出来。
检波器能够对瑞雷波信号进行接收和传输，并对信号进行初步的处理与保存。
在进行瞬态瑞雷波法应用时，可对多个检波器进行联用，只需一次瞬发便可得到横向上的速度剖面，使横向分辨率与勘探效率得到提升[1]。
自由表面传播的瑞雷面波具有一定的特性，其质点会处于振动状态。
若瑞雷面波传播深度上升，则质点的垂直振幅便会快速降低，瑞雷面波质点垂直振幅与水平振幅的能量多数处于二分之一波长范围内。
瑞雷面波在均匀介质中传播时，其传播的频率和波速之间并没有关联性。
瞬态瑞雷面波测试简述
瞬态瑞雷面波测试简述0．检测原理瑞雷面波法检测根据击振源的不同分为稳态和瞬态。
瞬态瑞雷面波法测试需先求得在路基上激发的瞬态瑞雷面波的频散曲线，不同频率的瑞雷面波具有不同的波长，其平均速度就反映了不同深度范围内的介质性质。
通过分析频散曲线图，用拐点法或渐近线法确定各分层介质的分层界面，然后用等效半空间法计算获得各层的瑞雷面波波速，在建立瑞雷面波速与路基路面分层介质物理力学参量之间的对应关系式，从而实现由实测的瑞雷面波对公路质量的无损检测。
1．检测系统的真确配置和方案确定检测系统的正确配置和检测方案的正确确定是保证检测精度和检测可靠性的关键。
检测系统配置主要由振源、检波器、电荷放大器、计算机分析处理系统和资料输出的打印机组成。
振源是产生所需频率范围的机具，一般采用锤击、落重、爆炸等方式。
检波器是安置在地面用于拾取介质的传感器。
可以把振动的机械能转换成电信号。
目前，使用的检波器有动圈电磁式的速度传感器和压电晶体式的加速度传感器。
电荷放大器是用于放大采集的信号以更好的提取所需的信号部分。
2．检测方案检测前，应对现场路面进行调查后，根据具体的测试对象，进行检测方案的设计。
通常情况下，主要考虑以下几点内容：（1）振源的选择：在进行路基压实度检测时，可用小铁板垫着再用铁锤迅速猛锤击小铁板，根据实测的频散曲线图分析在压实路基图的检测中，所需的击发频率一般为：150～300Hz,用小铁锤即可击发足够的频率带宽，瑞雷面波信号采集仪器的采样频率一般选择1024Hz即可：在混凝土路面检测时要获取高频的振源（一般为3000～5000Hz）,小铁锤击发的频率已不能满足。
经过反复的振源选择，发现可采用用小钢球猛甩击地面以获得高频击发源。
（2）垂向传感器的选择：检波器是安置在地面用于拾取介质振动的传感器。
可以把在路基的检测中因为需要的正源频率较低一般为200Hz左右，故检波器可选用中低频地震式传感器，因为它具有频率范围宽，对冲击振动的频响特性好等特点。
物探方法-瞬态瑞雷波法
平均波速为
v Ri 2f i N x / ij
j 1 N
(6.3.8)
在同一测点对一系列频率fi求取相应 的vRi 值，就可以得到一条vR-f典线， 即频散曲线。
• 根据 (6.3.6)式，可将vR-f曲线转换 为vR-R曲线，vR-R曲线反映出该测 点介质深上的变化规律。沿测线不 同点的vR-R曲线则反映了介质沿剖 面方向上的变化特征
瞬态面波法的震源可以采用锤击、落重、爆 炸等方式。激振力较小时脉冲面波的主频率 较高。 检波器安臵在地面作为拾取介质振动的 传感器。面波勘探所用检波器频率范围很宽， 可以从数赫兹到数千赫兹。。
• 目前国内外生产的检波器类型较多， 面波测试时，可从固有频率为4.5、8、 10、15、28等检波器中选择使用，瞬 态面波一般使用固有频率较低的检波 器
(三)在工程、环境检测 与监测中的应用 深圳市中兴花园的场地为山沟填土 整平形成，测试区填埋土深大约15m。 为检测夯实效果，深圳市地质局先后 做了瑞雷波法、钻探标贯试验和33m2 大压板静载试验。
瑞雷波测试采用道间距2m，偏移距4m,32kg 重锤，1.5m高自由下落激发，记录波形经 计算机处理后获得如图 6.3-4所示频散曲 线。
* 1
(6.3.10)
其中的F1*(f)和F2*(f)为F1(f)和 F2(f)的复共扼谱。f1(t)和f2(t)的 互功率谱为
S 21 ( f ) F2 ( f ) F ( f ) F1 ( f ) F2 F1 ( f ) F2 ( f ) e
* i ( f ) * 1
(6.3.11)
n层的平均速度及相应的界面深度为vR,n 和Hn, 并且平均速度是随深度递增的，则n-1层至n层 之间的面波层速度vRi,n 的计算公式为
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由(6.3.7)可知，频率越高，波长R越 短，勘探深度越小;反之，频率越低， 波长R越长，勘探深度越大。因此两个 观测点之间的距离也要随着波长的改变 而改变。对于勘探较深的低频而言， x要大，才能测到较为正确的相位。 对于勘探较浅的高频来说，x要小。
• 根据实际经验，x 取1/3R -2R 间较为合适，即在一个波长内的采 样点数，要小于在间距x 内的采 样点数的三倍，大于在x内的采 样点数的0.5倍。这个滤波准则要 针对不同的仪器分辨率和场地的实 际情况做适当调整
F2 ( )
f
2
(t )e
it
dt
(6.3.2)
若波从A点传播到B点，它们之间的变化
完全是频散引起的，则应有下列的关系 式
F2 ( ) F1 ( )e
i v
x R ( )
(6.3.3)
vR()是圆频率为ω的瑞雷波的相速度。
上式也可写成
F2 () F1 ()e
瞬态面波法的震源可以采用锤击、落重、爆 炸等方式。激振力较小时脉冲面波的主频率 较高。 检波器安臵在地面作为拾取介质振动的 传感器。面波勘探所用检波器频率范围很宽， 可以从数赫兹到数千赫兹。。
• 目前国内外生产的检波器类型较多， 面波测试时，可从固有频率为4.5、8、 10、15、28等检波器中选择使用，瞬 态面波一般使用固有频率较低的检波 器
i
(6.3.4)
式中是F1()和F2 ()之间的相位差,比 较式 (6.3.3)和 (6.4.4)可知
x / vR ()
vR () 2f x / (6.3.5)
根据上式，只要知道A、B两点间的距离x和 每一频率的相位差，就可以求出每一频率的 相速度vR () . 为得到勘探点的频散曲线，需要对两观测点 的记录作相干函数和互功率谱的分析。作相 干函数的目的是对记录信号的各个频率成分 的质量作出估计，并判断噪声干扰对有效信 号的影)的速 度曲线，其含义虽然与层速度不同，但比 较各频点速度值的展布规律，可以看到速 度曲线突变处的深度往往对应于介质的界 面深度。理论和实践都表明，曲线上"之" 字型 (锯齿状)异常反映地下介质的分界 面，如图6.3-1所示。
如果把面波的平均速度曲线转换 成层速度与深度H的关系，解释结果 将更为直观。 如果速度曲线上读取的n-1层面 波平均速度及相应的界面深度分别为 vR ,n-1和Hn-1 ,
该曲线拐点清晰， 02m深度范围波速为260m/s, 36m波速为220m/s， 69m波速为 220m/s， 916m波速为190205m/s，
• 解释加固深度9m，影响深度16m。该场地 也进行了钻探标贯试验，013m范围内修 正后的标贯击数为14.826.8m，室内土工 试验压缩模量58MPa，内摩擦角150左右， 凝聚力36kPa左右。 • 静载试验按设计承载力1.5倍加荷，实 测承载力fK =250 kPa，变形模量34.02MPa， 换算压缩模量8.5MPa。 •
• 三种试验结果对比，发现频散曲线 反映强夯复合地基的加固深度、影 响深度与钻探标贯和静载荷试验结 果一致。统计表明，瑞雷波速与标 贯试验有较好的相关性，图6.3.5是 对86个试件的统计结果，图中N63.5 为标贯击数，该相干曲线的相关系 数为 r=0.9
能量衰减也是一种数据处理手段，它 可以对一定时窗内的地震波进行能量 衰减控制。由于地震记录中面波能量 最强，因此增益处理以后，可以使相 对较弱的反射波、直达波等幅值减小， 使其在计算频散曲线时相关系数变小， 从而达到减少干扰的目的。
• 一般而言，增益处理后计算的频散 曲线更加平滑，且对深层目标反映 的更清楚，不利之处是这种平滑可 能会便面波勘探的分辨率降低，并 产生低频段的低速假象。
• (c)图为测量排列中第二道检波点 与第三道检波点之间的相速度曲 线; • (d)图是测量排列中第三道与第四 道检波点之间的相速度曲线; • (e)图为测量排列中第四道与第五 道检波点之间的相速度曲线。
• 由以上速度曲线特征可以确定， 老窖位于排列中第二道与第三道 检波点之间的下方。矿方据此布 置钻孔验证，在钻孔的 27-29m深 度处探到老窖，与第三条速度曲 线的A点和B点反映的顶底板深度 相近。
• 根据以上讨论，同一波长的瑞雷波 传播特征反映了地质体水平方向的 变化情况，不同波长的瑞雷波传播 特性反映了不同深度地质体的变化 情况实际工作中，为了提高效率。 瑞雷波勘探时，在地面上沿波的传 播方向，以一定的道间距x设臵 N+l个检波器,
• 我们就可以检测到Nx长度范围内瑞
雷波的传播特征。 • 对于频率为fi 的频率分量，进行 互谱分析时，计算相邻检波器记录的 相移i，则相邻道x长度内瑞雷波的 传播速度，在满足空间采样定理的条 件下，测量范围Nx内的
作互功率谱的目的是利用互功率谱的 相位特性求出这两个观察点在各个不 同频率时的相位差，再利用 (6.3.5) 式求出相速度，当我们已知频率为f的 瑞雷波速度vR 后，其相应的波长为R R =vR/f (6.3.6)
瑞雷波的能量主要集中在介质的自由表 面附近，其深度大体在一个波长深度范围 内，由半波长理论，所测量的瑞雷波的平 均波速vR 可以认为是半波长深度处介质的 平均弹性性质，即勘探深度是 H=R/2=vR/2f (6.3.7)
1 f0 2
4r0 M (1 )
(6.3.9)
其中为切变模量，为泊松比。 瞬态面波法也可以利用仪器的信 号增强功能，进行垂直叠加，以达到 增强有效信号压制干扰的目的。
瞬态法由于采用一次激发多道接收， 可将不同间距的相速度波长数据组合， 得到波速与波长关系的瑞雷波频散曲 线。与稳态法相比可大大提高工作效 率。
• 检波器接收到的基本是瑞雷波的垂直 分量。瞬态冲击激发的面波可以看作 许多单频谐振的叠加，因而记录到的 波形也是谐波叠加的结果，呈脉冲型 的面波。 • 为了获得对应于不同深度的波速， 要求震源产生的频率范围要宽，
• 测试浅层时用小锤或较轻的铁块锤击 地面获得高频信号，并采用小的道间 距接收。测试深度大时则相反。 • 地震波主频f0与落重法的重块质量M 和重块底面积的半径r0的关系为:
• 经以上对原始记录的整理和处理后， 需要确定面波速度vR。由式 (6.3.5)， 首先确定两接收点间的相位差.因此 就要对两观测点的记录作互功率谱的 分析。
如果两观测点的时域记录为f1(t)和 f2(t)，其频谱分别为F1()和F2()的 自功率谱可分别表示为：
S11 ( f ) F1 ( f ) F ( f ) * S 22 ( f ) F2 ( f ) F2 ( f )
* 1
(6.3.10)
其中的F1*(f)和F2*(f)为F1(f)和 F2(f)的复共扼谱。f1(t)和f2(t)的 互功率谱为
S 21 ( f ) F2 ( f ) F ( f ) F1 ( f ) F2 F1 ( f ) F2 ( f ) e
* i ( f ) * 1
(6.3.11)
一、瞬态瑞雷波勘探原理
瞬态瑞雷波法是用锤击使地面产 生一个包含所需频率范围的假设离震 源一定距离处有一观测点A，记录到的 瑞雷波是f1(t)，根据傅里叶变换，其 频谱为
F1 ( )
f (t )e
1
it
dt
(6.3.1)
在波的前进方向上与A点相距为x 的观测
点B同样也记录到时间信号f2(t)，其频谱 是
瑞雷波勘探方法是近年来发展起来 的浅层地震勘探新方法。由于瑞雷 波速度同剪切波速度及岩、土力学 参数有着密切的关系，
因此在岩、土工程和地基处理方面得 到广泛的应用。 • 从方法上讲，瑞雷波勘探有频率域 观测的稳态法和时间域观测的瞬态法 两种
稳态法应用时间较长，方法技术也较为 成熟，但缺点是设备笨重，不利于提高 效率。瞬态法则具有轻便、快捷效率高 的特点。所用的采集系统就是地震勘探 数据采集系统。因此很快受到人们的普 遍重视。
(三)在工程、环境检测 与监测中的应用 深圳市中兴花园的场地为山沟填土 整平形成，测试区填埋土深大约15m。 为检测夯实效果，深圳市地质局先后 做了瑞雷波法、钻探标贯试验和33m2 大压板静载试验。
瑞雷波测试采用道间距2m，偏移距4m,32kg 重锤，1.5m高自由下落激发，记录波形经 计算机处理后获得如图 6.3-4所示频散曲 线。
可见互功率谱中的相位谱反映了包 含在面波中的相应单频波的相位差. 在互功率谱函数中，并非对所 有频率成分都有效，衡量某频率成 分是否有效的方法是用相干函数，
即检测面波由测点A向测点B传播时， 是否有良好的相干性。定义相干函 数
S21 ( f )S ( f ) G( f ) S11 ( f )S22 ( f )
v Ri,n H n H n 1 H n H n 1 v R ,n v R ,n 1 (6.3.1`4)
• 而横波速度的测定较为复杂，鉴于 面波与横波速度近似相等，因此， 各岩、土层的面波速度换算为横波 速度 ，即可获得地层的各种动力参 数
同理，利用面波与横波速度近似相等， 还可将面波速度代入(5.2.6)式计算出 地基的固有周期以评价地基的振动特 性。 图6.3-2是在山西安太堡露天煤矿 的开挖平台上，
n层的平均速度及相应的界面深度为vR,n 和Hn, 并且平均速度是随深度递增的，则n-1层至n层 之间的面波层速度vRi,n 的计算公式为
v Ri,n
v R ,n H n v R ,n 1 H n 1 H n H n 1
(6.3.13)
• 如果平均速度随深度增加而降低时， 则用公式
•
资料处理工作主要包括:对原始记录 的整理和评价，提高信号质量的处理， 面波速度的计算和结果的输出。 • 频率滤波是数据处理中最常见的处 理手段，它可以消除各种干扰。
对于浅层勘探，保留高频成分，对于较 深目的层保留低频成分。对于中等深度 勘探，要合理选择通频带，以降低干扰， 使资料质量得到改善，并最终减小对频 散曲线的影响。 切除处理可以把直达波和折射波等 部分地消除，从而保留下来较纯的面波， 切除以后可以大大改善频散曲线的计算 结果。