瑞利波

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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。

公路工程中瑞利波测试技术及其工程应用

浅议公路工程中瑞利波测试技术及其工程应用摘要：近年来发展起来的表面波法为公路工程剪切波速度的测试提供了一个高效快捷的手段。

它无需在地层中钻孔，震源检波器均布置在地表面上，是一种经济、可靠且适用范围广泛的原位测试方法。

随着瑞利波法实测技术和资料解释理论的发展，这一新技术已被广泛用于公路工程勘察、地基加固效果评价、工程质量检测等方面。

关键词：公路；瑞利波；稳态瑞利波；瞬态瑞利波中图分类号：x734 文献标识码：a 文章编号：0引言土体剪切波速度的测试是土动力学, 波浪荷载、爆破、施工振动及机器振动和地震工程学研究中的一项重要内容，也是近年来发展起来的浅层地震勘探和对已加固地基进行科学评价的一项新技术。

过去，剪切波速度的原位测试方法大多采用体波, 压缩波或剪切波. 作为试验信号，而把表面波作为干扰信号处理，由此发展了上孔法、下孔法、跨孔法、孔底法、孔内法及地震锥探法等多种形式。

其中，跨孔法被认为是测定土的剪切波速度最可靠的方法。

这类方法原理较为简单，一般假定波沿直线传播，只要测出波的传播距离和历时即可计算出波速。

然而，由于测试时必须在地层中钻一个或多个孔，所以其测试费用比较昂贵。

近年来发展起来的表面波法为土体剪切波速度的测试提供了一个高效快捷的手段。

它无需在地层中钻孔，震源检波器均布置在地表面上，是一种经济、可靠且适用范围广泛的原位测试方法。

它主要包括稳态瑞利波法和瞬态瑞利波法。

国外于50 年代由jones 首次将稳态瑞利波法用于土木工程中。

我国以80年代由日本引入gr810仪器系统为代表，开展了大量的试验研究和测试工作。

由于稳态瑞利波法测试设备较为复杂，重量也大，所以开发一种测试设备较为轻便，测试速度更快的测试方法成为必然。

鉴于瞬态激振的功率谱分布不均，频率能量太小而随机干扰大，目前又发展了一种新的面波勘探方法，即瞬态多道瑞利波测试技术。

它可以通过多次叠加和多道相关叠加，使得频谱能量加大，干扰减少，测试结果更为可靠。

声表面波简介

声表面波简介声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。

由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。

同时，由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能，因此，声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。

声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。

早在九十多年前，人们就对这种波进行了研究。

1885 年，瑞利根据对地震波的研究，从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。

但由于当时的科学技术水平所限，这种弹性表面波一直没有得到实际上的应用。

直到六十年代，由于半导体平面工艺以及激光技术的发展，出现了大量人造压电材料为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础。

1949 年，美国贝尔电话实验室发现了LiNbO3单晶。

1964 年产发表了激发弹性表面波平面结构换邹器的专利。

特别应该指出的是，1965 年，怀特（R . M.white）和沃尔特默（F.W.voltmer ）在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声－电换能器― 叉指换能器”的论文，从而取得了声表面波技术的关键性突破。

声表面波器件的基本结构和工作原理声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器―叉指换能器。

所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。

声表面波器件的工作原理是，基片左端的换能器（输入换能器）通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。

整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的待性来完成的。

声表面波技术有如下的特点：第一，声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，它们各自比相应的电磁波的传播速度的波长小十万倍。

层状介质中瑞利波动力响应及传播特性分析

层状介质中瑞利波动力响应及传播特性分析丁玮; 陈灿; 聂田【期刊名称】《《价值工程》》【年(卷),期】2019(038)027【总页数】5页(P178-182)【关键词】瑞利波; 数值分析; 频率波数域【作者】丁玮; 陈灿; 聂田【作者单位】武汉工程大学土木工程与建筑学院武汉430073【正文语种】中文【中图分类】TU4350 引言十九世纪末，英国学者瑞利在研究半无限体弹性介质的波动问题中，发现了一种与压缩波及剪切波不同的波，后来这种波被称为瑞利波。

其具有以下主要特性：①瑞利波的能量主要集中于介质的浅部，而且随着深度的增加，能量迅速衰减；②瑞利波的质点振动呈椭圆极化振动特性，不同于体波的线性极化振动；③在水平分层介质中，瑞利波有多个模态，同一频率，不同模态的相速度不同；同一模态，不同频率相速度也是不同的，即瑞利波相速度会随频率变化而变化，这就是瑞利波的频散特性；④瑞利波的传播特性受介质的分层厚度、数量以及各层剪切波速、泊松比等材料参数的影响。

Lamb研究了不同振源下半无限体弹性介质表面质点位移响应。

Wood研究了泊松比为0.25弹性半无限体在简谐点荷载作用下，各类型波阵面位移及振动相对幅值。

距振源一定距离后，瑞利波沿介质表面以r-1/2几何衰减，P波、S波以r-2沿表面几何衰减，瑞利波占整个波场能量的67%，而剪切波和压缩波分别占26%和7%，这表明地基土表面瑞利波能量占总能量的主要部分。

1988年，吴世明等采用瞬态测试法测试了土层波速，系统地阐述了计算原理以及实际应用方法[1]。

1998到2003年间张碧星等研究了层状空间中导波的传播和“之”字型频散曲线的形成机理[2]。

2004年，柴华友等通过数值分析，对表面波谱分析计算及影响因素做了系统的研究[3]。

2006年，杨生采用有限元方法模拟复杂地层条件下的瑞利波传播特性[4]。

2009年，潘东明采用改进的传播矩阵法进行了典型地层的瑞利波频散曲线的计算[5]。

瑞利波技术在煤矿井下超前探测中的应用

当前煤矿淹井、瓦斯突出等安全事故频发，随着煤矿重组，小煤窑的陆续关闭，大型煤矿企业面临一
个严峻问题就是采空区探查，但目前的地面物探技术对埋深较大的采空区无能为力，在井下巷道开拓
来更多干扰波，同时受到巷道堵头宽度过小的限制。
多半为煤层破碎或节理发育所致。
２数据采集
瑞利波数据采集采用纵观测系统，将传统的２道
４工程应用
山西某矿为一新建矿井，由于井田内前期小煤窑众多，且地质资料不全，采空区对该矿生产存在潜
改为６道接收，通过多次叠加和相关叠加使频谱增大，干扰减小。理论上说增大道间距可以获得更多低频成分，反映更深处的地质信息，但道间距过大会带
大，表示异常强度越强，平直区段表示正常区。显然
对于水平均匀（煤层）介质来说，由于无地质分层存在，一旦遇到构造或采空区，将出现频散现象，成果图上直观显示会有大的波峰出现，而小的隆起异常
离探测不能满足生产的需要，进行长距离超前探测
Hale Waihona Puke ５３２．５
５７．５
８２．５
ｌ０７．５
ｌ３２．５
采样时间／ｍｓ
图１原始数据采集记录
３数据处理
实践表明，直接利用测得的瑞利波频散曲线及

管波探测法

管波探测法伪瑞利波] pseudo-Rayleigh wave 在地层横波速度大于泥浆速度的情况下，从声源以大于横波临界角射向井壁的那部分波，将在井壁发生全反射，并以锥形波的形式在井内传播，这部分波称为伪瑞利波。

实际上它是泥浆中反射的锥形波与井壁上传播的面波混合而成。

在波列中它紧跟在横波初至的后面。

由于没有能量折射到地层中，它的幅度比较大。

瑞利波Rayleigh wave 是一种面波一种常见的界面弹性波，是沿半无限弹性介质自由外表传播的偏振波。

由L.瑞利于1887 年首先指出其存在而得名。

地震学中称其为R波或L波。

在表层附近，质点的运动轨迹为椭圆；在离外表为0.2 个波长的深度以下，其运动轨迹仍为椭圆，但运动方向与表层相反。

在自由外表上，质点沿外表法向的位移约为切向的 1.5 倍。

瑞利波的波速与频率无关，只与介质的弹性常数有关，为同介质中横波波速的0.862～0.955 倍。

在震中附近，不出现瑞利波。

从震源射出的纵波在离震源距离为后才形成瑞利波。

由震源射出的横波在离震源距离为后才形成瑞利波。

其中cR 为瑞利波波速；h 为震源深度；c1、c2 分别为纵波和横波波速。

瑞利波沿二维自由外表扩展，在距波源较远处，其摧毁力比沿空间各方向扩展的纵波和横波大得多，因而它是地震学中的主要研究对象。

由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。

地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。

由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。

地球介质，包括表层的岩石和地球深部物质，都不是完全弹性体，但因地球内部有很高的压力，地震波的传播速度很大，波动给介质带来的应力和应变是瞬时的，能量的消耗很小，因此可以近似地把地震波看作弹性波。

从震源发出的波动有两种成分: 一种代表介质体积的涨缩，称为涨缩波，其质点振动方向与传播方向一致，所以又称纵波。

另一种成分代表介质的变形，称为畸变波，其质点振动方向与传播方向垂直，所以又称横波。

瑞利波

声发射研究的主要方法

参数分析法参数分析法是通过记录和分析声发射信号的特征参数，如幅度、能量、持续时间、振铃计数和事件数等，来分析材料的损伤破坏特性，如损伤程度和部位、破坏机制等。波形分析法波形分析法是指对声发射信号的波形进行记录和分析，得到信号的频谱及相关函数等，通过分析材料不同阶段和不同机制引起的损伤的频谱特征，可以获得材料的损伤特征。从理论上讲，波形包含了事件的全部信息，波形分析应当能给出任何所需的信息，因而也应是最精确的方法
声发射特点

声发射检测是一种动态无损检测方法。可获得关于缺陷的动态信息，从而评价缺陷的严重性和危险性，还可连续长期监视大型构件在使用过程中的安全性。声发射不需移动传感器，操作简便。可以大面积检查和监视缺陷的活动情况，确定缺陷所在位置。灵敏度高，在用声发射获得缺陷的动态信息后，常需用超声、X射线和磁粉等方法验证，有时需微观分析方法补充。声发射检测几乎不受材料限制声发射检测得到是一些电信号。根据这些电信号判断构件内缺陷的性质及其变化发展和预报缺陷未来的可能状态比较复杂，为了对缺陷的动态特性作出正确的分析和判断，需要深入了解被检测构件材料的声发射特性。在进行声发射检测时要了解构件的受力历史塑性变形和裂纹扩展的声发射信号分离比较困难。需辨别检测到的信号是来自缺陷的真正声发射信号，还是干扰信号，以确保检测的可靠性。

扩散损失：与波的频率无关，波的幅度随传播距离减小摩擦损失（内耗）：与波频有关，频率提高，衰减迅速增大根据到达的声发射波的波长和耦合剂的厚度不同，有可能使声发射波畸变。大多数情况下使用谐振式传感器，这种传感器只对某一频带内的信号敏感。由于传感器的谐振特性，进一步使声发射波形畸变。

瞬态瑞利波测试技术在评价软土地基处理效果中的应用

另方面，对弹性介质而论，波长可由频率和相速度求得，并将不同接收间距的相速度
波长数据组合，就得到Ｒ波弥散曲线（波速与波长的关系）。根据弹性波理论，Ｒ波的能量
主要集中在一个波长深度范围内，由半波长理论，所测定的Ｒ波的平均速度Ｖ可以认为是ｎ
维普资讯
瞬态瑞利波测试技术
在评价软土地基处理效果中的应用
罗辉才
（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院昆明６０５）５０１
１前言
随着我国改革开放的不断深入和国民经济的高速发展，许多高、重、大建筑对地基承
载能力的要求越来越高，建筑区域的不断扩大，必然会面临着软土地基的处理问题，而如何评价软土地基处理的效果，也成了岩土工程中急待解决的重要课题之一。
所以Ｖ的值与Ｖ十分接近。ｓ
由于瑞利波的速度与剪切波的速度相
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当接近，在较为松软的土层中，甚至可视二
者近似相等。因此，当测得岩土的瑞利波速度后，（如果能配合用其他方法同时测得纵波，应用更加广泛），就能根据公式对岩土
深。 Leabharlann ３测试方法技术在每个测点的测试装置如图１所示。
Ｐ为锤击点，Ａ、Ｂ为安置拾震器的位置，０点为记录点，Ｐ点到Ａ点和Ａ点到Ｂ点的
距离相等。通过改变震源的能量和频率并调整检波器的间距Ｘ，可以重点表现某一深度范围

瑞利波培训

首先，再次欢迎在座的各位能来参加此次研讨培训班，我叫张鹏，是煤炭科学研究总院西安研究院物探仪器研究所的技术人员，此次负责给各位讲解瑞利波探测仪的探测原理，操作使用、施工方法及应用实例。

希望我的讲解能给个为今后的工作提供帮助，也欢迎各位嘉宾能提出宝贵意见，让我们能更好的为用户服务，下面我们来看今天我要讲的第一个问题一瑞利波简介1-1 什么是瑞利波?瑞利波的存在是1887年由英国学者Rayleigh(R.瑞利)在理论上确定的，由此命名为瑞利波。

瑞利波是偏振波，是面波的一种，其波的运动方向沿物体表面，质点在垂直于传播方向的平面内运动。

瑞利波的波速与频率无关，只与介质的弹性常数有关，为同介质中横波波速的0.862～0.955倍。

因当时技术条件所限，直到本世纪六十年代后期，随着数字计算机在地球物理勘探领域中的应用，对瑞利波频散特性的研究有了较大发展。

1-2 瑞利波技术发展概况瑞利波探测技术是我们物探所根据国家“七·五”科技攻关项目，于1991年研制成功并首次用于煤矿井下的。

根据煤矿井下实际工作特点，在广泛听取了煤矿生产现场技术人员的意见的基础上，我们进行了大量的工业性试验，于上个世纪九十年代又相继研制成功了“MRD-II型瑞利波探测仪”、“MRD-Ⅲ型瑞利波探测仪”以及相应的计算机数据处理软件。

比较满意地解决了煤矿井下长期未能解决的巷道四周构造探测，特别是掘进工作面超前探测的问题，为矿山生产的部署，瓦斯、水患等灾情预报和治理提供了一种高效、适用的手段。

该项技术在煤矿井下地质构造探测方面发挥了重要作用，解决了不少地质上的难题，对矿山安全生产及高产、高效做出了很大的贡献。

随着煤炭开采技术的发展和对安全生产更高的要求，如何更有效地探测掘进工作面前方隐伏的地质构造成为煤炭生产中急需解决的问题。

因此，进一步研究超前探测的技术和方法，成为人们关注的课题和研究方向。

MRD-Ⅱ型、MRD-Ⅲ型瑞利波探测仪可以用于工作面的超前探测，但是由于探测距离和稳定性方面的问题，无法满足煤矿生产发展的需求，我们经过了多次的试验，投入了大量技术力量，研制了（我们现在推出的）YTR(D)瑞利波探测仪和相配套的数据处理程序。

瑞利波的故事

瑞利波的故事方谦光有一次大文学家苏东坡和妹夫秦少游在湖边散步，随手捡起了一块小石子儿扔进平静的湖水之中，水中激起一朵小小的浪花，随后形成一道道的圆形的波纹，一圈圈地不断扩大向四周散去。

于是苏东坡指着这一圈圈的波纹对秦少游说：「你知道什么是『波』吗？波乃水之皮也」。

秦少游说：「如果说『波』乃水之皮，那么『滑』是不是水的骨头呢」？这么大的一位苏学士一时被问的语塞。

暂且不论「波」是不是水的皮和「滑」是不是水的骨头，在自然界确实存在着那么一种类似于在液体表面受到扰动后形成的波，一般称之为「面波」。

这种波沿着与大气层接触的地表面滚动着向四周传播，因此也称之为「地滚波」。

地滚波携带着巨大的能量，因此在地震发生时给地面建筑物造成极大程度破坏的就是这种地滚波。

在19世纪末英国物理学家瑞利(Rayleigh)研究发现在半空间(上部接触大气层的地表面)存在着一种类似于在液体表面上形成的波。

这种波是由自由界面半空间内传播的纵波与横波相互选加形成的一种特殊的振动，振动的方向是以逆时针方向转动，呈椭圆轨迹传播，此椭圆水平轴与垂直轴之比为2/3。

人们为了纪念这位物理学家就把这种波定名为「瑞利面波」，简称「瑞利波」。

通过进一步的研究发现瑞利波有很多奇特的性质：首先是瑞利波沿自由表面传播的速度与横波的速度相当，大约是横波速度的0.9倍，是纵波速度的0.5倍。

从仪器上可以清楚地观察到，首先到达是纵波，其次是横波，最后到达的波才是瑞利波。

从能量上来看，瑞利波占震动总能量的67%，横波占总能量的26%，纵波只占总能量的7%，因此从仪器记录到的波形记录上，从振动的幅度就很容易识别出瑞利波、横波和纵波。

当瑞利波垂直自由表面向下传播时，最多只能传播到一个波长的深度，其中的大部分能量都集中在1/2波长的深度范围之内，人们由此就想到可以利用不同波长的瑞利波来探测不同深度的地层。

同时瑞利波还有一种特殊的性质，就是当瑞利波向下传播到两种物质的分界面(如土层和岩石)时，瑞利波就分解成了纵波和横波。

{技术管理套表}声表面波技术

❖ electronic ID ❖ Smart Tire ❖ Exhaust-gas ❖ detection
Electronic ID
8.2 声表面波技术的基础知识
1. 什么是声表面波
SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波
机械波
在表面传播，能量集中在厚度不超过 1个波长的表层
SAW
SAW的激发
1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应
电能
机械能
电能
2. 波在不连续介质处的反射
Concept: IDT
外加电压吸声材料
接收端
接地电极压电基体
SAW的描述 ❖ 声波可以用质点离开平衡位置的位
移来表示，对于压电体，声波的传播还伴随着电场和电势，因此描述声波的变量还要有电势，一共四个量。
2. 声表面波的类型
不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同模式的声表面波。
在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波 (Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波（Generalized Rayleigh waves）、水平剪切波(SHSAW)、电声波(B-G waves)、兰姆波(Lamb waves) 等。
8.4 声表面波传感器技术
工作原理：
利用外界物理量（如温度、压力等）的变化引起声表面波的传播特性发生变化的原理来敏感被测量。
结构型式
SAW传感器一般采用振荡器电路形式，其中SAW振荡器是传感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是利用了SAW振荡器这一频控元件受各种物理、化学和生物量的作用而引起振荡频率的变化，通过精确测量振荡频率的变化，从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。
在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波（Stoneley waves）等。

瑞利波法在碎石填土地基检测中的应用

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表# 夯试区深度 B)C 测试分层结果表前
#889 年 :: 月
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石素填土，为破碎岩块及少量粘性土组成的碎石土，碎石成分为土体中存在大孔隙。 ! 第四白云岩及灰岩，碎石含量约为 !!" ，系冲洪积层主要为粘土，液限大于 !# ，孔隙比大于 $，为次生红液限大于 !# ，孔隙比大于粘土。 " 第四系残坡积层主要为粘土，为红粘土。 # 中寒武世高台组全风化、强风化、中等风化白云 $，岩层。地基处理主要是针对人工填土层进行，强夯能级采用
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始地形地貌为冲沟等低洼地带，土石方回填前场地内主要为鱼为典型的深挖高填塘、水田、山脚旱地，最大回填深度为 .43&26 ，山区地基。场地内的地层岩性主要包括：人工填土、第四系冲洪积层、第四系残坡积层、中寒武世高台组白云岩等。 % 人工填土主要为碎
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科学之友
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瑞利波法在碎石填土地基检测中的应用
李英涛
!山西省机械施工公司
摘要山西太原
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强夯地基处理效果的检测是保证建筑物质量安全中的一个十分重要的环节，尤

(结构工程专业论文)瑞利波法测试土层剪切波速

VS
1− 2µ
VR = 0.87 + 1.12µ
VS
1+ µ
（1－3）（1－4）
式中：E 为岩土的弹性模量（MPa）；G 为岩土的剪切模量（MPa）；ρ为岩土的质量密度
（kg/m3）；µ 为泊松比。
在同一介质中，VP > VS > VR 。泊松比µ 一般在 0.25～0. 45 之间，将此值分别代入式（1－3）和式（1－4），VP/VS=1.7～3.3；VR/VS=0.92～0.95。当µ ＝0.25 时，VP/VS=1.成，激震装置简单，现场测试工作量远远小于稳态法和地脉动台阵法，因此目前实际工程中一般采用瞬态法。
1.2 瑞利波测试技术的发展及现状概述
1887 年，Rayleigh 首先发现了瑞利波的存在并揭示了瑞利波在弹性半空间介质中的传播特性。Lamb 对不同震源(如点源、线源等)下半无限体弹性介质表面质点位移响应进行了系统研究[4]。给出了在脉冲型点源的作用下水平方向和竖直方向表面质点位移响应，见图 1－1，这些响应的不同时间段分别与 P、S、R 波对应。由于 Lamb 对瑞利波研究的贡献，所以在半无限体下瑞利波传播问题，一般称之为 Lamb 问题。对泊松比为 0.25 弹性半无限体，王贻荪[5]给出了在垂直表面简谐点源作用下瑞利波竖向质点位移的解析表达式。Wood[6] 研究了半无限体在瞬态点源作用下，各类型波的传播图案，见图 1－2，距震源一定距离后，瑞利波沿介质表面以r −1/ 2 几何衰减，P 波、S 波以r −2 几何衰减，瑞利波能量约占整个波场的能量 2/3。
瑞利波是沿地面表层传播的波，1887 年，瑞利(Rayleigh)在研究半无限体弹性介质的波场
时发现一种与膨胀波(P 波)及剪切波(S 波)不同的波，这种波具有以下特性：波阵面为圆柱

论瑞利波探测技术在七台河矿区的应用

科技论坛
・６７・
论瑞利波探测技术在七台河矿区的应用
王成龙（龙煤股份公司七台河分公司地质测量部，黑龙江七台河１５４６００）
Hale Waihona Puke 摘要：瑞利波探测技术不仅为地质工作者提供先进的探测手段，同时能为煤矿的安全生产带来宏观经济效益。目前，瑞利波探测技术已在七台河矿区有了广泛的应用，此项技术前景非常好，随着煤矿开采深度加大，构造也日趋复杂，瑞利波探测技术将会更加体现其实
用价值。
关键词：瑞利波探测技术；地质工作；效益；前景瑞利波探测原理主要是利用瑞利波的两个特性：一是波在分层介质中传播时的频散特性；二是波的传播速度与介质的物理力学特性密切相关。瑞乖波深测的工程探测原理是基于通过采集人工地震面波所携带的地质信息来分析地层结构。其采用的方法是面波频谱分析法，也叫瞬态法，图２系统组成方框图它是由震源产生一定带宽的图１多道瞬态法瑞利波探测原理示意图脉冲，通过测线上相距震源不２０１１年下半年，瑞干０波厂家本着“ 质量第一” 、 “ 服务第一” 的工作原则同距离的６只加强掘［币感器，由仪君己录下来。刘集的信号取以排针对七台河矿区断层、褶皱等地质构造相对较多的条件开展了《七台洞旷列中点对称的任意两道，进行变换和频谱分析技术，通过相干函数的互功区瑞利波超远距离煤层及Ｉ句造探测》项目，本次探测项目所使用的探测仪率谱相位展开谱，利用多次覆盖、多次叠加技术从而得到瑞利波信号在不主研发的第四型ＹＴ）黼Ｊ波探测仪。［＇Ｒ瑞利波同频率的平均速度，根据弹性波理论的半波理论可知，５Ｉ而得到曲线。当器为西安研究院自探测系统是由‘ ‘ 井下” 和‘ ‘ 室内’ 潮；分钼成。系统组成如图２所示。波在分层介质中传播时，因为速度是与介质的特陛蝴相关，在岩层发生该项目选取了新兴矿、桃山矿、新强矿、龙湖矿和东风矿作为探测对变化的界面出现灏越ｉ现象，既删波颜阵争陛。由Ｊ蠕丑ｃｉ贝ＪｌＪ针剥名／个不同的地质条ｆ牛项目组专门制定了详细的趱 Ⅱ 。通过的频散曲线，通过利用小波分析法对瑞利波频散曲线做出奇异隆显示方象，６层左二片掘进巷道２号测点至ｌ２号测点式，使岩性界面分层频散突变点在探测深度曲线匕直观的显示出来，便于探测预测出了新兴矿八采区４右帮前５０米范围内构造及煤层ｆ青况；探明了强矿五采区５４层左三片做出物臻异常推断解释。多瞻波４原理见图１所示。回采工作面隐伏断层和匕下巷揭露的断层向工作面的延展情况，探测出七台河矿区走向长度５５公里，南北倾斜宽ｌ５公里，面积８２５平方公５层左五片底板下组煤位置；探明了桃山矿七采区里。矿区属勃利煤田，煤系地层属于娉西群，共含噪层８７层，可采和局部了新强矿＝水平六采９８５层左零片已歼啦置；探明了龙湖矿东・采区左四片５７匕采煤工可采西部３７层，东部７６层。主要煤种为焦煤、１／３焦煤、贫煤、瘦煤、肥煤，作面已揭露断层向工作面内部的延伸晴况，而目．探测出了右三采区右四焰低硫、ｆ磷、中汾、高发热量。１９８７锕区煤田被国家计委、经贸委、７掘进巷道迎头和东一采区右四片６３探巷迎头前方的隐伏断层；预地贡矿产部和煤炭部联合确定为“ 全国三大稀有保护陛开采煤田” 之一。片５测出了东风＝睬区６２层左四片回采工作面内部断层的延伸情况。并归勃币喋田处于新华夏第二隆起带上的三江穆棱河凹陷的中部，煤田为向结出了— 垂ｊ舌合七台洞矿区的瑞剐波勘拐溅，并提出了瑞刑波井南凸出的弧形构造。弧形构造由一系列褶皱和压性断裂组成，并有压扭或纳总下操作工作流程，此项目已通过专家组验收，实用意义非常之大。该项目张扭和它垂直或斜交。弧形构造以桃山为转抚，桃山以西碰Ｉ层和构主要在以下五个方面进行了探索试验，并得出了专业结论： —是利用炮造线走向为北西向，主要为北西走向的单斜构造，倾向南，倾角１０￣－３０ｏ对距离大于８０米的地质异常区进行超远距离探测，并归纳总结之间；桃山以东是弧形构造的东翼，地层和构造线呈北东走向，褶皱和压震震源，最佳的炮震探测方法，为将来实现探测８Ｏ一１２０米距离的异常构造打下坚性断裂发育，地层倾角３０ｏ￣７００，火成岩较多。瑞利波作为—种为的深测二是开发出了超深层瑞利波勘探数据处理系统，提取分析深层信技术在２００８年被引入七台河市，最初只引人２台，当时七台河部分煤矿实基础；息，提高了超前探汉４距离；三是进行了调整偏移距降低多报率的探测试正大力推进综采综掘、综合机械化采煤和高档工作面采煤等采煤工艺，虽给出了提高瑞剐波探浈９准确率的技术途径；四是通过与实际揭露情况ｌ提高机械化程度，但是也对煤矿开采之眼一地质工作提出了更高ｇ要求，验，对比分析，可以看出瑞利波对于预测迎头前方断层位置、预测断层在工作因此在这种背景下，分公司高层决定引人此先进设备，一方面可利用此项技术预澳４巷道前方地质状况，另一方面更重要的是它可以预测工作面内面内的延伸和岩巷找煤有良好的探测效果。五是ｉ示，岩巷比巷挢灏４准确率要高—些，煤层厚度对探测结果有一定部的地质概况，预测巷道前方的地质构造可以改变巷道掘进的方向，为了统计显五方面内容十分澈用意义，见煤或者为了过断层可以直接采取捷径达到目的，不但减少工作量，减少的影响。以匕投入资金，也同时能为安全提供保障；预测工作面内部的地质构造则意义产提供更坚实的保障。瑞利波探测技术在指导煤矿安全生产匕起到了举足轻重的作用，同重大，采煤工作面最忌讳的就是遇见走向断层，如果遇见落差较大的走向约了大量的生产资金，如波跟踪使用那么七台河断层那么有可能这片煤就不能开采，采煤匕巷可能就变为废巷，其经济损时也为不但能失可想而知，但是瑞利波探测技术先进就先进在它可以探测工作面内部矿区八大矿井的任—掘进头和采煤面将会少走很多弯路和错路，节省工期，而目最重要的是为煤矿节约大量的生产资金，这些资金可以用的地质构造，这样如果在采煤过程中出现异常构造的情况，可以通过探测

瑞利波勘探技术在岩土工程勘察中应用

瑞利波勘探技术在岩土工程勘察中应用谢昭晖;钟和;陈昌彦【摘要】地下介质的弹性波速的差异与介质的岩土力学特征具有很好的相关性,而介质的瑞利波速度与其剪切波速非常接近,因此利用瑞利波勘探技术进行地下介质分层时,其优势十分明显.在岩土工程勘察的初勘阶段可利用瑞利波勘探技术宏观划分力学性质差异明显的地层、地质构造,而在详勘阶段可以探测基岩埋深、填土厚度等的变化趋势,均取得了比较好的应用效果.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2007(031)003【总页数】4页(P279-282)【关键词】工程勘察;瑞利波方法;岩土工程【作者】谢昭晖;钟和;陈昌彦【作者单位】中国地质大学,北京,100083;北京市勘察设计研究院地基检测所,北京,100038;北京市勘察设计研究院地基检测所,北京,100038;北京市勘察设计研究院地基检测所,北京,100038【正文语种】中文【中图分类】P631.4由于地下介质的弹性波速反映的是其在弹性阶段的力学性质，因此弹性波速分层在工程勘察工作中主要用于解决与岩土力学特征相关的问题，主要用于区分力学性质在弹性阶段具有明显差异的土层及岩石层。

瑞利波勘探技术是在无需钻孔的情况下可测试出层状介质的弹性波速，它与传统的钻孔波速测试方法相比较具有无损及快速的优点，所以瑞利波勘探技术无论在岩土工程勘察的初勘阶段用于宏观划分力学性质差异明显的地层、构造，或者在详勘阶段详细描述基岩埋深、填土厚度等的变化趋势的工作中都具有明显的优势，其在工程勘察领域的应用范围十分广阔，应用效果正日益提高。

地震波可分为体波和面波2大类，前者又可分为P波和S波。

而面波又有瑞利波与勒夫波之分。

在非均匀介质半无限空间中传播时，由于自由边界的作用，当SV 波与反射的P波在自由表面发生相互叠加和干涉作用时，产生了一种沿界面附近传播的次生波，即瑞利波。

1885年，英国学者瑞利首次在理论上证明了瑞利波的存在。

它只存在于界面附近，且具有频散特性。

多道瞬态面波技术原理及应用

5.地基加固效果检测，测线布设采取通过加固点和在加固点之间两种方式，并应在加固前后，对同一测点采用相同参数进行检测；
6.一般场地勘察，测线应根据勘探线和勘探点布设排列的布设:
1. 地形较平坦且不存在固定干扰源的场地，排列应沿测线布设； 2.地形起伏较大的场地，应调整排列方向，沿地形等高线布设； 3.存在固定干扰源的场地，排列与激发震源和干扰源应布设在一条直线上，且激发震源和干扰源应在排列的同一侧； 4.场地存在沟坎或处在建筑群中时，排列方向应规避干扰波影响； 5.其他场地排列应沿测线布设。
二、基本规定 1.采用多道瞬态面波进行勘察前，应收集相关资料，并应包括下列主要
内容：多道瞬态面波勘察任务委托书或勘察要求说明文件等；已有场地工程勘察资料；场地建筑物、构筑物的平面图等资料；场地及其邻近的干扰震源调查资料。 2.采用多道瞬态面波进行勘察前，应制定勘察方案，并应包括下列主要
五、资料处理和解释六、成果报告
面波勘察报告应根据任务要求、工程特点和工程地质条件等具体情况编写，并应包括下列主要内容：
1、工程概况； 2、勘察目的、任务要求、所依据的技术标准以及勘察时间和完成的工作量； 3、工程场地的地形、地貌、地质特征和地球物理条件； 4、场地震动干扰背景及分析； 5、面波勘察工作包括方法技术原理、仪器性能、观测系统及采集参数选择，激震与接收方式，测线布设及工作质量保证措施等； 6、资料处理； 7、面波勘察成果分析解释； 8、结论与建议； 9、其他说明。
多道瞬态面波勘察技术规程
一、术语和符号 1.基阶面波 first-mode surface wave 多个传播模态中以第一阶振型传播，在各阶振型中速度最低的面波。 2.高阶面波 high er-mode surface wave 多个传播模态中以高阶振型传播的面波。 3.面波频散 freq uency dispersion of surface wave 面波各频率组分具有不同的传播速度的现象。 4.频散曲线 d ispersion curve 频散波的波长与波速间关系的曲线。 5.源检距 source off set 震源位置到检波器的距离，最大源检距指震源位置到最远检波器的距离。 Vp 压缩波波速； VR 地层面波波速，也称瑞利波波速； Vs 剪切波波速；

弹性波

某一弹性介质内的弹性波在传播到介质边界以前，边界的存在对弹性波的传播没有影响，如同在无限介质中传播一样，这类弹性波称为体波。体波传播到两个弹性介质的界面上，即发生向相邻弹性介质深部的折射和向原弹性介质深部的反射。此外，还有一类沿着一个弹性介质表面或两个不同弹性介质的界面上传播的波，称为界面波。如果和弹性介质相邻的是真空或空气，则界面波称为表面波。弹性波绕经障碍物或孔洞时还会发生复杂的绕射现象。
应力波
应力波是应力和应变扰动的传播形式，弹性波是应力波的一种，即扰动或外力作用引起的应力和应变在弹性介质中传递的形式。弹性介质中质点间存在着相互作用的弹性力。某一质点因受到扰动或外力的作用而离开平衡位置后，弹性恢复力使该质点发生振动，从而引起周围质点的位移和振动，于是振动就在弹性介质中传播，并伴随有能量的传递。在振动所到之处应力和应变就会发生变化。弹性波理论已经比较成熟，广泛应用于地震、地质勘探、采矿、材料的无损探伤、工程结构的抗震抗爆、岩土动力学等方面。
图一
反射折射
弹性波到达界面后，一部分返回到原来的弹性介质内，即发生反射现象；另一部分穿过界面进入相邻的另一弹性介质内，即发生折射现象。在同一弹性介质中，介质本身不均匀引起的弹性波传播方向改变也称为弹性波的折射（若传播方向改变后与原来的传播方向相反则为反射）。纵波入射到平面交界面上会产生一个反射纵波和一个反射横波；横波入射到平面交界面上，也会发生同样的现象。
绕射
弹性波在传播过程中遇到障碍物边缘或孔洞时所发生的弯折现象称为波的绕射。障碍物或孔洞越小，波长越长，则绕射现象越显著。绕射现象反映出波的特性。在地震学中，研究震源附近区域内弹性波的传播时需要考虑波的绕射。
研究
弹性波传播问题的研究可分为理论研究和实验研究两方面。