法的原理与特点

9.5.1　SASW法的原理与特点

固体均质弹性体受到振动荷载时，产生两种体波：一种是纵波（压缩波，又称P波），另一种是横波（剪切波，又称S波），压缩波以速度v_P传播，其位移矢量u是沿着波传播方向的；剪切波以速度v_S传播，其位移矢量u是沿着与传播方向相垂直的方向。半无限空间中由于自由边界的存在，P波和S波的干涉将在弹性半空间界面附近产生一种表面波，瑞利（Rayleigh，1885）首次发现了这种波，因此这种表面波通称瑞利波。Miller（1955）研究了纵波、横波和瑞利波三种弹性波占总输入能量的百分比：纵波（P波）占6.9%，横波（S波）占25.8%，瑞利波（R波）占67.3%，可见半空间表面在竖向动荷载作用下，瑞利波占总能量的主要部分。

所谓SASW法就是利用土层瞬态激震时产生频率丰富的瑞利波，通过频谱分析，来确定传播介质特性，该法又称为表面波频谱分析法或瞬态瑞利波法。瑞利波具有下列特点：

（1）瑞利波能量大、频率低、传播速度低，信号易于采取。

（2）在多层介质中，不同频率的瑞利波其传播速度不同，这一重要性质称之为瑞利波的频散。

（3）瑞利波的能量差不多只集中于一个波长左右的范围内，也就是说对于一定的深度范围，可以选择一定的瑞利波的波长（瑞利波的波长λ_R＝v_R／f，v_R为瑞利波的波速，f为瑞利波的频率），相对于某个波长的瑞利波速，提供了所测处一个波长深度范围内地基土性质的信息，在一定深度范围内（一般在数十米范围内），显然是极为有效的。

（4）瑞利波的波速v_R与剪切波波速v_S有密切的相关，而剪切波速与岩土的工程性质密切相关。

（5）利用较高频率的瑞利波计算浅部地层剪切波速，然后逐渐降低瑞利波的频率，计算出下一层土层性质的方法。

20世纪80年代以来国内外开展了瞬态振动法的测试技术开发，该方法是在一次地面冲击下两个检波器所获得的多频信号进行频谱分析，来确定相位差与频率的关系，由此得到瑞利波频散曲线。如图9.10所示，在地表竖向冲击荷载作用下，距它一定远的两检波器1和2所接收的基本上是瑞利波的竖向分量信号A₁（t）和A₂（t），信号的傅里叶变换为

式中：i＝；

t、f——分别为时间和频率。

相应的自功率谱（又称自相关谱）定义为

式中：S＊（f）——S（f）的共轭复数。

信号1、2的互功率谱为

C（f）是复数，其相应代表两信号由于波传播过程中的时间滞后所产生的相位差Δφ，因此，两检波器间传播所需时间Δt为

式中：Δφ——相位差，以弧度为单位。

设两检波器距离为x，于是与f相应的瑞利波速度为

另一方面，瑞利波波长为

式（9.11）、式（9.12）就是SASW法计算瑞利波速度频散曲线的基本公式。

图9.10　表面波谱分析法原理图

目前有多种仪器可用作瑞利波勘测的配套信号接收和处理分析仪器，包括各种微机化的轻便浅层地震仪和动态信号探测仪。如：R－810型瑞利波探测仪；RL－1型瑞利波勘测系统；SWS－1A多功能面波探测仪；ES－1225信号增强型浅层地震仪。

测试系统由震源系统、信号接受仪器——检波器和记录分析仪器等部分组成。

稳态瑞利波法的震源有机械偏心式激震器、电磁式激震器等，而瞬态法的震源主要用来产生瞬态脉冲，可以采用锤击、落重、爆炸等方式，根据勘测深度对激振脉冲作合理选择，激振力较小时脉冲面波的主频率较高。

检波器是安置在地面用于拾取介质振动的传感器，可以把振动的机械能转换成电信号。目前使用的检波器基本上都是动圈电磁式的，有加速度传感器、位移传感器、应力传感器等。将检波器的线圈两端与信号记录分析仪器的输入端连接，地面的机械运动便以电信号的形式进入信号分析仪。

在获得由地面运动转化成的电信号以后，信号记录分析仪及其配套的计算机处理软件可完成记录的实时显示、模／数转换及数据存储，以及各种分析、处理、解释，成果数据和图形输出等工作。

9.5.2中的测试结果是采用美国EG＆G公司生产的ES－1225增强型浅层地震仪系统（外接微机）和SWS－1A多功能面波探测仪所取得的。