题目：浅层场地瑞利波特性及F-K法与SASW法比较研究

我国正处于大规模基础建设的高峰期，建筑物的体量也越来越高大，巨大的荷载经由基础传给地下几十米内的土层，该土层在建筑上称为地基，在工程勘察上称为浅层场地，有别于地球物理研究领域地下几百至几千米范围内的深层场地。浅层场地的多层性以及地埋物的存在是其显著特点，实践表明很多建筑事故的发生是由于对浅层场地多层性的误判以及对地埋物的漏判引发的，该类事故一旦发生则难以补救，因此对浅层场地的准确探测非常重要。与传统的钻探等方法相比，利用瑞利波的传播特性获取浅层场地工程性质的瑞利波探测技术具有无损、经济、可大面积快速探测的优势，工程应用前景很大。但以下四个方面的问题制约了该技术的应用：1）瑞利波传播特性理论是瑞利波探测的基础，目前是依赖深层场地的研究成果对浅层场地瑞利波探测进行指导，由于瑞利波在浅层的传播特性与在深层的传播特性存在显著不同，限制了瑞利波浅层探测的准确性及应用范围；2）表面波谱分析法（SASW）是最常用的浅层场地瑞利波探测方法，但探测准确性低。频率-波数域分析法（F-K）是深层场地使用的高精度探测方法，该法比SASW法通道数多、操作不便。是否可以采用少通道F-K法进行浅层场地探测，以及与SASW法探测性能的对比尚无研究；3）了解实测频散曲线与理论频散曲线的对应关系是正确获取土层分布的关键，目前尚无浅层场地SASW法和F-K法实测频散曲线与理论频散曲线对应关系的系统研究；4）目前对SASW法探测地埋物的研究不多，更没有关于F-K法探测地埋物以及两种方法性能比较的研究。数值计算是研究瑞利波探测的主要手段，本文采用数值计算的解析法和有限元法针对上述四个问题进行了研究，主要工作有：1）整理了解析求解瑞利波传播特性的传递矩阵法并编制了相应的计算程序，该项工作是研究分层场地波动特性的基础；编制了SASW法和F-K法数据分析程序，提供了研究工具；建立了含地埋物场地的有限元模型，提供了研究复杂场地波动特性的手段；2）设计了不同的浅层分层场地，利用传递矩阵法计算了所有可能存在的瑞利波传播模式；3）基于传递矩阵法进行浅层场地瑞利波SASW法和F-K法探测，讨论了少通道F-K法浅层场地探测的效果，比较了两种方法的性能，并分析了实测频散曲线与理论频散曲线的对应关系；4）基于含地埋物场地有限元模型进行SASW法和F-K法地埋物探测，分析了探测地埋物的可行性，比较了两种方法的探测效果。本文的创新性成果及价值在于：1）基于深层场地的理论研究认为，SASW法对常见的横波速度随深度递增浅层场地（规则场地）的探测效果好，对非规则场地的探测效果不佳。本文研究则发现，对于浅层规则场地，SASW法只在一定频率范围内探测效果较好，在该频率范围外则效果差，甚至失效；对于某些非规则浅层场地，SASW法依然可以得到较好的探测结果。该成果明确了SASW法探测浅层场地多层性的应用范围以及准确性；2）对于各种浅层场地，2个通道的F-K法能够获得比SASW法准确性高的探测结果，探测参数对SASW的影响要大于对F-K法的影响，同探测条件下F-K法明显优于SASW法。该成果明确了F-K法探测浅层场地多层性的可行性以及该法较高的准确性；3）SASW法实测频散曲线是瑞利波所有模式能量的综合反映，当某阶模式能量占主导时，与该模式理论频散曲线基本对应，当模式间能量接近时则对应效果较差；F-K法实测频散曲线反映了能量最大的瑞利波模式，不管是某阶模式能量占主导还是模式间能量接近，始终与能量最大模式的理论频散曲线对应良好。该成果说明F-K法探测结果与理论曲线的对应关系更为严谨，基于F-K法反演得到的场地土层结果更为准确可靠；4）当激振源与传感器位于地埋物的同侧时，可以利用瑞利波有效地判断地埋物的存在，道距增大对SASW法探测效果不利，道数增多对F-K法探测效果不利，F-K法对地埋物的敏感程度明显高于SASW法，当地埋物埋深较深时F-K法比SASW法更容易发现地埋物的存在；并提出了判断地埋物特征的方法。该成果明确了瑞利波法探测地埋物的可行性和地埋物特性判断方法，以及F-K法比SASW更好的地埋物探测性能。