作者简介

杨天春, 汉族, 1968年3月出生于湖南省津市市, 中共党员, 副教授, 博士后。杨天春主要从事勘探地球物理、 工程物探和土木工程方面的教学和科研工作, 在瑞利面波、 电磁波、 工程检测等理论和应用方面有深入的钻研。

杨天春1991年毕业于桂林冶金地质学院, 获工学学士学位; 1991年7月—1998年8月于湖南有色地质勘查局二四七队从事资源勘查工作; 1998年9月—2004年5月就读于中南大学, 先后获得工学硕士和博士学位; 2004年6月—2006年3月于湖南大学土木工程博士后流动站从事博士后研究工作; 2006年3月至今于湖南科技大学地质系从事教学和科研工作。现为湖南省地球物理学会理事, 硕士生导师。

主持和参与国家自然科学基金、 湖南省自然科学基金、 湖南省教育厅优秀青年等纵向科研项目10余项, 主持“怀通高速公路隧道初期支护及锚杆质量检测”、 “湖南省常吉高速公路21标沅水沿河段K169+200~K171+900段边(滑)坡变形监测及稳定性分析”等横向科研项目10余项。在《煤炭学报》、 《振动工程学报》等公开刊物上以第一作者发表学术论文40余篇, 其中EI、 ISTP收录6篇。 何继善, 1934年9月出生于湖南省浏阳县, 中共党员。国际著名应用地球物理学家, 1994年当选为中国工程院首批院士。

何继善1960年毕业于长春地质学院。曾任中南工业大学校长, 中国工程院主席团成员、 能源与矿业工程学部主任, 中国地球物理学会副理事长。现为中国工程院主席团成员、 工程管理学部常委, 湖南省科协名誉主席, 美国勘探地球物理学家协会(SEG)终身会员, 中南大学教授、 博士生导师。

何继善院士创建了我国第一个以地电场与观测系统为特色的国家级重点学科, 创立并发展了以“双频激电法”、 “伪随机信号电法”和“广域电磁法”等系列地电场理论, 发明了一系列具有国际先进水平和中国特色的地电场观测仪器和设备。其中双频激电仪在全国应用, 据专家鉴定按已探明储量计算, 价值超过1 300多亿元。创立“拟合流场法”探测堤防、 大坝、 矿山、 建筑物等的隐蔽渗漏, 在全国得到推广应用。何继善院士的成就得到了国内外同行专家的高度评价。如美国权威地球物理学家莫利松教授写道:“何继善以他在勘探地球物理方面的众多成就尤其是在激电和电磁法方面的卓越贡献, 得到全世界同行的公认。”何继善教授多年来进行非常规天然气, 特别是页岩气的研究。他通过各种努力, 推进湖南省页岩气的勘探与开发, 取得了十分明显的成效, 被誉为“湖南页岩气之父”。

前言

瑞利面波勘探是一种新兴的岩土原位测试、 浅层地震勘探方法。该方法具有操作简便、 成本低等优点, 它能迅速获得反映地层地质结构情况的瑞利波频散曲线, 且在浅层勘探方面具有较高的探测精度, 因此, 该方法近几年来得到长足发展, 已被广泛应用于浅层岩土工程领域。编写本书是为了进一步推动瑞利面波法的应用与发展, 书中论述的绝大部分内容均是近年来编著者的最新研究成果, 供读者参考。

瑞利面波法主要是利用瑞利波的两种特性: 一是瑞利波传播速度与介质物理力学性质的密切相关性; 二是瑞利波在分层介质中传播时的频散特性。瑞利面波法的反演都是基于层状介质地质模型, 本书在前人研究成果的基础上进一步对层状半空间介质中瑞利波的频散特性开展研究, 具有重大的理论意义和现实意义。

本书以层状介质中瑞利波传播的频散理论为基础, 利用传递矩阵法研究二层、 三层和多层介质中瑞利波频散特性, 模拟计算各种地质模型的瑞利波相速度频散曲线、 群速度频散曲线以及各导波模式在地表的垂直位移大小; 并根据相速度频散特性和导波模式位移变化特征来讨论瑞利波法勘探中“之”字形频散的成因。针对道路结构这种特殊的层状介质模型, 作者提出自己的独特求解方法——附加层法; 与国外的垂直柔性系数法(Vertical Flexibility Coefficient Method)相比, 附加层法将复数域的求解问题转化到实数域, 求解方法方便, 大大节省了正演计算的时间。采用附加层法研究瑞利波的泄漏模式, 根据泄漏模式波的频散特性进一步研究瑞利波“之”字形现象的成因。针对瑞利波频散曲线计算中的数值溢出问题, 作者根据二分法计算的特点, 在计算机编程计算过程中用一个有限的值(如+1或-1)替代一个很大(甚至无限大)的频散函数值, 有效地避免了传递矩阵法计算中的高频数值溢出, 使计算频率在理论上可达到无限大。利用神经网络的方法研究瑞利波频散曲线的反演和路基压实度的反演问题。另外, 对含流体介质夹层时频散曲线的完整求解开展研究, 提出0阶模式的存在可能是判断流体夹层介质存在的标志; 还对含固体软弱夹层介质模型频散曲线的合并化问题、 两类不同传递矩阵法的模拟计算速度和精度的对比问题进行研究。在本书的理论模拟研究中, 穿插有实践应用的实例, 使理论研究与实际应用紧密结合, 充分印证模拟研究成果的可靠性。本书即是对上述研究成果的总结。希望本书的出版能够丰富瑞利面波法勘探理论, 促进该方法的进一步应用与发展, 为从事瑞利面波法理论研究和实践应用的广大科技工作者提供参考。

本书的研究工作曾得到国家自然科学基金项目(50378034)、 湖南省自然科学基金项目(12JJ3035)、 湖南省教育厅优秀青年项目(06B030)、 湖南科技大学博士基金等的资助; 本书的出版得到了湖南科技大学学术著作出版基金的资助。

本书的总体框架和研究思路由何继善和杨天春提出, 撰写分工如下: 第一章~第五章由何继善和杨天春执笔, 第六章~第九章由杨天春执笔。全书最后由杨天春统稿。

本书的研究工作及编写得到了湖南科技大学社会科学处、 科技处和土木工程学院、 中南大学地球科学与信息物理学院师生的支持。研究工作曾得到湖南大学土木工程学院易伟建教授、 加拿大Waterloo大学G. Cascante教授和访问学者吕绍林教授、 中国科学院声学研究所张碧星研究员、 中南大学熊章强教授、 中国地震局地球物理研究所鲁来玉副研究员、 湖南有色地质勘查局沈长明高级工程师、 湖南省水利水电勘测设计研究院吴奇高级工程师等专家的帮助和指导。作者在此对上述单位及专家表示衷心的感谢!

由于作者水平有限, 文中欠妥之处, 敬请读者批评指正。