地基土的动力特性是指地基土在各种动力荷载作用下所表现出的工程性状。常见的动力荷载包括地震力水的作用力等自然力以及机械振动等认为因素引起的外力。地基土在动力荷载作用下的性状远比在静力荷载作用下的性状复杂很多，研究地基土的动力特性，对于建筑物的抗震以及动力机器基础的设计等具有极其重要的意义。

　　在地基土假定为弹性、半无限连续介质的条件下，振动在地基土中传播形成弹性波，弹性波分为体波和面波，其中体波包括纵波和横波，面波包括瑞利波和乐夫波。

　　体波根据质点的振动方向与传播方向是否一致分为纵波和横波，其中质点的振动方向和传播方向一致的为纵波，它是介质的抗压变形产生，又成为压缩波、P波。质点的振动方向和传播方向垂直的为横波，又称为S波，当质点的振动平面与弹性半空间体自由表面平行时，称为SH波；当质点的振动平面与弹性半空间体自由表面垂直时，称为SV波.瑞利波又称R波，它是一种沿地基土表面传播的波，振动质点作逆进的椭圆轨迹运动，其轨迹平面垂直于地基土表面而平行于波的传播方向。乐夫波又称L波，也是一种仅沿着地基土表面或者层面传播的波，乐夫波和瑞利波的不同之处在于乐夫波的质点仅在水平面内振动，没有垂直分量。乐夫波产生的条件是上层土的横波速度小于下层土的横波速度。

　　根据弹性力学理论，纵波、横波、瑞利波在地基土中的传播速度与地基土的弹性模量、剪切模量、泊松比之间存在下列关系：

　　地基土的动态泊松比一般在0.25～0.45之间，若将此值代入上式，则可知地基土的纵波波速式横波波速的1.7～3.3倍，瑞利泊的波速是横波速度的0.92～0.95倍。通过以上的分析，可以发现，我们可以通过测定地基土的波速来获得、、。

　　地基土的原位波速测试，是工程勘察的一个方面，它不仅可以获得地基土的一些弹性参数，为建筑物的抗震设计提供依据，而且还可以利用它们来评价地基土的类别、检测地基土的加固效果等。地基土的波速测试方法主要有跨孔法、单孔法、表面波法等。

　　跨孔法测试中须将振源相检波器放在不问钻孔中的同一高程位置，根据孔水平间距和波传播历时即可求出相应波速．由于原理简单，测试结果可靠，这一方法一经提出很快在国际上得到了广泛的应用。

　　2）在振源孔中采用垂直剪切冲击，能够产生水平传播、垂直偏振的剪切波，可在原位测得土层中直达剪切波的波速；

　　4）它在测试中把振源和接收器都埋设在土中，现场测试受外界干扰较少，因此也可以用于在已有的结构物下；

　　5）由于跨孔法测试技术测试的深度较大，因此我们可以从理论上讲，可以测试到钻孔所能达到的最大深度。

　　跨孔法基本原理已在上节中已做介绍，下文将针对仪器设备、现场工作方法以及资料整理等方面作一下介绍。

　　跨孔试验主要由钻孔、激振、检波和记录波信号等环节组成，所需试验仪器设备则应包括振源、接收器、放大器、记录器等．

　　在工程中，跨孔试验的主要测试对象是地层所传波的剪切波，这就要求振源产生的S波与P波能量之比尽可能地高。爆炸振源是以往地震勘探中的常用振源。钻孔内(通常充水)或少量的爆炸可产生地震波，流体膨胀压缩

　　波作用于孔壁之后传至地层，在地层中可同时产生P波和S波。改变爆炸能量可定性控制S波和P波间的能量分配，爆炸能越高，S波能量越大，这种效应在浅层更加明显。由于S波是P波的反续波，在上述一个复杂的波序列上识别S波的初始点将比较困难。跨孔法波速测试采用的振源有两种：爆炸振源和机械振源。现在大多用的是机械振源。

　　井下剪切波锤是一种常用的机械型振源，如图所示，它适用于各类土层。这种装置由一个固定的圆筒体和一个滑动重锤组成。测试的时候，把该装置放到钻孔某一深度处，通过地面的液压装置将四个活塞推出使筒体紧贴井壁，然后向上拉连接在锤顶部的钢丝绳，使活动重锤向上冲击固定筒体。同时也会产生剪切振动。由于振源作用力方向的改变，使接收到的SV波初至相位差180，这对辨别SV波的初至是有益的。完成一个测点的测试后，可以通过地面的液压装置将四个活塞缩回，再放到另一个深度，继续进行测试。图7-1检波器结构图

　　跨孔法波速测试的时候，无论什么样的振源，都会产生符合波，这就要求接收器既能观察到竖直振动分量，以便更好的识别剪切波到达的时刻，所以一般采用三分量检波器。其中竖向分量主要用来识别SV波。同时三分量波形记录还可以进行互相校核资料核分析结果的可靠性。

　　跨孔法波速测试可以采用普通多通道放大器，各通道必须有较一致的相位特性，配有可调节的增益装置，放大器放大倍数一般要求大于2000，内部噪音小，频率特性适宜，抗工频干扰能力强。

　　跨孔法波速测试所用的记录器要求具有0.2ms的能力，其扫描速率可以调节以便波形的识别。目前国内常用的有SC-10、SC-16、SC-18型紫外线感光记录示波器。

　　测试前的准备工作包括钻孔数量、钻孔尺寸、钻孔布置方法和钻孔间距的确定、下套管和灌浆、钻孔垂直度测量等方面的工作。

　　它是当用于跨孔测试的钻孔数量、深度、孔径和孔距等设计好之后，将所有的钻孔一次性钻完，然后将套管下至距孔底2m处，然后灌浆，待浆液凝固后，便可进行测试。

　　它一般是用三台钻机同时钻进，钻至预定深度后，提出钻具，与此同时，将检波器放入孔底同一标高，用重锤敲击取土器使其产生波。该方法主要用于厚度不太大的第四纪土层。

　　波形识别是跨孔法波速测试的重要工作。跨孔法波速测试中所记录的波动信号曲线主要由体波组成。一般分三个阶段：第一阶段是从零时开始至直达波能量的到达，其信号除受外部干扰出现毛刺外，基本上是一条接近于直线的平稳段；第二段从波的第一个初至起至第二个初至止，此段属于P波段，振幅小，频率高；第三段是以S波为主的部分，振幅大，频率低。

　　完成波形识别工作后，记录两接收孔间P波和S波的传播时间。根据振源孔和测试孔之间的距离以及钻孔垂直度量测结果，求出直达波的传播距离L，由下式分别求出P波和s波的波速：

　　单孔法波速测试就是在一个垂直钻孔个进行波速测试的方法。按激振和检波器在钻孔中所处的位置不同，单孔法又可分为四种：（1）地表激发，孔中接收(下孔法)（2）孔中激发，地表接收(上孔法)（3）孔中激发，孔中接收（4）孔中激发，孔底接收。

　　除了振源外，单孔法波速测试的仪器设备与跨孔法基本相同。单孔法波速测试较常选用的振源为剪切波振源，其优势波为SH波(SH波是一种剪切波，其质点振动方向平行于地面)和SV波，具有可重复性和可反向性。一般采用下图所示的激振方式：

　　(1)钻孔钻孔附近地面应尽可能干整，钻孔时应尽量减少孔壁土扰动，持测孔钻到预定深度时，如地层软弱应下套管护壁，套管与孔壁问用灌浆和填砂法处理。

　　(2)设置振源用敲板法作振源时，在距孔口1．03．0m处放置一长度2.0～3.0m的木板或混凝土板，并与地面贴紧，上压5kN左右的重物，以防止板的滑移。板的中垂线应通过孔口，用锤沿板纵轴从两个相反方向水平敲击板端产生水平剪切波。当板中心的高程与孔口相差较大时，应量测并记录下来以便作修正之用。

　　（3）设置检波器当检波器在孔内不同深度处接收剪切波时，应将其固定在孔壁。当只需测定地层中的P波时，检波器就不一定要和孔壁贴紧，但在这种情况下，孔中必须注满水或泥浆。有时为了整理资料上的方使可将两只检波器同时放入孔中，根据它们的间距，用两个检波器接收同一激振下初至被传描历时差来计算波速，提高分析精度。

　　(4)测点间距的确定测点间距原则上应使相邻两点时间差大于记录上可读精度。对于土层，一般以0.5～2.0m为宜。当有较薄夹层时，应适当调整p使得薄夹层中至少布置两个测点。

　　单孔法波速测试时，P波和S波识别方法与跨孔法相同，但当振源激发点距孔口距离较大时，应作修正。其方法是将实测斜距行走时间（）按下式换算成垂距行走时间（）：

　　英国学者Rayleigh于1887年首先在理论上确定了自由界面附近瑞利面波的存在。在以往的地震勘探中，这种瑞利面波被作为干扰波。近年来，国内外学者对瑞利面波进行了深入的研究，在理论和应用方面都取得了较大的进展，利用瑞利波进行勘探变为现实。

　　在自由界面(如地面)上进行竖向激振时，均会在其表面附近产生瑞利波，而瑞利波有3个与工程质量检测有关的主要特征：

　　研究证明，瑞利波能量约占整个地震波能量的67%，且主要集中在地表下个波长范围内，而传播速度代表着半个波长(/2)范围内介质震动的平均传播速度。因此一般认为瑞利波法的测试深度为半个波长，而波长与速率及频度有如下关系：

　　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。瑞利波检测方法分为瞬态法和稳态法两种。这两种方法的区别在于震源不同。瞬态法是在激震时产生一定频率范围的瑞利波，并以复频波的形式传播；而稳态法是在激震时产生相对单一频率的瑞利波，并以单一频率波的形式传播。前些年，主要以稳态激振方法为主，勘探原理是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，许多频率能量太小，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。

　　设Z0为弹性空间，点震源位于坐标原点，且介质中的每点都作简谐运动，时间因子为。设u、v、分别表示质点沿x、y、z方向的位移，则波动方程的表达式为：

　　以下假定所引入的力关于z轴对称，我们在柱坐标（r,q,z）中讨论问题。设q为垂直于z轴的位移分量，w为z方向的位移分量。两种坐标的关系为：

　　在地面施一适当的竖向激振力(可用大锤敲击地面或吊高重物自由下落)，地下介质中可产生纵波、横波和瑞利波，可用如下的波动方程来描述它们的运动。

　　其中，为质点位移场的势函数，Vp和Vs分别为纵波和横波的速度。对于平面波可得(1)式的一个解为：

　　由(2)式可得到瑞利波传播的二个特性：一是瑞利波振幅随深度衰减，能量大致被限制在一个波长以内；二是由地面振动波的瞬时相位可确定瑞利波传播的相速度。瞬态面波法即根据这二个特性，在相距一定距离的地面二点安置拾振器，接收面波振动，通过频谱分析，做出波长波速频散曲线，从而算出地下土层的瑞利波速Vr。瑞利波速和横波波速的关系为

　　当从0.25至0.5时，Vr / s从0.92至0.95。由此可将瑞利波波速换算成横波波速。

　　瞬态多道瑞利波是在地面上沿着面波传播的方向布置间距相等的多个拾振器，一般可为12个或24个。选择适当的偏移距和道间距，以满足最佳面波接收窗口和最佳探测深度。将多个拾振器信号通过逐道频谱分析和相关计算，并进行迭加，得出一条频散曲线，从而消除了大量的随机干扰，信号中各频率成分能量大为增强，使得地质体在频散曲线上的反映更加突出，判断准确性大大增强。

　　在时域。