空洞的存在对地下工程质量有重要的影响,因此采取有效的物探方法探测空洞很有必要。瞬态瑞利波检测方法相比其他方法,具有操作简单、便捷、效率高等优点。本文基于弹性波理论,分析了均匀弹性半空间介质中瑞利波的波动特征,并采用有限元法分析了含空洞介质中瑞利波传播规律,瑞利波沿介质表面传播过程中遇到空洞会发生反射和能量衰减,且分别研究了瑞利波能量、时域、频谱特性,提出了定量分析空洞形状参数和位置的计算方法,主要成果及创新点如下:(1)根据入射瑞利波和反射瑞利波传播时间差提出了确定空洞水平位置的计算公式,并通过合理设置边界条件和激励源等得到了空洞的水平位置,其计算误差在2%以内,且随空洞埋深增加误差增大;当瑞利波波长小于空洞埋深时,空洞不影响该波长对应频率的瑞利波,否则反之。基于此理论,本文提出了临界干扰频率法获得空洞埋深的方法。模拟计算结果的相对误差在10%以下,当空洞内存在填充物时计算误差有所增加;提出了能量衰减率概念,并定量分析了空洞竖向尺寸与瑞利波的能量衰减率的关系,得到了计算公式,通过不同工况验证了其计算公式的准确性。(2)竖向尺寸相同条件下,方形和圆形空洞对瑞利波的检测影响区别较小。空洞填充消耗瑞利波能量,并对瑞利波的频谱产生较大影响,可以获得空洞埋深但不能采用衰减率法计算空洞大小;分析了瑞利波在水平位置、竖向位置和斜向位置的空洞介质中的传播规律,并根据反射瑞利波传播时间差计算了水平位置空洞的距离,精度较高。(3)对三维数值模拟结果与二维数值模拟结果进行对比分析,结果显示,三维数值模拟的结果更接近实际值,但二维数值模拟结果已达到较高的精确度。