瑞利面波目前被广泛应用于浅层工程地质勘探和工程质量检测等领域,并取得了较好的勘探效果。实验室物理模拟研究是认识和发展瞬态多道瑞利面波理论和方法的主要手段之一。在瞬态多道瑞利面波实验室研究中,常遇到以下两个问题。1：实验室常用的有限尺度模型中激发的声波波场与实际半无限空间介质存在很大的差异。模型有限尺度对瞬态多道瑞利面波地震记录拾取频散曲线造成了较大的干扰。2:对于尚未清楚的复杂波场分布情况的模型,将使研究问题复杂化,为简便研究问题,常将三维地质模型简化为二维模型来处理,以此降低分析问题的难度和节约建模成本,然而常规的实验室二维物理模型难以实现。研究满足一定条件的三维模型是否能够代替二维模型,并具有相似的波场特征将具有较高的实用价值。针对问题1,本文基于三维有限元数值模拟技术对实验室有限尺度模型中激发的声波波场进行了数值模拟,研究和分析了模型有限尺度的瑞利面波波场特征,以及模型侧边界影响对利用瞬态多道瑞利面波地震记录拾取频散曲线的干扰特征。研究表明,来自平行观测排列两侧边界面的反射面波是拾取速度频散曲线主要的干扰因素,模型的半宽度至少应近于或大于实验激发波场的主波长一个量级条件下(5-10倍),该反射面波的干扰可以通过常规面波处理流程消除。本文还研究和提出了在不改变模型尺度硬件条件下,应用τ-p变换分离波场方法可有效消除模型尺度影响。本文辅以一模型实验实例,验证了本文提出的问题和解决方案的可行性。针对问题2,本文基于有限元数值模拟技术对不同模型厚度的数值模型激发的声波波场进行了数值模拟,研究和分析了具有不同菲涅尔带半径R厚度的三维均匀半空间和横向非均匀模型的瑞利面波波场和频散特征,并与对应的二维数值模拟结果进行对比分析。研究表明,在模型厚度小于最小第一菲涅尔带半径R条件下,三维物理模型实验结果与二维数值模拟模型实验结果基本一致。因此,在实际物理模拟实验中,可用厚度小于最小第一菲涅尔带半径R的三维物理模型近似二维模型。本文最后以数值模拟确定的合理模型厚度制作物理模型进行实验,验证了本文提出的问题和解决方案的可行性。