近年来，瑞利面波勘探已广泛应用于工程地质勘探和工程质量检测等领域中。就目前的情况来看，瑞利面波勘探资料解释时主要考虑的是基阶模态面波。然而，在地层中含有软硬夹层以及表层为高速层的情况下，高阶模态面波的能量更强。所以，在瑞利面波勘探的资料解释中，必须考虑高阶模态面波的影响；在高阶模态面波占优势时，利用高阶模态面波进行资料解释。 本文在前人研究的基础上，对层状介质中多阶模态瑞利面波特征及其应用进行了初步的研究，其中重点是考虑高阶模态面波的应用研究，研究高阶模态面波占优势时频散曲线的提取、分析和正反演方法。 本文正演计算采用凡友华等提出的快速标量传递算法。通过几种典型层状地层结构多阶模态瑞利面波的正演分析表明，地层结构和层速度是影响能量分布利频散曲线特征的主要因素。对于递增型的地层，基阶模能量始终占优势，能量最大模频散曲线不会出现‘之’字形。对于含软硬夹层和地表为高速层的公路型地层结构，各阶模态面波的能量分布变化很大，尤其是在高频段f>30Hz的范围，高阶模态面波的能量占有较大的比重，能量最大模频散曲线会出现“之”字形，并且能量最大模频散曲线出现的“之”字形是由于高阶模的高能量引起的。 本文通过对各种反演方法的对比，提出利用稳定且快速的拟牛顿法进行频散曲线的反演。利用拟牛顿法对基阶模、高阶模和能量最大模频散曲线的反演模拟结果显示，对于高阶模能量占有很大比重的复杂地层结构，利用高阶模和能量最大模的反演效果都比利用基阶模的反演效果好。还提出了基阶模和高阶模或基阶模和能量最大模的联合反演方法，通过理论上的反演模拟证明其可以大大加快反演收敛的速度和提高反演的精度。 最后以实测数据为例，给出了频率波数域提取基阶模、高阶模和能量最大模的方法。通过实测资料的提取，说明高阶模和能量最大模是可以分离提取出来的；对实测资料的高阶模和能量最大模的反演解释，验证了利用多阶模态面波及其能量信息可以更好的解释复杂的工程地质问题，能够取得更好的地质效果。