全波形反演（Full Waveform Inversion，FWI）方法最早是在地球物理勘探领域中提出，随后在地球物理、地震学、海洋学和应用数学等领域得到广泛的应用和改进。而弹性波全波形反演也是岩土工程领域中一种较新的无损检测手段，它考虑波形信号的大部分动力学特征，如振幅、初至时刻、频谱特征、时频特征和频散特征等，通过一定的数学反演方法，获取目标介质的物理力学参数。弹性波全波形反演可提供定量化的介质参数反演估算，具有对介质模型精确刻画的潜力，已得到越来越多的学者的关注。但目前仍然存在计算量巨大，计算速度缓慢、反演计算过程强不适定性、实测数据的噪音干扰、分辨率低等问题。　　弹性波全波形反演应用于岩土工程介质及地下结构的定量化无损检测，实质上是根据一定的先验信息条件，寻找一个最合适的岩土工程介质模型，使正演计算的模拟响应波形数据与实际检测中接收到的观测数据拟合得最好，是一个很强的非线性问题。它主要包括了正演计算和反演计算两大部分内容。其中，正演计算方法采用时域有限差分法（Finite-Difference Time Domain，FDTD）结合完全匹配层（Perfectly Matched Layer，PML）吸收边界条件技术实现对弹性波波动方程数值模拟求解，精确模拟复杂岩土工程介质中的弹性波场。在反演计算中，采用最优化原理，将拟线性最优化法与随机搜索法相结合，发展了一种稳定、高效且适用于尺度较小（0.1~10 m）的时间域弹性波全波形反演方法，具有对初始模型依赖少，易收敛于全局最优解等优点，而且可在个人计算机上运行。同时，引入了 Tikhonov正则化、参数约束条件、最佳修正值等优化算法和技巧，减少了反演计算整体计算量，增加计算的收敛性和最终解的唯一性。　　针对岩土工程无损检测中广泛存在的某些特定复杂问题，将其进行数学简化后，建立相应的数值计算模型。通过各种不同工况和条件下的数值试验，验证上述弹性波全波形反演方法的准确性和收敛性。主要含有以下三个方面内容：首先，针对岩土工程检测中的低速层问题，建立含低速层的三层层状介质模型，实现了对低速异常层剪切波速与厚度的联合反演。在此基础上，采用层状介质模型假定，表面逐点反演的检测方法，实现了对倾斜角较小且渐变的地下构造（倾斜、隆起、凹陷）的刻画。采用二维模型近似模拟，并对响应波形采用滤波、能量归一化和波形相关分析等预处理方法修正，实现对三维层状介质数值模型的精确反演分析。然后，将层状介质模型拓展到更多层，在误差函数值分布曲面图及等值线图的基础上，明确误差函数值随未知参数变化的分布，以及迭代收敛路径和规律。根据某山区工程场地钻孔资料，建立含破碎带的多层层状介质模型。为了改善埋深较大的介质层目标参数敏感度值，增大测线长度并增加数据采集道数，并根据最大面波波长和半波长理论，以最大面波波长的一半作为弹性波全波形反演方法的最大测深。反演计算结果表明，在破碎带位置及相应剪切波速值事先未知的情况下，弹性波全波新反演方法正确揭示了破碎带存在的位置及其定量化的剪切波速值。最后，针对岩土工程中常见的空隙孔洞及缺陷部位的检测问题，考虑模型介质在水平向存在的突变，将弹性波全波形反演方法拓展到二维复杂介质模型，实现了对模型剪切波速的整体刻画揭示。同时，建立三维数值试验模型，并在其中间层预设缺陷，反演计算获得的剪切波速水平分布图基本揭示了介质内部的预设缺陷，其位置正确，清晰可辨。但因两种介质材料在交界处的波速“折中”，反演揭示的缺陷大小有所放大。　　在数值模拟计算结果以及反演计算规律的基础上，将弹性波全波形反演方法应用于天津海河沉管隧道压浆法施工充填效果检测与评价工程中。采用冲击映像法时频分析获得的定性检测结果，为后续反演计算提供初始模型和介质参数范围。将检测模型简化为“高-低-高”波速构造的层状介质模型，根据预处理后的实测波形数据，通过反演计算，获得检测点下注浆层的厚度和剪切波速值，并进而得到整条测线的剪切波速剖面图，以此实现对注浆施工效果的定量化且快速的综合评价。比较注浆前后的剪切波速剖面图结果表明，沉管隧道底板下部注浆层的剪切波速明显提高，厚度也略有增加，水下注浆施工效果良好。与此同时，针对施工进行中E3附属管段底板下部可能存在的渗水通道，对附属管段进行区域全覆盖的剪切波速平面分布检测。最终获得附属管段底板下部注浆层的剪切波速平面分布图，据此寻找到的渗水通道和注浆不密实区域给后续的补强注浆施工提供参考和依据。　　针对我国高速铁路无砟轨道中缺陷病害的无损检测问题，分别在两个等比例的实际模型上，开展弹性波全波形反演方法对预设缺陷的检测试验。鉴于现有的缺陷和损坏较多地存在于轨道基床和CA砂浆这两个相对较为薄弱的结构层中，第一个检测试验在基床层内预设了饱和土及泡沫板两种缺陷材料，根据支承板表面采集到的观测数据，反演计算所揭示的检测区域剪切波速与与支承板下预设的缺陷材料吻合较好，缺陷区域位置也基本符合预设情况。第二个检测试验则拓展到完整的CRTSⅡ型标准高速铁路结构模型中。采用地震参考道反褶积运算消除震源波形对反演计算的影响。最终计算结果表明，弹性波全波形反演方法能对CA砂浆层脱空病害以及基床层上部的材料缺陷有较明显的定量化揭示，反演计算所揭示的缺陷区域位置与预设基本符合，但由于计算误差的影响，区域范围有所放大。　　本学位论文及相关研究得到了国家自然科学基金面上基金项目《复杂岩土工程介质中全波场传播特性及相关无损检测方法研究》的资助，项目批准号：11372180。以及中国铁路总公司科技开发计划课题《高速铁路线下工程病害机理与快速检测识别技术研究》的资助，项目批准号：2013G004-A-1。