第四章 實驗結果與討論
第一節 多頻道表面波震測法量測
為驗證所欲進行的多頻道表面波量測系統效能，先對完整無損試體進行波形 量測，依照第三章第四節所述實驗步驟進行(如圖 3-29 及 3-30 所示)，另外測試 試體一側為無鋼筋，另一側深度 4 公分處埋設有鋼筋，分別對無鋼筋面和有鋼筋 面進行量測，可確認鋼筋存在對本法量測的影響。
本法主動式聲射法多頻道表面波量測，係為非破壞檢測方式，其量測過程如 試驗流程圖(圖 4-1)所示，主要量測為原始震測波形的擷取，然後進行多頻道波 場轉換分析，因所有的量測及分析皆為相同步驟，僅因變換量測位置，致所得原 始震測波形不同，所以僅以一個實際轉換分析案例說明，分析過程如圖 4-2 所 示。
圖 4-1 量測過程試驗流程圖
(資料來源：本研究整理)
Time, sec
Source-receiver Distance, m
0.05 0.1 0.15
Time, sec
Source-receiver Distance, m
1500 2000 2500 3000 3500 4000 0
Shear wave velocity, m/s
Depth, cm
Phase Velocity, m/s
Frequency, Hz
1000 2000 3000
0.5
一、 完整無損無筋混凝土
完整且未受火損無鋼筋混凝土試體，經前述流程及分析步驟，可得各次量測 範圍處(圖 4-3)的混凝土內部不同斷面深度剪力波速值，如圖 4-4 所示。剪力波 速反算採用美國 Kansas University 地球物理中心所開發之 Surfseis 3.0 進行 反算，反算層數以 5 層為主，視特定頻散曲線會採用 10 層，探測最大深度受最 大波長控制，但沒有一定比例，會與頻散曲線本身之數值大小以及反差有關，反 算之演算法中以 Vs 為主要變數。
單位: cm
圖 4-3 完整無損無筋混凝土量測位置圖
(資料來源：本研究整理)
60
16.25 30 6 @ 5 cm
6 量測深度
混凝土試體 25
圖 4-4 完整無損無筋混凝土各量測位置不同斷面深度剪力波速圖
(資料來源：本研究整理)
完整且未受火損無鋼筋混凝土試體，經前述流程及分析步驟，將所獲得的各 量測位置不同斷面深度剪力波速，改繪成 2D 影像，如圖 4-5，可以更直覺的了 解斷面內部波速分布情形，提升判識度。
由此 2D 波速分布圖可看出，試體整體均勻性良好，多數區域的波速落在 2400
~ 2800 m/s 之間(平均 2600 m/s，std 190 m/s)，本案探測深度約 6 公分，但在 量測位置 30-34 公分以及 40-46 公分位置的混凝土，試體深度 1 公分以內有略低 的剪力波速區段存在，波速約為 2200 m/s，可能係因為靠近試體上表面，試體 灌製時可能有較多漿體浮到表面，導致表面處強度略微降低。
圖 4-5 完整無損無筋混凝土量測區域 2D斷面剪力波速圖
(資料來源：本研究整理)
二、 人工分層無筋混凝土試體
人工分層未受火損無鋼筋側混凝土試體，同樣經前述流程及分析步驟，可得 各次量測範圍處(圖 4-6)的混凝土內部不同斷面深度剪力波速值，如圖 4-7 所 示。
Vs(m/s)
單位: cm
圖 4-6 人工分層無筋混凝土量測位置圖
(資料來源：本研究整理)
60
3 @ 5 cm
7. 5
量測深度
混凝土試體 25
15
50
人工分層
15 10
圖 4-7 人工分層無筋混凝土各量測位置不同斷面深度剪力波速圖
(資料來源：本研究整理)
人工分層無筋混凝土試體，同樣經前述流程及分析步驟，將所獲得的各量測 位置不同斷面深度剪力波速，改繪成 2D 影像，如圖 4-8。
人工分層試體，探測深度約 7.5 公分，由斷面波速分布可明顯看到試體有明 顯的波速差異存在，其介面約在深度 6.5 公分處，介面波速約 2700 m/s。此人 工分層之實際介面位置在深度 5 公分處，由影像中判釋的介面與實際深度略有差 異，造成此差異的一個可能性在於雷利波有隨著深度增加而降低解析度的特性，
在反算過程中，理論模型的建立會假定每層厚度隨著深度增加，而本試驗之最佳 解析度約為 2 公分(頻散曲線之最小波長)，當深度增加後其解析度還會變差，由 此結果看來獲得之差異深度仍在此誤差內，未來可針對此深度上解析度的提升進 行進一步的改善研究。
圖 4-8 人工分層無筋混凝土量測區域 2D斷面剪力波速圖
(資料來源：本研究整理)
三、 有鋼筋混凝土試體
為確認鋼筋對於此量測技術之影響，透過有鋼筋混凝土試體採用相同的分析 過程，可以獲得有鋼筋情況下之頻散曲線圖如圖 4-9 所示。在有鋼筋的情況下其 主要影響有兩類型，第一類型是其在特定頻率有能量消失的情形(如箭頭所指) 並且同時在高速側有明顯的另一頻散曲線存在(如圖 4-9 (a)虛線所圍)；而第二 類型是僅有在特定頻率有能量消失的情形。第二類型之影響較為容易解決，由於 表面波的影響深度與波長相關，大約是 1:1，因此只要透過對波長的限制(使其 小於鋼筋深度)即可避開鋼筋的第二類型影響。而第一類型相對較為麻煩，由於 較為高速之非混凝土行為頻散曲線的能量可能在我們有興趣的頻率段即超越混 凝土之頻散曲線能量，如此會嚴重侷限混凝土頻散曲線的頻寬範圍，對於高頻側 較小的頻寬範圍的降低將會造成反算所得之剪力波速在近表面處的準確度下降，
因此仍有需要針對此類型可能造成的影響提出解決方案。
Vs(m/s)
圖 4-9 位於鋼筋正上方收錄之頻散曲線圖(a)影響類型 1 (b)影響 類型 2
(資料來源：本研究整理)
為降低鋼筋的影響，本研究建議可透過偏移鋼筋正上方的做法。將圖 4-9 (a) 之量測測線由鋼筋正上方平移 3 公分，使其偏離鋼筋正上方，在進行資料之收錄，
獲得之結果解析如圖 4-10 所示，類型 2 的影響大幅的下降，特定頻率下的能量 下降情況有所改善，另方面，類型 1 的影響在此已完全觀察不到，可以說明透過 偏移鋼筋正上方的作法可有效的改善鋼筋可能造成的影響，但這也說明，應用本 技術時應須先行確認鋼筋所在位置。
圖 4-10 偏移鋼筋 3 公分之頻散曲線圖
(資料來源：本研究整理)
四、 火害後板試體
火害過之試體的現場量測情形如圖 4-11 所示，其量測結果不甚理想，無法 分析獲得頻散曲線圖，仔細觀察所收錄到的震動資料(如圖 4-12a 所示)，此次之 資料收錄雖仍採用 6 個加速度規進行收錄，但其中 3 個加速度規並未成功收到訊 號，僅有 3 個加速度規所收錄之資料較合理，但此收錄所得之 3 處震動資料雖呈 現有震動的特徵，但其顯示出來的震波傳遞行為並不理想。以人工分層知識體量 測資料為例(如圖 4-12b 所示)，當波在傳遞時，隨著與震源處得距離增加，時間 域上整體波形會有往後平移的情形，但在圖 4-12a 並無法明確觀察到此現象，此 外，在傳遞過程中，波形雖然會因為頻散的關係而略有變形，但其大致特徵，如 幾個波峰、波谷等仍會維持，但在圖 4-12a 中仍無法觀察到此現象。推測此兩點 正是無法順利進行頻散曲線的主要原因。
圖 4-11 火害過之試體的現場量測情形
(資料來源：本研究整理)
圖 4-12 試體時間域震動資料 (a)火害後試體 (b)人工分層試體
(資料來源：本研究整理)
針對可能造成此問題之原因進行檢討，將其分為 3 類可能原因：
(1) 量測儀器之不適用
由於為實際模擬前往火害現場量測的工作，因此與實驗室之量測所採用的量 測儀器設備不同，改採用可攜帶式之設備，如圖 4-13 所示，在資料擷取主機上 改採用日本 OYO 之震測儀，而在震動源上，原先採用之鋼珠式震源在此試體上無 法產生足夠能量啟動資料紀錄的動作，因此改採用六角板手。這兩項設備的調整 會造成的影響有兩部分，一部分是此震測儀之資料擷取頻率最大僅到 0.3 MHz，
相較於其他試體所採用的擷取頻道可到 2 MHz 不同，而此不同會影響到可收錄的 頻率範圍；改採用六角板手作為震動源有兩個影響，一個是其所能夠提供的主要 頻率範圍會較鋼珠式震源低，可能會沒有足夠的小波長(高頻)能量或是容易受到 低頻訊號的干擾而無法獲得理想的頻散曲線圖，另方面是其敲擊點較不容易控制，
每次的敲擊所產生的震源可能較不穩定。
圖 4-13 量測設備之調整 (a)攜帶式震動擷取主機 (b) 六角板 手震動源
(資料來源：本研究整理) (2) 火害後試體表面之影響
相較於其他未火害之試體的表面有經過磨平處理，火害後的試體表面雖然 仍具平整性，但是其會有明顯的粉塵存在於試體表面，即使進行清理也很容易再 出現，而這狀況會造成加速度規與試體間的耦合效果不佳，這會造成在量測時的 震動可能無法如實呈現實際震動狀況，極可能會產生如本次所收錄到的資料的情 形。
(3) 版厚較薄
火害過之試體與其他試體相比除有受火外，另有兩個主要差異，一是其為 混凝土版，在厚度上為 15 公分，相較以樑為參考形的其他試體厚度達 25 公分相 比，其厚度較薄；其二是其為高強度混凝土，試體強度較其他試體為高，雖然遭 遇過火害，但在先前受熱之情況下仍預期其 P 波波速遠高於其他試體。此兩者差 異會造成有兩個影響，一個是版厚較薄，容易形成導波，而使得表面波的行為不 明顯；另一個是波速較高，其在相同頻率的波傳遞時，會有較大的波長，而這也 會造成其容易形成導波的形式在傳遞。不過就目前遭遇的問題而言，歸咎於版厚 較不恰當，即使是以導波的形式在傳遞，透過頻散曲線分析可由其頻散曲線的特
徵辨識其為導波，而不會導致其無法分析。因此就此檢討，儀器與火害後試體本 身所可能造成的問題為後續值得先行排除的對象。