擋土牆非破壞檢測方法回顧與評估

本研究主旨在於應用非破壞檢測方法於鋼筋混凝土擋土牆檢 測，以瞭解可行的方法及檢測資料正確性，主要應用範圍包含內部 鋼筋尺寸的探查、較密集排列鋼筋的定位，深層鋼筋的定位及鋼筋 腐蝕檢測等，以下說明各適用檢測方法。

一般混凝土結構物鋼筋定位多採透地雷達、渦電流（Eddy Current）方法及敲擊回音法。上述各法原理及適用性說明如下：

1、透地雷達

透地雷達對於非導體材質（如混凝土）內之金屬物件反應極為 靈敏，故常用於偵測混凝土內鋼筋分布位置，採用透地雷達施測 時，其測線需垂直待測鋼筋走向，其所得施測剖面中，鋼筋繞射訊 號係以雙曲線方式呈現，雙曲線頂點即為鋼筋位置，因此可藉由合 理波速參數換算埋設深度。根據檢測經驗顯示，透地雷達探查結果 極易獲得第一層鋼筋位置及深度，但深層鋼筋訊號與內部瑕疵空 洞，因受表層鋼筋訊號干擾，不易檢測；且雷達波探查結果受到鋼 筋排列密度與深度影響，一般而言，在固定天線頻率下，愈密集排 列的鋼筋，且保護層厚度愈大者，因雷達波繞射訊號互相干擾，較 不易獲得探查結果。

2、渦電流法

渦電流儀器一般簡稱為鋼筋位置探測儀，該檢測方法係將載有 交流電之激發線圈（Driver coil）在混凝土上方移動，當接近鋼筋 位置上方時，使得鋼筋引發交變磁場，感應產生旋渦狀電流，稱為 渦電流。這些渦電流亦感應交變磁場，以改變拾取線圈（pickup coil） 之磁場，因此可藉由感應磁場的變化，推估鋼筋的位置及保 護層厚度。本法原理簡單且儀器操作簡便，為目前工程界較常採用 的方法，市場上部分設備甚至可直接顯示檢測結果，故使用者廣 泛。惟因本法亦為電磁法之一種應用，使用在鋼筋排列密集處時（如 主筋配置處），由於磁電效應亦受相鄰鋼筋的干擾等限制，因而造 成檢測失敗，故目前此類儀器多用於鋼筋定位及保護層厚度檢測，

且無法進行較密集排列之鋼筋位置檢測。

3、敲擊回音法

敲擊回音法係量測應力波走時，基於鋼筋折射波速大於混凝土 波速的特徵，根據不同展距之波到時間，可求得保護層厚度與鋼筋 位置，原理類似應用於地層分層厚度及波速檢測的傳統地表折射震 測方法。依前人研究結果，在鋼筋較緊密排列下，其應力波折射明 顯，且不受相鄰鋼筋影響，與上述兩方法調查結果有顯著不同。惟 此法較大缺點在於資料收集時間需時較長，且須應用較多的資料處 理並進行解釋，無法即時獲得檢測結果。

4、其他方法

近年來相關研究領域的學者亦有採用放射線法及應力波探查 法等方法進行應用研究。所謂放射線法係採用 X 射線或伽瑪射線 作為射源，直接照射被檢測物體，其中部分射線穿透檢測物體，部 分射線被檢測物體吸收，而吸收量與物體密度與厚度等物理性質有 關。檢測成像原理係以射線穿透被測物，並投影在底片或螢幕上，

藉由投影的灰度呈現，研判內部物體尺寸。根據相關試驗結果顯 示：內部鋼筋的成像相當清晰，檢測資料準確度大於 95%以上【彭 朋畿等，2006】。使用本法需特別注意放射性元素的操作安全規則 及防護措施，另外檢測前需先檢測鋼筋位置及保護層厚度，且鋼筋 混凝土結構物的兩側面必須外露以便進行試驗，此點為本法應用於 擋土牆的最大限制。

圖 2-1 X-ray 成像資料

（資料來源：摘錄自彭朋畿等，2006）

另方面，利用應力波探查混凝土結構物的內部組成與分布，目 前仍處於研究階段。目前的研究方向大致上可分為兩類，一是採斷 層掃描技術（Tomography），第二種方式是採應力波折射法檢測 方式。斷層掃描的技術已發展多年，當前在醫學診斷方面運用最 多、最普遍，同時也能得到最佳的效果，而應用在土木結構的非破 壞檢測方面仍是處於發展階段。探查原理是在結構物表面發射應力 波穿過物體內部，在另一測由預先裝設的接收器接收回波，取得走 時資料，並且使用波線傳遞理論正確的算出波行路徑，並推求物體 內部的波速分布，由於混凝土材料與鋼筋材料的波速差異甚大，因 此可由成像圖（Tomogram）推估內部鋼筋尺寸，參見圖 2-2【張益 喧，2001】。近年來此法亦被應用於其他土木構件探查【王仲宇等，

2006】，此法最大限制與放射線法相同，鋼筋混凝土結構物的兩側 均必須出露，故不適用於擋土牆檢測。

應力波折射法檢測方式近年來被提出作為鋼筋混凝土結構物 內部鋼筋定位的新方法【劉宗豪，2002】。其檢測方式與傳統敲擊 回音法類似，最大的不同處在於一對多資料，即針對同一敲擊點，

必須收集多個不同位置的資料。該原理類似地球物理方法中的震波 折射探勘，應力波在向下傳遞的過程，若遭遇傳波速度較高的介 質，在入射角大於等於臨界角時，將發生折射，大部分應力波能量 將沿著該介質傳遞返回地表，故可藉由地表接收的記錄推估介質深 度及材料波速。應力波折射法目的是埋藏鋼筋的位置與深度，根據 相關研究結果顯示：在保護層小於 10cm 的狀況下，檢測資料誤差 不大於 5%【劉宗豪等，2004】。

圖 2-2 鋼筋 tomogram

（ 資 料 來 源 ： 摘 錄 自 張 益 喧 ， 2001）

第二節 土（岩）釘非破壞檢測方法回顧與評估

土釘工法於 1970 年初期由法國開使使用，發展至今已逾三十 年，在西方國家已被廣泛應用邊坡穩定及基礎開挖等工程，近十餘 年來，國內邊坡穩定工程應用相當普及，對於邊坡保護及深開挖擋 土已有相當成效。土釘施工方式係將特殊之鋼棒或碳纖維棒等鍵體 依固定間距植入土層，以產生加勁之土體。植入方式一般先於預定 位置鑽孔，鑽孔完成後植入鍵體，之後再以水泥砂漿充填即完成，

鍵體本身並無特殊防蝕處理。土釘可用為擋土牆修補工法及土釘噴 植工法，近年來土釘加勁擋土牆結構使用益見頻繁，其中較有名的 案例為暨南大學校門口邊坡整治工程，該邊坡因集集大地震造成大 規模崩塌破壞，事後局部整治範圍採用土釘加勁擋土結構施工，密 集的打設土釘及完全灌漿將在較疏鬆土層之邊坡形成一體化之加 勁區域，防止邊坡之崩落與滑移，因此足夠的土釘埋設長度與灌漿 完整性將成為土釘工法成敗的關鍵。

岩釘鍵體材料大多採鋼棒形式，較少使用鋼索，多用於山岳洞 室及岩石邊坡開挖支撐。其錨固方式除灌漿外，有時亦採機械方 式，如尾端膨脹錨固等。鍵體防蝕處理除灌漿外，可在表面以環氧 樹脂進行塗膜及鍍鋅等。但老舊岩栓可能較少防蝕處理。國內岩栓 種類大多分為灌漿岩栓、自鑽式岩栓及摩擦式岩栓，但均以全段水 泥砂漿包裹作為防蝕方法，並無其他特殊防蝕處理。

上述錨固類結構應用極為廣泛，其施工規範、設計方法及施工

的課題。近年來應用非破壞檢測技術進行土（岩）釘埋設長度及灌 漿品質檢測，已逐漸受到重視，其中敲擊回音法及超音波法為建議 檢測方法【NCHRP report 477，2002】。

本研究前期工作係採敲擊回音法進行土（岩）釘埋設長度檢測 適用性研究，相關研究結果顯示：進行裸筋物理模型試驗時，所得 歷時記錄裸筋底部重複反射波明顯，其時距用以計算裸筋長度，試 驗結果準確度極高。惟第一個回波與重複反射波之間出現一個較小 的高頻訊號，參見圖 2-3，根據其走時反算波速約在 2,000m/sec 至 3,500m/sec 間，遠小於鋼棒縱波波速（約 5,000m/sec），其成因並 非來自重複反射或內部缺陷反射，可能係其他因素造成。一般狀況 下，此訊號並不會造成檢測的困擾，但若土（岩）釘較短時，重複 反射波時間間距較小，該訊號可能會干擾底部反射波，影響檢測資 料。

圖 2-3 裸露鋼筋超音波回波記錄

超音波導波（Ultrasonic Guided Wave）係指在狹長形狀的特定 範圍內傳導的超音波，例如在圓柱體結構內沿著軸向傳遞的超音 波。前人研究指出導波頻散行為與結構物材料特性的變化有很大的 關聯，可藉由其回波分析，了解結構物內部材料變化或腐蝕現況，

目前已有成熟的軟硬體設備研製成功並廣泛應用於石化工業及核 能工業的管線檢測【Beard 等，2003】。英國倫敦皇家學院非破壞 檢測組之 Beard 博士等人首先應用此分析方法於岩釘非破壞檢測 相關研究，並採用自行開發完成分析軟體「DISPERSE」進行鋼棒 波傳行為分析，分析結果藉由物理模型進行超音波方法測試及驗 證。該研究發現在表面光滑的圓柱體鋼棒內部彈性波的傳遞形式相 當 複 雜 ， 依 其 整 體 震 動 形 式 可 歸 納 為 三 種 ， 分 別 為 縱 波

（Longitudinal Wave）、曲波（Flexural Wave）及扭波（Torsion Wave），圖 2-4 為縱波與曲波波傳形式示意圖。

Longitudinal Wave Flexural Wave 圖 2-4 土（岩）釘震動形式

(資料來源：摘錄自 Pavlakovic，1998)

縱波的介質震動係對稱於圓柱體中心軸，震動形式類似體波中 的壓縮波；而曲波介質震動係在圓柱體中心軸兩側有 180 度的相位 差，震動形式類似半無線空間中的雷力波，且由於曲波的傳遞速率 小於縱波。而一般敲擊回音法及超音波法試驗，係將傳感器裝設於 鋼棒頂端截面積上，故量測所得大多為縱波形式。

根據彈性波理論，在層狀介質中傳遞的彈性波具有頻散效應，

波的傳遞速度將依頻率而不同。裸露鋼棒亦可視為層狀結構，惟其

波的傳遞速度將依頻率而不同。裸露鋼棒亦可視為層狀結構，惟其