透地雷達技術

圖 3.15 中山路 FWD 檢測點位 C 圖 3.16 中山路 FWD 檢測點位 D

3.4 透地雷達技術(Ground-Penetrating Radar，GPR)

透地雷達技術(Ground-Penetrating Radar)簡稱 GPR，為非破壞性檢測之地 球物理探測法。藉由發射短脈衝之高頻電磁波進入地表後，在地表量測此入 射波經地下電性界面或異常體之反射情形。一般而言，透地雷達的天線頻率 愈高(波長愈短)，其穿透力愈低(測深愈淺)，但解析度愈高。由於天線頻率直 接關係到探測深度與解析度，因此於現地探測時，須考量欲找尋何種目標物、

現場地質條件、探測深度及精度要求等問題，選用適當的頻率天線。透地雷 達所能找尋之物體相當多，其深度將依地質狀況等因素而有所變化。

本計劃所使用的透地雷達儀器系統是由美國地球物理探測設備公司

（Geophysical Survey System, Inc., GSSI）所生產的 SIR-20 透地雷達系統，組 成分成天線、主機，電腦與電源四個主要的部分，如圖 3.17 所示。其中，各 種不同頻率之天線及其適用性如表 3.3 所列，表中所列之探測深度為參考值，

實際探測深度因地層狀況以及地下水情況(包含高度及鹽化程度)而有所不 同。

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圖 3.17 GPR 探測設備

表 3.3 各種不同中心頻率天線之適用處

頻率 (MHz) 功 能 概略測深 (m)

35 地下構造、地質探查 10-60

80 地下構造、地質探查 5-30

120 海水探查用 4-20

200 地下水位面探查 3-12

400 地下油槽、塑膠圓筒、地下空洞探查 0.5-3 500 鋪面下空洞、埋設管線探查(淺層用) 0.5-2.5

900 混凝土厚度、背面空洞探查 0-1

1500 鋼筋、瀝青層厚度探查 0-0.4

透地雷達探測技術其原理與反射震測法(reflection seismic method)類似，

主要是利用本身發射出高頻率電磁波的反射回波訊號所形成之圖像來探測物 體之所在，此外，因 GPR 採用了寬頻短脈衝和高採樣率，故比起其它的地球 物理探測法具有更高的解析能力，可對於地層特徵做更詳細的描繪。由國內

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外的研究報告中可知，透地雷達在古蹟遺址、地下管線坑洞、污染物擴散、

河床湖底地形探測等方面的研究上，均有相當不錯的成果表現。

透地雷達法的檢測基本原理是以透地雷達儀不斷激發固定能量頻率之電 磁波，藉由置於地面上之天線接收反射回來之信號，並儲存於主機中，然後 據以分析判別受測體之特性。故其主要組成包括收發訊號的天線、信號記錄 器及分析系統，其反射電磁波亦可採電腦顯色分析，顯示受測物體不同材料 的排列狀態。其探測原理如圖 3.18 所示。

在進行透地雷達法的檢測時，將會針對探測地點進行初步探測，後再依 據探測結果的可能性進行細部的探測工作，對於探測工作之相關流程如圖 3.19 所示。

圖 3.18 GPR 探測原理示意圖

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圖 3.19 現地探測流程圖

為瞭解整條道路之狀況，利用透地雷達進行道路鋪面及底層之調查。表 3.4 從中山四路至沿海三路選擇 20 個路口進行橫斷面之調查，每個路口分別 從北側及南側進行路口橫斷面的透地雷達探測，採用 400MHz 的天線進行探 測，最大探測深度為 2.5 公尺。相關探測照片如圖 3.20 及 3.21 所示。

圖 3.20 中山四路與鎮海路口之探測照片

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3.5 動態圓錐貫入試驗(Dynamic Cone Penetrometer，DCP)

動態圓錐貫入儀(Dynamic Cone Penetrometer，DCP)原由澳洲人 Scala 在 1956 年發明，又稱 Scala 貫入儀為 DCP 基本設計採用手持式，可快速方便用

兩者之比值稱為貫入比率(Penetration Ratio, 簡稱為 PR)，亦為 DCPI 值。透過 DCPI 值推算現地加州承載比 CBR (California Bearing Ratio)與回彈模數 Mr 值，

可得知土壤強度。美國材料試驗學會(ASTM)在 2003 年已將 DCP 列為正式標

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準試驗法，稱號為 ASTM D6951-03「DCP 在鋪面淺層應用之試驗法」。因此，

本報告以 DCP 試驗檢測中山路段之土壤強度。

圖 3.22 動態圓錐貫入儀構造

本報告使用 DCP 量測路基土壤強度，作為各單位評估之參考，如圖 3.23 所示。DCP 基本構造如圖 3.22 所示，其身由兩支桿徑 16mm 桿件搭配圓盤組 成，由圓盤分成上下兩部分。下部桿件體末端裝有貫入用之錐頭，錐頭之錐 角為 60°，其長度為 4.45cm，直徑 2cm，而上部桿件體則裝設落錘重為 8kg 之落錘，其固定落距為 576mm，上部頂端含有把手，而採用之直尺為不易凹 折之直尺(精度 1mm)。操作此儀器採用 3 人進行，一人扶持儀器，一人提升 落錘貫入土壤，另一人則量測記錄打擊次數與貫入深度，直至 DCP 完全貫入 土層所需深度為止。

將 DCP 組裝完成後，置入鑽心孔洞內大約中心點位置，使用水瓶氣泡輔 助其達到垂直，貫入前以直尺量測鐵鉆定點刻度至路基層頂點高度並記錄讀 數。開始試驗時，三下敲擊或是一下敲擊，並紀錄敲擊次數及貫入深度，以 分析 DCPI 數據及土壤強度。

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本報告係依據ASTM D6951-03「DCP在鋪面淺層應用之試驗法」以及 Thomas R.Burnham建議可依土壤種類作為在鋪面修復調查時之DCPI (DCP Index, mm/下)限制值，當鋪面修復調查之DCPI 超過限制值時，該處之鋪面破 壞可能肇因於路基，則需對路基層加作其他更詳盡之相關試驗。

Mn/DOT 對鋪面調查時之 DCPI 限制值規定如下：

1.粉土/黏土質路基土壤 DCPI≦25mm/下 2.顆粒性路基材料 DCPI≦7mm/下

MR(MPa)=532.1(DCPI)-0.492 (適用於細顆粒土壤) ………(2) MR(MPa)=235.2(DCPI)-0.475 (適用於粗顆粒土壤) ………(3) 3. DCPI 之 PR 值、CBR 值與 E 之關係

Webster，1994 綜合全球數筆 DCP 試驗資料提出 DCP 之 PR 值、CBR 值 與回彈模數 E 之關係式：

logCBR=2.465-1.12（logPR）………(4) E（psi）=2550×CBR0.64 ………… (5) CBR=292/PR1.12 ………(6)

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E（Mpa）=17.58×CBR0.64 …………(7)

DCP 之 PR 值為一項重要參考指標，能顯示鋪面結構材料之密度、軟硬 性質及厚度。表 3.5 為 PR 與材料強度之關係，可藉由此表了解 PR 值大小的 意義。

表 3.5PR 與基底材料強度之關係表 貫入比率（mm/blow） 基底材料強度（級配料）

1-3 壓實超硬

4-6 壓實緊密(PR6.2 時壓實度約 90%)

7-10 稍緊密

>10 完全未夯實

圖 3.23 動態圓錐貫入儀操作

3.6 鑽心試體與實驗室試驗

本計畫預定改善鋪面總長度約為 12800m，車道數區分為南北雙向多線道。

由於中山路為因路面現況損壞嚴重，且基底層狀況不明，實有必要進行鑽心

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取樣作業，依據路面實際損壞之程度及車行狀況，路面受剪力作用較大之處 及重度損壞路段，進行現況 AC 鋪面鑽心取樣，以了解實際 AC 層厚度與狀 況。

透過鑽心試體可了解道路鋪面層數、厚度、透層與黏層膠結分布情形、

粒料與膠泥包覆均勻性、有無析離、、有無斷裂、變形狀況、異常含油量、

垂直裂縫走向（由下而上基底問題）…等，尤以透過烤箱烘烤後，更有助 於研判。

本研究將鑽心試體表面清除乾淨，置放於 90℃烘箱內部 30 分鐘後，藉此 觀察鑽心試體表面因溫度上昇所產生的變化，以推斷此道路的層數、厚度，

以及透層、黏層膠結分布情形，並觀察其粒料與瀝青膠泥之間包覆均勻性。

本試驗烘箱溫度控制在 90℃，其原因為烘箱溫度設定太低，瀝青膠泥無 法軟化，較為不易研判各層材料之差異性；若溫度設定太高，亦可能造成鑽 心試體全部軟化。由於瀝青膠泥黏滯度 10000poise 內在 90℃以上時瀝青狀態 變化較為明顯，故採用此溫度作為控制點。而烘箱放置時間，則以 TAF 認證 之試驗方法即試體加熱 90℃至全熱需烘烤 30 分鐘為參考。

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10 5163 － 12.5 － － －

11 5494 2.45 28.5 1886.9 4.769 10.94 12 5601 2.34 12.8 1411.4 4.864 16.12 13 5601 2.49 15.9 1680.7 3.187 12.50

14 5945 － 4.6 － － －

15 5945 2.31 14.0 1433.5 5.537 12.5

16 6200 － 5.8 － － －

17 6200 2.4 15.1 1727.0 4.910 － 18 7400 2.44 14.0 1478.7 3.911 － 19 9400 2.34 10.8 1193.7 4.533 4.93 20 10400 2.35 11.8 1117.3 5.702 5.93 21 11400 2.38 12.2 1109.9 8.093 7.43 22 12200 2.39 10.4 2042.8 4.930 －

*註:數值標示”－”為無法檢測之數值

圖 4.1 篩分析試驗

本研究預判斷瀝青膠泥性質，必須進行黏度試驗，但鑽心試體可回收各 層瀝青量不足以提供各項瀝青試驗使用，且現地無法進行大面積開挖及切割，

因此本研究採用簡易試驗判斷鑽心試體各層瀝青混凝土品質差異之比較。

圖 4.2 為中山路鑽心試體，從圖中可看出將試體放入 90℃烘箱烘烤 30 分

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鐘後，發現第二層出現了冒油情形，推測為膠泥品質控制不佳所致。且試體 產生嚴重冒油現象，經試驗其含油量為 5.6%；此一層高含油量，將使瀝青混 凝土軟弱導致剪力強度不足，而產生車轍、推擠及波浪狀等鋪面損壞情形。

根據瀝青膠泥與粒料結合作用判斷兩者之間的附著力，其中包覆力和附 著力越強，水進入粒料內部機會越小，瀝青混合物越不易剝離，也可以藉此 判斷其粒料是否因分佈不均或者是瀝青膠泥對粒料的包覆能力已經不似一開 始新拌之瀝青混凝土；圖 4.3 看到第二層出現冒油情形，該層為破碎狀態。從 觀察各層變化，發現各層瀝青膠泥變化不同，亦顯示中山路之瀝青混凝土品 質差異性很大（該路段鑽心試體分析整理，詳細圖如附件一）。

圖 4.2 中山路鑽心試體 A 圖 4.3 中山路鑽心試體 B

4.2 中山路鋪面破壞調查

本研究對道路鋪面調查沿途由中山四路，經沿海一路、沿海二路、沿海 三路至南星路路口，總長約共 12 公里。沿路道路破壞相當明顯，其破壞類型 有：修補、車轍、龜裂、變形、推擠、剝脫、老化、坑洞、管溝等，遍佈於 中山路至沿海路一路，藉此可知，中山路至沿海路鋪面皆已造成不堪負荷的 現象產生(中山路路段破壞狀況詳見附件二) 。

圖 4.4 中為中山路因車輛載重輾壓或底層結構不良而致鋪面產生不規則

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鱷魚裂縫。圖 4.5 為鋪面車轍變形，此種狀況可能為結構性車轍，因基底層材 料不良，如具高膨脹性土壤或高黏性土壤使基底層產生壓密沉陷而使面層撓 動變形。圖 4.6 鋪面產生之局部下陷，根據其下陷位置及面積，推測為回填 管溝夯壓不實導致鋪面下沉。圖 4.7 中可以看到表面薄層剝脫現象，是因中山 路車輛載重極大，骨材無法承受其荷重，且因常灑水之原故，水分侵入狀況 較嚴重，造成骨材碎裂，而車輛經過後帶走碎裂分離之骨材，造成表層的剝 脫現象。而中山路

由附件二中可以看出，中山路多數路段皆有車轍破壞、龜裂、凹凸不平 等破壞現象，甚至有路段造成下陷，並且嚴重破壞處位於南下路段 6k~11k、

北上路段 1k~8k 處，產生嚴重車轍、龜裂、推擠情況，造成此種情形原因為 瀝青品質控制不良、級配不當、混合料生產時未充分乾燥、混合時溫度太高 致產生燒焦現象、滾壓時溫度太低至未充分黏結、混合料運送途中產生垂流 現象置混合料含油量不均等導致鋪面破壞之外，基底層承載力不足亦為產生

北上路段 1k~8k 處，產生嚴重車轍、龜裂、推擠情況，造成此種情形原因為 瀝青品質控制不良、級配不當、混合料生產時未充分乾燥、混合時溫度太高 致產生燒焦現象、滾壓時溫度太低至未充分黏結、混合料運送途中產生垂流 現象置混合料含油量不均等導致鋪面破壞之外，基底層承載力不足亦為產生