第二章 文獻回顧
2.2 土壤夯實密度檢測
2.2.2 非破壞性檢測
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圖 2. 19 夯模法(王仁杰，1997)
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(2) 超音波之續激發波源影響埋設於混凝土其內部之鋼筋，無法有效完全去除(林宜 清，1997) 。
(3) 超音波之操作須經過訓練，才可進行正確之校正與判讀(黃嘉彥，1994) 。 (4) 探頭需另塗上藕合劑，使其能與試體表面緊密結合。
(5) 試體厚度不得過厚，否則將導致能量衰減不易接收。
2. 地電阻法
地電阻法(圖2.21)應用直流電或甚低頻之交流電(用電池或發電機)通入地下，由於 岩層之電阻不同造成地下電流分佈不同，用地電儀在地表各測點量度電位或電阻。由 通入地下之電流質電位極與電流值相對位置，可計算視電阻率，然後依視電阻率分佈 即可解釋地下構造。應用此法可調查斷層、崩坍地、空穴及有效的使用於水文探測上。
為其受個別決定地層厚度及電阻率時之等值效應限制級為飽和與飽和含水層介面不 易鑑別之影響，而需其他地球物理探勘方法輔助，才可獲得較佳之結果(洪志昇，
1997)。
圖 2. 21 地電阻法(傑美環境工程顧問股份有限公司，2013)
3. 探地雷達法
探地雷達(Ground Penetrating Radar)又稱透地雷達，圖2.22是探測地表以下結構和
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埋設物的新型無損探測儀器。它利用電磁波對地表的穿透能力，從地表向地下發射電 磁波，電磁波在地下介質特性變化的界面上發生反射，通過接收反射回波信號，據其 時延、形狀、頻譜特性等參數，解譯出目標深度和介質結構性質。在數據處理的基礎 上應用數字圖
像的恢復與重構技術，對地下目標進行成像處理。路用探地雷達具有無損、快速、連 續、高精度、高分辨以及實時成像探測等特點，國內路用探地雷達目前主要用於結構 層厚度檢測、路面損壞狀況調查、脫空識別，對路基壓實質量檢測方面的應用還較少，
有待進一步研究(王敬，2007)。
圖 2. 22 探地雷達儀器(歐美大地，2013)
4. 土壤衝擊錘試驗法
依據ASTM D5874，標準之土壤衝擊試驗錘使用4.5kg之重錘，其形狀與大小皆與 Proctor修正夯錘相同。重錘落距固定為45cm，初始速度為0，鎚擊受檢之土壤。試驗 錘內含一電子加速器，其接至數位顯示器以便於讀取數據。土壤衝擊試驗錘之主要原 理為藉由落錘落於土壤表面所造成之反彈，用以反應土壤之強度、密度或勁度。顯示 器所呈現之數據為衝擊錘作用於物體所產生之負加速度尖峰值，表面愈堅硬所得之衝 擊值(IV)愈大(王繼賢，2006)。
衝擊錘之優點有時效性、便利性且節省人力，衝擊錘利用電子儀器所得之衝擊值，
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經由換算可得土壤強度。相較傳統砂錐法檢測，衝擊錘檢測可節省大量人力及時間。
但衝擊錘無法檢測土壤之含水量，且若土壤組成過於複雜，則衝擊錘檢測之準確性亦 有偏差(王繼賢，2006)。
程鵬(1995)整理衝擊錘原理之相關研究說明：重錘由等高度落下及擊撞地面為一 種碰撞運動。而重錘貫入土壤的運動方式如圖2.23所示。假設重錘重量為m，由h高度 落下，撞擊地面前其速度增加至 = √2 ，由此時開始計算貫入時間，當衝擊速度 為V=0時，重錘停止，此時貫入時間為 。因此就運動學觀點而言，地盤承受重錘衝 擊力，F(t)，的累積量，就等於重錘碰地前所儲存的動量，如圖2.24及式2-8：
∫ ( )𝑑 = − (2-8) 而重錘在貫入土壤的過程中，其加速度(a)值曲線如圖2.25及式2-9
( ) = a( ) (2-9) 其所涵蓋的面積，及等於重錘碰地前的速度值
∫ ( )𝑑 = − (2-10) 由此反推，重錘在貫入土壤時，其過程中的速度可由式2-11表示：
( ) = + ∫ ( )𝑑 (2-11) 因此將重錘的速度曲線下之面積積分，就可得重錘在土壤中的位移量，亦為貫入度P，
如式2-12：
= + ∫ ∫ ( )𝑑 𝑑 (2-12) 由上列方程式可看出貫入度和重錘在土壤中的加速度呈現負相關。參考圖2.26，可得
知貫入度和 存有比例關係，可視為下式：
= a × × (0<a<1) (2-13) 對於衝擊時間 和 ⁄ 之關係，不論何種起始高度，重錘的貫入時間都不受影響，參 考圖2.27，而 只與重錘底面積和質量有關，參考圖2.28及下式(A為重錘底面積)，C 為常數：
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= (2-14) 由上式可知，在土壤試驗固定重錘質量(m)、高度(h)及底面積面積(A)的情況下，貫入 度的大小取決於土壤的夯實程度。而由以上理論方程式可看出貫入度和重錘在土壤的 衝擊加速度成負相關。因此，土壤試驗錘量測的衝擊加速度最大值便可評估出現地的 相對夯實度。
圖 2. 23 重錘貫入土壤之意識圖(程鵬，1995)
圖 2. 24 衝擊力-時間關係(程鵬，1995)
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圖 2. 25 重錘加速度-時間之關係(程鵬，1995)
圖 2. 26 貫入速度與時間之關係(程鵬，1995)
圖 2. 27 貫入中的重錘加速度與時間之關係(程鵬，1995)
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圖 2. 28 衝擊時間 與 ⁄ 之關係(程鵬，1995)
Iv值可表示土層的強度或硬度，並可直接運用於鋪面設計與建構以及一般土壤夯 壓之運用，並可作為強度參數之評估(王明德，2002)。
圖 2. 29 衝擊錘檢測(王繼賢，2006)
王繼賢(2006)應用衝擊錘(圖 2.29)檢測香山砂土、黏土所得之衝擊曲線主要影響 因子為含水量與乾密度(夯實度)，乾密度對於衝擊值之影響僅限低於最佳含水量濕測 之狀態下進行之識驗。
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5. 核子密度儀
核子密度儀(圖 2.30)是利用同位素放射原理實時檢測土工建築材料的密度和濕度 的電子儀器。核子密度通常安裝有一個密封的137Cs 伽瑪源和一個密封的241Am 中子 源，儀器中還安裝有密度和濕度兩種射線探測器，分別與伽瑪源和中子源共同對被測 材料的密度和濕度進行測量。放射源173Cs 發射出 γ 射線，經過被測媒介時發生能量 衰減，不同密度材料其γ 射線衰減程度不同，在根據事先標定 γ 射線與密度關係求得 土壤密度。放射源241Am 利用射出中子與被測土壤水中氫原子碰撞得知含水量(ASTM D5195-08) (李姿潔，2010)。目前應用核子幅射原理於土壤密度及含水量之檢測，主 要為直接放射法(Direct Transmission Method)、回射放射法(Backscatter Method)及間隙 法(Air Gap Method )(陳煌銘等，1998)，其中以直接傳導法所求得之結果較為精確(洪 志昇，1997)。
核子壓實度法的優點是：測量速度快、需要的人員少、操作人員不必費力挖坑取 大塊試樣稱重、可用於測量各種土(包括凍土)和路面材料的密度及含水量。該方法適 用於施工質量的現場快速評定，不宜用作仲裁試驗或評定驗收試驗(王敬，2007)。
圖 2. 30 核子密度儀(長沙和盛光核電子科技有限公司，2013)
核子密度儀雖為簡便快速之小型操作儀器，但因其具有放射線之危險因素，將其 缺點列舉如下:
(1) 核子密度法需與砂錐法一起使用進行測定，但欲精確量取所對應之體積有其困難，
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因孔洞形狀不一易導致誤差。與砂錐法之值對比中發現，只有含水量具有較好之 線性關係(洪志昇，1997)，此外孔洞土體結構也因此受到間接破壞影響測定之精 準度。
(2) 直接放射法用於巨方工程時，無法控制試驗深度；回射放射法若儀器底部與檢驗 物質之表面間存有間隙存在，會影響其精確度；間隙法檢測結果無法得知精度與 間隙高度距離是否適當(王仁杰，1997) 。
(3) 儀器之使用為放射源，被測材料對射線之吸收與散射皆為隨機現象，因此儀器對 同一點之多次測試結果會稍有些許差異(黃秋麗與張凡，2000) 。
(4) 受測點需事前將地表面刮平，且核子儀周圍須無堆積物料(黃秋麗與張凡，
2000)。
(5) 核子密度儀不適用於土體含有放射物。
(6) 放射工作人員之健康狀況與受照劑量，須每一至二年接受健康檢查，並建立個人 劑量檔案(史迅，2001)。
(7) 每到一地需針對不同之填方材料，建立一新運算方程式(高占武與章永川，
2004) 。
(8) 儀器每年定期一次委託原子能委員會認可之輻射防護業務者，針對密封射源進行 擦拭檢查，輻射作業管理人員應負責安排相關輻射工作人員職前及每年定期教育 訓練，嚴重影響成本經濟需求(國立聯合大學，2009) 。
(9) 儀器為表面式核子儀，須將被測地面仔細整平，因地表面若過濕，將會影響含水 量之測量結果精確度(高國新，2004) 。
(10) 核子密度儀僅適用於施工現場之快速評定，不宜作為仲裁或評定驗收之依據(羅 小芳，2006) 。
(11) 儀器成本價格偏高，並存有放射性汙染之危險(王敬，2007) 。
(12) 核子密度儀對土壤之均質性及含水量等因素有其敏感性，檢測前需將儀器重新標 定，否則其精度誤差甚大(王敬，2007)(摘自李姿潔，2010) 。
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6. 時域反射儀
李姿潔(2010)使用香山砂土與渥太華沙，於實驗室內配置不同含水量、應用不同 的模具和夯實能量施作夯實試驗，應用 TDR 量測出體積含水量，標定出體積含水量、
重量含水量與乾密度之關係曲線，其試驗結果(表 2-6 至表 2-8)顯示體積含水量、重量 含水量與乾密度之關係曲線之判定係數 R2 結果為良好。圖 2.31 至圖 2.33 為香山砂 土標準夯實模標準夯實之體積含水量、重量含水量與乾密度之標定曲線，依據標定曲 線可快速推得土壤乾密度，說明 TDR 可應用於實驗室檢測土壤乾密度。
表 2- 6 體積含水量量測值(θvm)重量含水量實際值(w)之標定結果(李姿潔，2010)
模具種類 夯實方式 含水量設計
土樣種類
標準砂 香山砂土
木模
震動夯實 3.19-17.29 R2=0.9648 微量夯實 3.02-18.41 R2=0.9741
分裂式鐵模 微量夯實
0.34-19.99 R2=0.9196 1.31-8.28 R2=0.9135
標準夯實模
標準夯實 3.57-17.55 R2=0.9480
微量夯實
8.13-19.28 R2=0.7945 0.85-13.08 R2=0.8936
塑膠模具 微量夯實 0.31-19.81 R2=0.987
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表 2- 7 體積含水量計算值(θvc)體積含水量量測值(θvm)之標定結果(李姿潔，2010)
模具種類 夯實方式 含水量設計
土樣種類
標準砂 香山砂土
木模
震動夯實 3.19-17.29 R2=0.946 微量夯實 3.02-18.41 R2=0.978
分裂式鐵模 微量夯實
0.34-19.99 R2=0.9296 1.31-8.28 R2=0.914
標準夯實模
標準夯實 3.57-17.55 R2=0.958
微量夯實
8.13-19.28 R2=0.815 0.85-13.08 R2=0.9119
塑膠模具 微量夯實 0.31-19.81 R2=0.986
表 2- 8 土壤乾單位重量測值(ρdm)土壤乾單位重計算值(ρdc)之標定結果(李姿潔，
2010)
模具種類 夯實方式 含水量設計
土樣種類
標準砂 香山砂土
木模
震動夯實 3.19-17.29 R2=0.999 微量夯實 3.02-18.41 R2=0.9998
分裂式鐵模 微量夯實
0.34-19.99 R2=0.9999 1.31-8.28 R2=0.9809
標準夯實模
標準夯實 3.57-17.55 R2=0.926
微量夯實
8.13-19.28 R2=0.9157 0.85-13.08 R2=0.9979
塑膠模具 微量夯實 0.31-19.81 R2=0.9139
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圖 2. 31 體積含水量量測值(θvm)與重量含水量實際值(w)之關係(標準夯實) (李姿潔，
2010)
圖 2. 32 體積含水量校正值(θvc)與體積含水量量測值(θvm)之關係(標準夯實) (李姿潔，
2010)
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圖 2. 33 土壤乾密度校正值(ρdm)與土壤乾密度推估值(ρdc)之關係(標準夯實) (李姿潔，
2010)