非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用(二)

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(1)非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用(二). 內政部建築研究所委託研究報告中華民國九十五年十二月.

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(3) PG9502-0214 095301070000G3202. 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用(二). 受委託者. ：財團法人中興工程顧問社. 研究主持人：冀樹勇協同主持人：高憲彰研. 究. 研究助理. 員：葛文忠：林金成. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國九十五年十二月.

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(5) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Application of NDT Techniques in Safety Investigation of Slopes（II）. BY SHU YUAN CHI HSIEN CHANG KAO WEN CHUNG KO CHIN CHENG LIN.

(6) December 15, 2006.

(7) 目次. 目次. 表次................................................................................................. I. V. 圖次................................................................................................. V 照片次............................................................................................. X I I 摘要................................................................................................. X I V 英文摘要 ................................................................... X I X 第一章. 第二章. 緒論 .....................................................................................1 第一節. 計劃緣起及前期研究成果.................................1. 第二節. 本期計劃關鍵問題 .............................................3. 第三節. 計畫目的及內容 .................................................5. 文獻蒐集及整理 .................................................................7 第一節. 第三章. 擋土牆非破壞檢測方法回顧與評估................7. 第二節. 土（岩）釘非破壞檢測方法回顧與評估 ....... 1 2. 第三節. 非破壞檢測儀器設備 ....................................... 3 3. 擋土牆非破壞檢測方法應用驗證 .................................... 4 5 第一節. 非破壞檢測方法原理與設備 ........................... 4 5. 第二節. 物理模型製作 ................................................... 5 6. 第三節. 鋼筋保護層厚度檢測試驗 ............................... 5 8. 第四節. 鋼筋搭接位置檢測試驗 ................................... 8 1. 第五節. 深層鋼筋位置檢測試驗 ................................... 8 9. 第六節. 鋼筋尺寸檢測試驗 ........................................... 9 3. 第七節. 震波測勘試驗 ................................................... 9 8 I.

(8) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 第四章. 第五章. 第六章. 第八節. 鋼筋檢測儀試驗 .............................................1 2 2. 第九節. 鋼筋腐蝕檢測應用評估 .................................1 3 2. 第十節. 驗證資料結論 .................................................1 3 5. 土（岩）釘非破壞檢測方法應用驗證 ..........................1 3 9 第一節. 非破壞檢測方法原理與設備 .........................1 3 9. 第二節. 物理模型製作 .................................................1 4 2. 第三節. 土（岩）釘灌漿品質檢測試驗 .....................1 4 4. 第四節. 驗證資料結論 .................................................1 6 8. 第五節. TDR 檢測方法評估........................................1 7 0. 第六節. 微型樁檢測應用評估 .....................................1 7 6. 現地試驗工作...................................................................1 8 3 第一節. 擋土牆案例一試驗結果 .................................1 8 3. 第二節. 擋土牆案例二試驗結果 .................................1 9 5. 第三節. 擋土牆案例三試驗結果 .................................1 9 9. 第四節. 土（岩）釘案例試驗結果 .............................2 0 4. 第五節. 現地試驗工作結論 .........................................2 2 0. 標準作業模式...................................................................2 2 1 第一節. 透地雷達法應用於鋼筋探查 .........................2 2 1. 第二節折射震測法應用於鋼筋保護層厚度檢測 .....2 3 0 第三節. 敲擊回音法應用於土（岩）釘灌漿完整性檢測. ..........................................................................................2 3 8. II.

(9) 目次. 第七章結論與建議.........................................................................2 4 7 第一節. 結論 .................................................................2 4 7. 第二節. 建議 .................................................................2 5 0. 附錄一. 物理模型製作過程照片 ..................................................2 5 3. 附錄二. 第一次專家座談會專家意見 ..........................................2 5 7. 附錄三. 第二次專家座談會專家意見 ..........................................2 6 1. 附錄四. 期中審查專家意見 ..........................................................2 6 5. 附錄五. 期末審查專家意見 ..........................................................2 7 1. 附錄六. 坡地社區防災教育宣導活動 ..........................................2 7 7. 參考書目...........................................................................................2 8 3. III.

(10) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 表次. 表 2-1 數值分析參數 ....................................................................1 7 表 2-2 灌漿品質分級 ....................................................................2 8 表 2-3 樹脂錨桿分級 ....................................................................2 9 表 3-1 擋土牆物理模型總表 ........................................................5 6 表 3-2 鋼筋保護層厚度檢測結果（一） ....................................8 0 表 3-3 折射震測法檢測結果 ........................................................1 0 2 表 3-4 鋼筋保護層厚度檢測結果（二） ....................................1 2 0 表 3-5 鋼筋保護層厚度檢測結果（三） ....................................1 2 6 表 3-6 檢測方法一般說明表 ........................................................1 3 5 表 3-7 檢測方法適用範圍說明表 ................................................1 3 8 表 4-1 土（岩）釘物理模型總表 ................................................1 4 3 表 4-2 數值模擬材料參數 ............................................................1 4 8 表 4-3 微型樁適用檢測方法說明表 ............................................1 8 1. IV.

(11) 圖次. 圖次. 圖 2-1 X-ray 成像資料................................................................. 8 圖 2-2 鋼筋 tomogram .................................................................1 1 圖 2-3 裸露鋼筋超音波回波記錄 ................................................1 3 圖 2-4 土（岩）釘震動形式 ........................................................1 4 圖 2-5 鋼棒頻散曲線 ....................................................................1 5 圖 2-6 前人研究數值模型 ............................................................1 6 圖 2-7 土（岩）釘頻散曲線 ........................................................1 7 圖 2-8 土（岩）釘應力波的衰減 ................................................1 8 圖 2-9 物理模型試驗結果 ............................................................2 0 圖 2-10 土（岩）釘頻散曲線與圍岩強度的關係 ......................2 1 圖 2-11 土（岩）釘應力波衰減與圍岩強度的關係..................2 2 圖 2-12 土（岩）釘頻散曲線與灌漿材料強度的關係..............2 3 圖 2-13 土（岩）釘應力波衰減與灌漿材料強度的關係..........2 4 圖 2-14 敲擊回音法案例資料 ......................................................2 6 圖 2-15 敲擊回音法案例資料頻譜 ..............................................2 7 圖 2-16 振動頻率（基頻）與荷載關係圖 ..................................3 0 圖 3-1 折射震測方式示意圖 ........................................................5 1 圖 3-2 折射震測理論走時-支距圖...............................................5 3 圖 3-3 零支距震測方式示意圖（ASTM C1383） ....................5 4 圖 3-4 擋土牆模型示意圖 ............................................................5 7 圖 3-5 既有一號模型透地雷達剖面 ............................................6 0 V.

(12) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 圖 3-6 既有模型透地雷達繞射時間資料 ....................................6 1 圖 3-7 既有二號模型透地雷達剖面 ............................................6 2 圖 3-8 既有三號模型透地雷達剖面 ............................................6 3 圖 3-9 既有四號模型透地雷達剖面 ............................................6 4 圖 3-10 既有五號模型透地雷達剖面 ..........................................6 4 圖 3-11 A 模型透地雷達測線分布圖 ..........................................6 5 圖 3-12 A 模型橫向測線透地雷達剖面 ......................................6 6 圖 3-13 A 模型縱向測線透地雷達剖面 ......................................6 9 圖 3-14 A 模型縱向測線鋼筋保護層探查結果 ..........................7 0 圖 3-15 B 模型透地雷達測線分布圖 ..........................................7 1 圖 3-16 B 模型橫向測線透地雷達剖面 ......................................7 2 圖 3-17 B 模型縱向測線透地雷達剖面 ......................................7 4 圖 3-18 B 模型縱向測線鋼筋保護層探查結果 ..........................7 5 圖 3-19 透地雷達三維資料處理程式 ..........................................7 6 圖 3-20 透地雷達三維資料 ..........................................................7 7 圖 3-21 C 模型透地雷達測線分布圖 ..........................................7 8 圖 3-22 C 模型橫向測線透地雷達剖面 ......................................8 0 圖 3-23 搭接鋼筋理論繞射波 ......................................................8 1 圖 3-24 A 模型搭接鋼筋透地雷達剖面 ......................................8 2 圖 3-25 A 模型鋼筋繞射時間寬度圖 ..........................................8 3 圖 3-26 D16 鋼筋繞射時間三維分布圖 ......................................8 4. VI.

(13) 圖次. 圖 3-27 B 模型搭接鋼筋透地雷達剖面 ......................................8 4 圖 3-28 B 模型鋼筋繞射時間寬度圖 ..........................................8 5 圖 3-29 D19 鋼筋繞射時間分布圖 ..............................................8 6 圖 3-30 C 模型搭接鋼筋透地雷達剖面 ......................................8 7 圖 3-31 C 模型鋼筋繞射時間寬度圖 ..........................................8 7 圖 3-32 D29 鋼筋繞射時間分布圖 ..............................................8 8 圖 3-33 模型 C 透地雷達剖面 .....................................................8 9 圖 3-34 資料處理後透地雷達剖面（D29） ...............................9 0 圖 3-35 資料處理後透地雷達剖面（D19） ...............................9 1 圖 3-36 資料處理後透地雷達剖面（D16） ...............................9 2 圖 3-37 鋼筋繞射距離說明圖 ......................................................9 3 圖 3-38 鋼筋半徑與支距-走時比較圖.........................................9 4 圖 3-39 既有一號模型鋼筋半徑與支距-走時比較圖.................9 5 圖 3-40 鋼筋透地雷達剖面比較圖 ..............................................9 6 圖 3-41 鋼筋繞射波時間-展距擬合圖.........................................9 7 圖 3-42 折射震波試驗探勘佈置圖一 ..........................................9 8 圖 3-43 折射震波試驗資料一 ......................................................1 0 0 圖 3-44 折射震測試驗走時-支距資料一.....................................1 0 1 圖 3-45 反射震波試驗探勘佈置圖一 ..........................................1 0 3 圖 3-46 反射震波試驗資料一 ......................................................1 0 4 圖 3-47 折射震波試驗探勘佈置圖二 ..........................................1 0 5. VII.

(14) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 圖 3-48 折射震波試驗資料二 ......................................................1 0 6 圖 3-49 波形紀錄放大比較圖 ......................................................1 0 7 圖 3-50 A 模型折射震測試驗走時-支距資料.............................1 0 9 圖 3-51 B 模型折射震測試驗走時-支距資料 .............................1 1 0 圖 3-52 C 模型折射震測試驗走時-支距資料.............................1 1 1 圖 3-53 反射震波試驗探勘佈置圖二 ..........................................1 1 2 圖 3-54 A 模型反射震波試驗資料頻譜 ......................................1 1 4 圖 3-55 反射震波試驗資料頻譜比較圖 ......................................1 1 5 圖 3-56 B 模型反射震波試驗資料頻譜 ......................................1 1 7 圖 3-57 C 模型反射震波試驗資料頻譜 ......................................1 1 9 圖 3-58 頻譜資料修正係數 ..........................................................1 2 1 圖 3-59 A 模型鋼筋檢測儀檢測結果 ..........................................1 2 3 圖 3-60 B 模型鋼筋檢測儀檢測結果 ..........................................1 2 4 圖 3-61 C 模型鋼筋檢測儀檢測結果 ..........................................1 2 5 圖 3-62 A 模型鋼筋尺寸檢測結果 ..............................................1 2 9 圖 3-63 B 模型鋼筋尺寸檢測結果 ..............................................1 3 0 圖 3-64 C 模型鋼筋尺寸檢測結果 ..............................................1 3 1 圖 3-65 前期 F 模型鋼筋腐蝕電位等值圖..................................1 3 2 圖 3-66 透地雷達剖面比較圖 ......................................................1 3 3 圖 4-1. 土（岩）釘模型示意圖 ..................................................1 4 2. 圖 4-2. 基樁完整性檢測回波特性 ..............................................1 4 6. VIII.

(15) 圖次. 圖 4-3. 土（岩）釘數值分析模型 ..............................................1 4 7. 圖 4-4. 土（岩）釘數值模型回波資料（一） ..........................1 4 9. 圖 4-5. 土（岩）釘數值模型回波資料（二） ..........................1 5 0. 圖 4-6. 土（岩）釘數值模型回波資料（三） ..........................1 5 1. 圖 4-7. 既有土（岩）釘模型檢測結果(3m) ..............................1 5 2. 圖 4-8. 既有土（岩）釘模型檢測結果(4m) ..............................1 5 3. 圖 4-9. 既有土（岩）釘模型檢測結果(6m) ..............................1 5 4. 圖 4-10 既有土（岩）釘模型檢測頻譜(6m) ..............................1 5 5 圖 4-11 A 號土（岩）釘物理模型檢測結果 ..............................1 5 7 圖 4-12 B 號土（岩）釘物理模型檢測結果 ..............................1 5 9 圖 4-13 C 號土（岩）釘物理模型檢測結果 ..............................1 6 1 圖 4-14 D 號土（岩）釘物理模型檢測結果 ..............................1 6 3 圖 4-15 E 號土（岩）釘物理模型檢測結果 ..............................1 6 5 圖 4-16 F 號土（岩）釘模型檢測結果.......................................1 6 7 圖 4-17 前期土釘模型時域反射波形 ..........................................1 7 1 圖 4-18 TDR 現地佈置示意圖.....................................................1 7 1 圖 4-19 TDR 試驗資料一.............................................................1 7 3 圖 4-20 TDR 試驗資料二.............................................................1 7 4 圖 4-21 表面反射法資料 ..............................................................1 7 7 圖 4-22 脈波反應法資料 ..............................................................1 7 9 圖 5-1. 案例一 A 擋土牆透地雷達試驗資料 .............................1 8 8. IX.

(16) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 圖 5-2. 案例一 B 擋土牆透地雷達試驗資料 .............................1 9 0. 圖 5-3. 案例一 C 擋土牆透地雷達試驗資料 .............................1 9 2. 圖 5-4. 案例一 D 擋土牆透地雷達試驗資料 .............................1 9 4. 圖 5-5. 案例二擋土牆標準設計圖 ..............................................1 9 5. 圖 5-6. 案例二透地雷達試驗資料一 ..........................................1 9 8. 圖 5-7. 案例二透地雷達試驗資料二 ..........................................1 9 8. 圖 5-8. 案例三擋土牆標準設計圖 ..............................................2 0 0. 圖 5-9. 案例三透地雷達試驗資料 ..............................................2 0 3. 圖 5-10 岩釘案例 A 檢測資料 .....................................................2 0 5 圖 5-11 岩釘案例 B 檢測資料 .....................................................2 0 6 圖 5-12 岩釘案例 C 檢測資料 .....................................................2 0 7 圖 5-13 岩釘案例 D 檢測資料 .....................................................2 0 8 圖 5-14 岩釘案例 E 檢測資料 .....................................................2 0 9 圖 5-15 岩釘案例 F 檢測資料......................................................2 1 0 圖 5-16 岩釘案例 G 檢測資料 .....................................................2 1 1 圖 5-17 岩釘案例 H 檢測資料 .....................................................2 1 2 圖 5-18 岩釘案例 H 檢測資料頻譜 .............................................2 1 3 圖 5-19 岩釘案例 I 檢測資料.......................................................2 1 4 圖 5-20 岩釘案例 I 檢測資料頻譜...............................................2 1 5 圖 5-21 岩釘案例 J 檢測資料 ......................................................2 1 7 圖 5-22 岩釘案例 J 檢測資料頻譜 ..............................................2 1 7. X.

(17) 圖次. 圖 5-23 岩釘案例 K 檢測資料 .....................................................2 1 8 圖 5-24 岩釘案例 L 檢測資料 .....................................................2 1 9. XI.

(18) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 照片次. 照片 2-1. GSSI 透地雷達系統 ....................................................3 4. 照片 2-2. MALA 透地雷達系統.................................................3 5. 照片 2-3. EKKO 透地雷達系統 .................................................3 6. 照片 2-4. IEI 檢測儀 ...................................................................3 7. 照片 2-5. DOCter 檢測系統 .......................................................3 7. 照片 2-6. PIES 檢測系統 ............................................................3 8. 照片 2-7. OLSON 檢測系統 .......................................................3 9. 照片 2-8. Introsonic 檢測系統....................................................3 9. 照片 2-9. iTECS 彈性波檢測系統..............................................4 0. 照片 2-10. SINO-NDT-IE 檢測儀 ................................................4 1. 照片 2-11. Profometer 5 檢測儀...................................................4 2. 照片 2-12. Reinforce-BAR Logger 檢測儀 .................................4 2. 照片 2-13. PS 200 Ferroscan System 檢測儀..............................4 3. 照片 3-1. SIR3000 透地雷達主機 ..............................................4 9. 照片 3-2. 高頻透地雷達天線 ......................................................4 9. 照片 3-3. 透地雷達模型試驗過程 ..............................................5 8. 照片 3-4. 既有一號模型外觀 ......................................................5 9. 照片 3-5. 折射震波試驗過程 ......................................................9 9. 照片 3-6. 鋼筋檢測儀試驗過程（一） ......................................1 2 2. 照片 3-7. 鋼筋檢測儀試驗過程（二） ......................................1 2 7. 照片 4-1. TDR 鋼筋試體.............................................................1 7 2. 照片 4-2. TDR 檢測設備.............................................................1 7 4. XII.

(19) 照片次. 照片 4-3. 音波反射法試驗過程 ..................................................1 7 8. 照片 5-1. 案例一社區外觀 ..........................................................1 8 3. 照片 5-2. 案例一 A 擋土牆外觀 .................................................1 8 4. 照片 5-3. 案例一 A 擋土牆局部裂縫 .........................................1 8 4. 照片 5-4. 案例一 B 擋土牆外觀 .................................................1 8 5. 照片 5-5. 案例一 C 擋土牆外觀 .................................................1 8 5. 照片 5-6. 案例一透地雷達探查 ..................................................1 8 6. 照片 5-7. 案例一 D 擋土牆外觀 .................................................1 8 6. 照片 5-8. 案例二透地雷達試驗過程 ..........................................1 9 6. 照片 5-9. 案例三擋土牆外觀 ......................................................1 9 9. 照片 5-10. 案例三透地雷達試驗過程 ..........................................2 0 1. 照片 5-11. 岩釘案例 I 拔出驗證照片一 ......................................2 1 5. 照片 5-12. 岩釘案例 I 拔出驗證照片二 ......................................2 1 6. XIII.

(20) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 摘. 要. 關鍵詞：擋土牆、土（岩）釘、非破壞性檢測、透地雷達法、敲擊回音法一、研究緣起國內目前針對山坡地擋土設施之檢查大多以目視檢測為主，惟目視檢查僅能觀察結構物表面的不正常跡象，至於擋土牆厚度及鋼筋量是否足夠、土（岩）釘長度及灌漿是否確實、地錨長度及預力是否依設計圖施工、混凝土老化及鋼筋腐蝕狀況、裂縫深度及擋土牆背填是否產生空洞等資訊，均無法由表面之目視檢測獲得，必須藉由其他的儀器設備或探查方法進行檢測，以便能在短時間內取得更多資料供工程人員研判擋土結構是否有異常狀況發生。非破壞性檢測（Nondestructive Testing, NDT）係利用電磁波（如透地雷達；簡稱 GPR）、應力波（如敲擊回音法）、超音波、電流（如鋼筋腐蝕檢測）等原理，在不破壞結構體之情況下檢查結構物尺寸、可在短時間內快速評估結構物內部劣化狀況及缺陷的一種方式，在歐美先進國家已廣泛應用於工程品質及材料檢驗。因此若能應用此種檢測技術來檢查擋土設施的狀況，當可有效查知及掌握擋土設施可能存在之安全問題，預先擬訂適當的因應計畫或補強措施，降低山坡地社區災害之風險。二、研究方法與過程本計畫目的係針對鋼筋混凝土擋土牆及土（岩）釘品質檢驗，就目前檢測技術中選擇較適用者辦理進一步之驗證測試，包括透地. XIV.

(21) 摘要. 雷達、敲擊回音法等技術，透過物理模型試驗及現地檢測之測試，驗證各項技術應用於山坡地擋土設施檢測之可行性、了解其精度誤差範圍，並對可能影響檢測結果之因素進行探討，建立檢測技術及標準作業模式，以供工程界參考。前期研究成果顯示包含透地雷達與敲擊回音等非破壞檢測方法可有效了解擋土設施之施工品質與內部現況。惟對於較小的保護層厚度、鋼筋搭接、深層鋼筋、鋼筋尺寸、鋼筋繡蝕及土（岩）釘內部灌漿完整性等檢測應用仍顯不足。故本期研究方向及內容係針對上述關鍵問題，採用新穎檢測設備或檢測方法進行適用性研究。三、重要發現（1）採高頻透地雷達天線進行擋土牆鋼筋保護層厚度、搭接位置、深層鋼筋等探查應用，可獲得相當準確的檢測資料，特別可適用於極小厚度檢測，且檢測方式不受混凝土表面不平整、粉塵及裝飾材料阻絕等影響。惟鋼筋間距之疏密將影響檢測結果，一般而言，鋼筋間距大於鋼筋保護層厚度時，所得檢測結果較為準確。而緊密的表層鋼筋排列將會干擾雷達入射波，使得深層反射波微弱，影響第二層及第三層鋼筋探查結果。（2）進行鋼筋尺寸檢測時，採用目前商用透地雷達設備仍不足以區分小尺寸鋼筋。而採用渦電流形式鋼筋檢測儀（Covermeter）進行鋼筋保護層探查時，即使鋼筋緊密排列的狀況下，亦可應用於鋼筋尺寸檢測及極小保護層的探查，惟探查資料無法進行鋼筋定位。. XV.

(22) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). （3）地球物法探勘方法中的折射震測與零支距反射震測，兩者均可有效地應用於鋼筋保護層厚度檢測，且較小的保護層厚度、緊密排列的鋼筋及較大的鋼筋尺寸等特殊狀況下，折射波及反射波較為顯著，檢測結果準確度較高。（4）透地雷達方法仍無法進行鋼筋腐蝕初期現象檢測，推估因鋼筋腐蝕初期僅表層生成環狀剝離的氧化鐵，而此時環狀氧化鐵尺度相當微小，並非雷達波可辨認，但一但時間較為久遠，鋼筋軸周圍裂縫生成，嚴重時，局部裂縫將彼此穿透連接，形成局部內部裂縫發達區域或水平一致性裂隙，則應可採透地雷達或敲擊回音法進行內部局部破壞範圍或水平裂隙的探查。（5）敲擊回音法應可有效地檢測土（岩）釘灌漿完整性，尤其對於局部灌漿的土（岩）釘，檢測資料可有效地反應漿體包覆情況，可根據時域資料中反射波的時距，並選擇合理回波波速，估算未灌漿段長度及漿體包覆長度。一般而言，灌漿狀況較為簡易時，可獲得較準確的檢測結果，若漿體包覆狀況較為複雜時，則僅能獲得鄰近表面的包覆狀況。（6）既有 TDR 檢測方法需預埋一條與土釘等長度的同軸電纜，並進行同軸電纜長度量測。此方式僅了解電纜長度，無法得知真實土釘長度。香港近期相關研究與本研究均直接檢測土釘本體，此方式可完全杜絕既有方法的缺點，且驗證結果顯示土釘底部的 TDR 回波明顯，回波走時可用以估算土釘埋設長度。惟檢測方式需採預埋 XVI.

(23) 摘要. 單股線或對鍵體進行處理，仍不適用於既有土（岩）釘檢測。（7）微型樁結構與基樁類似，故可應用基樁檢測方式進行施工品質了解，目前國內較常採用之基樁非破壞檢驗方法為埋管法與表面反射法。惟埋管法需事先在鋼筋籠內裝設數支 PVC 管，對於微型樁而言，並不適合。表面反射法係樁頭以鐵鎚敲擊，在鄰近位置以探頭收錄反射資料，根據反射波形及發生時間位置，研判樁身之長度、斷裂、縮頸與擴頸等缺陷。此方法無須任何前置作業，且施測快速，較適用於微型樁檢測。四、主要建議事項 (一) 立即可行建議主辦機關：行政院公共工程委員會協辦機關：行政院經濟部、交通部、內政部、水保局。（1）建立透地雷達應用於鋼筋混凝土擋土牆檢測技術及標準作業模式，供工程檢測人員有所依循。（2）建立敲擊回音法應用於鋼筋混凝土擋土牆檢測技術及標準作業模式，供工程檢測人員有所依循。 (二) 中長期建議主辦機關：行政院公共工程委員會協辦機關：行政院經濟部、交通部、內政部、水保局。（1）本計劃所採用非破壞檢測方法，僅能針對可觸及擋土牆. XVII.

(24) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 的部分進行探查。對於被表土覆蓋的擋土牆底板部分，仍無法進行探查，惟此部份對於結構安全檢查亦相當重要，建議未來可蒐集相關探查方法並進行適用性研究。（2）本計劃係應用非破壞檢測方法於鋼筋混凝土擋土牆檢測的可行性研究，目前已證實為透地雷達與敲擊回音法等方法適用性應無疑問，且資料準確度亦相當高。惟擋土牆形式相當多樣，且目前國家重大工程中，許多工址擋土設施均採生態工法，建議宜針對各形式擋土構造進行資料蒐集，並了解非破壞檢測技術應用之可行性。（3）對於山坡地社區安全檢查而言，大多數人均了解擋土結構檢測的重要性，但對於發生問題的擋土牆而言，邊坡穩定與地質現況的了解亦為重要項目之一。目前國內幾個較重要的坡地問題案例，除一般結構檢測外，多採長期監測邊坡滑動作為監控手段，針對地質狀況的了解，除鑽探方法外，並無較實用的探查方法，此課題值得進一步探討。（4）對於土（岩）釘的埋設長度及灌漿完整性檢測對於工程品質驗收及安全檢查相當重要。惟目前大規模坡地開發工程及深開挖工程，亦多採用地錨工法作為穩定支撐方式。目前國內外並無適用的非破壞檢測方法，惟本研究認為此需求相當殷切，值得過內工程界重視建議及研究。. XVIII.

(25) 摘要. ABSTRACT Keyword:. retaining wall, soil nail, NDT, GPR, Impact Echo. The main purpose of this project is to improve the limitation and restriction of non-destructive technology applied on the quality investigation of the retaining wall and the soil nail. The high frequency GPR antenna and some geophysical methods are adopted as the major survey tools in the study. These methods were applied in the detail investigation of rebar location, concrete cover thickness, rebar size of retaining wall and the grouting quality of soil nail. The test results with the physical models were verified to be useful and accurate. The restrictions and limitations of these methods were thus identified through the in-situ operation. The conclusions can be summarized as: 1.. GPR is a useful and efficient tool for locating the rebars. The distinct diffraction wave in GPR profile could be recognized as the rebar. The small rebar spacing would interfer the incident radar wave and result in poor deep reflection and make the interpretation difficult.. 2.. The GPR test data showed the minor differences of diffraction wave could not provide evidence enough for rebar size recognition. On the contrary, the investigation results using the covermeter showed good consistency with the physical models.. 3.. The seismic refraction method was applied for investigating the cover depth. The verification results showed this method is quiet suitable for the critical condition, like smalll cover depth, small rebar spacing and large size rebar.. 4.. Impact echo method is verified to be a suitable method for the grouting quality checking. The reflection from the interface of the grouting boundary could be used for estimating the unbond length.. 5.. The existing TDR investigation method was revised for checking the soil nail rather than the co-axial cable. The reflection time of pulse from the bottom of the steel bar was verified to be consistency with the model length. This test method is still not suitable for the existing soil nail.. XIX.

(26)

(27) 第一章緒論. 第一章緒. 第一節. 論. 計劃緣起及前期研究成果. 目前國內針對山坡地擋土設施之檢查大多以目視檢測為主，惟目視檢查僅能觀察結構物表面的不正常跡象，至於擋土牆厚度及鋼筋量是否足夠、土（岩）釘長度及灌漿是否確實、地錨長度及預力是否依設計圖施工、混凝土老化及鋼筋腐蝕狀況、裂縫深度及擋土牆背填是否產生空洞等資訊，均無法由表面之目視檢測獲得，必須藉由其他的儀器設備或探查方法進行檢測，以便能在短時間內取得更多資料供工程人員研判擋土結構是否有異常狀況發生。非破壞性檢測（Nondestructive Testing，NDT）係利用電磁波（如透地雷達；簡稱 GPR）、應力波（如敲擊回音法）、超音波、電流（如鋼筋腐蝕檢測）等原理，在不破壞結構體之情況下檢查結構物尺寸、可在短時間內快速評估結構物內部劣化狀況及缺陷的一種方式，在歐美先進國家已廣泛應用於工程品質及材料檢驗。目前國內非破壞檢測技術則大多應用於材料檢驗或一般建築結構、隧道、水庫、電廠等之安全評估工作，較少應用於山坡地安全檢查。本研究第一期計劃工作內容包含選定適用之非破壞檢測方法，並分別針對檢測技術應用於鋼筋混凝土擋土牆及土釘檢測的適用性進行相關研究，期在不破壞結構體且在短時間內獲得結構物施工品質、內部劣化狀況及缺陷的快速檢測資料。一般鋼筋混凝土擋土牆進行安全檢核時，評估人員的參考資料除了表面可以目視獲得的外 1.

(28) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 觀現況外，亦需要了解其中的鋼筋量、混凝土強度、擋土牆內部及背填的狀況，以利進行整體研判。對於上述相關需求，前期擋土牆研究結果顯示：應用透地雷達、敲擊回音法、施密特錘法及鋼筋腐蝕電位法可有效檢測鋼筋混凝土擋土牆內部鋼筋排列位置及深度、擋土牆厚度、表面裂縫深度、擋土牆背填空洞涵水狀況、混凝土內部缺陷與空洞分布的深度與範圍、混凝土破壞強度及鋼筋腐蝕機率等，並透過物理模型試驗結果證實，該等方法檢測資料誤差約在 10%以內【內政部建築研究所報告，2005】。另土（岩）釘研究結果顯示：應用敲擊回音法及時域反射法可有效檢測埋設土釘長度，該等方法亦透過物理模型試驗結果證實，檢測資料誤差約在 10%以內。前期工作並完成相關檢測方法的標準作業模式，提供業界作為參考依循。上述完成驗證之檢測方法，其操作方式、資料解析度及經濟性應可滿足目前一般鋼筋混凝土擋土設施之施工品質檢驗或安全檢查的需求。惟研究結果顯示，目前之檢測技術對於較小的保護層厚度，應用上仍有限制，且無法進行內部鋼筋尺寸及鋼筋搭接長度之判識與第二、三層鋼筋定位等，需進一步選用適當方法、先進之儀器設備及資料處理方法等，進行檢測技術研究。至於前期土（岩）釘長度檢測結果顯示，應用敲擊回音法進行檢測時，檢測資料受土（岩）釘灌漿材料及施工品質影響亦甚大，需進一步釐清。故本期研究內容係為釐清土（岩）釘圍束材料造成檢測資料的影響，期能了解兩者間關係，並進而建立分級，最終達到以檢測資料進行錨固力的評估。. 2.

(29) 第一章緒論. 第二節. 本期計劃關鍵問題. 本計劃接續前期研究計劃，針對擋土牆及土（岩）釘非破壞檢測技術關鍵問題進一步探討。對於擋土牆而言，包含擋土牆內埋設鋼筋尺寸、搭接位置與長度、密集排列鋼筋探查、第二、三層鋼筋定位及較小保護層厚度探查等，尋求適用的檢測方法以供進行探查。對於土（岩）釘而言，關鍵問題則在於土（岩）釘設施灌漿品質、TDR 檢測埋設長度之可行性及檢測技術應用於微型樁之可行性等。. （1）擋土牆內鋼筋探查關鍵問題依據前期研究顯示，透地雷達相當適用於鋼筋混凝土擋土牆之探查，對於一般擋土牆檢測而言，應用目前國內常用之透地雷達設備及現有解釋方法大多足敷檢測需求，但對於鋼筋尺寸及搭接長度之研判則尚有困難，且當鋼筋排列較緊密或鋼筋保護層較小時，亦因現有透地雷達天線產生的波長過長，造成反射波重疊而無法解析；此外，因目前商用軟體模組功能有限，對於資料之解析能力亦有所不足，故應用國內現有軟硬體於鋼筋混凝土擋土牆之探查時，尚無法獲得令人十分滿意的檢測結果。針對上述問題，本期研究除採用目前國外發展完成之新穎設備，以改善目前因波長過長導致解析能力不足之缺點外，並引用傳統震波測勘資料處理方法（包含反射震測及折射震測）於透地雷達資料處理，例如採用移位（migration）方法，經過數值計算，將雙. 3.

(30) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 曲線鋼筋繞射訊號收斂成為單一訊號，便於資料展示及研判，並於計算過程，藉由分析反射強度、繞射波幾何分布及雷達波頻率等資料，進而分析混凝土品質、鋼筋埋設深度、鋼筋尺寸、搭接長度及第二、三層鋼筋對於反射波的影響程度，並藉由專業三維資料處理程式協助，建構鋼筋三維分布模型，並透過室內試驗及現地測試結果之檢討予以進一步之釐清。另本研究另輔以敲擊回音法進行試驗，並採新穎資料蒐集及處理方式，以了解方法可行性。其中資料蒐集方式係藉由傳統折射震測現地施測布置方式，以一對多的方式（一個敲擊位置,多個接收位置）進行資料蒐集，並採首達波資料處理方式，進行混凝土彈性波速及保護層厚度的計算。. （2）土（岩）釘灌漿品質探查關鍵問題前期研究發現：對於土（岩）釘長度檢測而言，鍵體周圍包覆材料及包覆狀況對於檢測結果影響甚鉅，在高強度水泥砂漿材料及完整包覆條件下，採用敲擊回音法進行檢測時，較難以獲得回波據以研判埋設長度，與國外採樹脂砂漿作為灌漿材料的回波有明顯差異，顯示試驗資料的特性，包含反射波強度及頻率內函，與灌漿材料及施工品質關係甚大，故可利用此一特性進行灌漿品質之檢驗，作為研判錨固效果良窳之參考依據。因此本期研究著重於反射波與鍵體圍束材料包覆比例的關係研究，並經由物理模型試驗結果與數值分析的協助，建立兩者間關係，期能了解灌漿品質，達到非破壞檢測實用目的。另前期研究亦採 TDR 法進行土（岩）釘長度檢測，檢測精度. 4.

(31) 第一章緒論. 雖高，惟檢測方式需採預埋電纜方式，最大缺點為無法應用於老舊土（岩）釘檢測，且由於非直接量測土（岩）釘長度，將埋設電纜作為長度檢測結果恐引起爭議，故本期研究將改進量測方式，擬藉由鍵體表面進行特殊材料包覆的電脈衝試驗，了解電波能量衰減及反射的狀況，以探討在不需預埋電纜的方式下，進行直接量測的可能性。. 第三節. 計畫目的及內容. 由於非破壞性檢測方法所運用的介質不同，故有不同的應用標準，此外就材料、使用環境、位置而言，也都有其限制性。以透地雷達為例，其探測原理係利用電磁波在結構體內不同性質材料界面處發生部份反射，接收及處理這些反射訊號即可構成雷達波剖面，用來描述結構體內部構造，惟反射訊號之強弱、材料之不均質性、鋼筋之疏密程度將影響資料之正確性，因此於應用前實有必要對各種檢測技術之適用性進行測試與驗證。前期研究成果顯示，以非破壞性檢測技術(包含透地雷達、敲擊回音、半電池電位等方法)應用於擋土牆及土（岩）釘設施檢測，透過物理模型及工址實際應用，均可獲得良好檢測結果，且檢測方法具良好之操作性及高經濟性，驗證方法可行性極高。惟研究結果亦顯示，上述非破壞檢測技術之方法及儀器設備仍有部份應用上之限制，需透過進一步之研究予以釐清或改進，以擴大其適用範圍。故本期研究目的係針對前期研究成果不足的部分，採用新穎檢測設備及資料處理方法進行物理模型驗證及工址實際應用，以期完備檢 5.

(32) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 測技術的應用範圍。其中應用於混凝土鋼筋擋土牆檢測範圍包含較密集排列的鋼筋探查、較小保護層的探查、鋼筋施工搭接位置及長度探查、第二三層鋼筋定位等。應用於土（岩）釘檢測範圍包含灌漿品質檢測等，並另外針對微型樁進行非破壞檢測方法應用評估。. 6.

(33) 第二章文獻蒐集及整理. 第二章文獻蒐集及整理. 第一節. 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。. 7.

(34) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 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。. 8.

(35) 第二章文獻蒐集及整理. 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）. 9.

(36) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 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】。. 10.

(37) 第二章文獻蒐集及整理. 圖 2-2 鋼筋 tomogram （資料來源：摘錄自張益喧， 2001）. 11.

(38) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 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、設計方法及施工機具、工法等研究發展均已完備，且大量應用於工程界，但對於施. 12.

(39) 第二章文獻蒐集及整理. 工品質檢驗、安全性檢測及功能耐久性等問題，極少提出作為探討的課題。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 (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 13.

(40) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 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). 14.

(41) 第二章文獻蒐集及整理. 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，惟其相鄰的空氣介質勁度與鋼棒性質相去甚大，其頻散效應可能較不明顯，與其他材料分析應用案例較為不同。圖 2-5 為鋼棒波傳行為數值分析結果頻散曲線。圖中縱軸為波速，橫軸為頻率。其中頻率在 100kHz 以下，鋼棒中縱波基本震動模態 L（0,1）具有最高傳波速度，均約為 5,100m/sec，可視為無頻散效應，所以應用在長度檢測時，此模態之底部回波應最早返回【Beard，2002】。. 圖 2-5 鋼棒頻散曲線 (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 15.

(42) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 一般敲擊回音法及超音波法檢測資料的底部回波頻率範圍多在 100kHz 以下，故亦屬縱波基本震動模態。超音波法大致上可稱為單頻波，波傳行為較為簡單，並無其他頻率干擾，敲擊回音法的暫態應力波屬多頻波疊加，且主要能量集中在 0 到 50kHz 間，若” 這群波”在鋼棒內具明顯頻散效應，則各頻率波將有不同的回波時間，最終將造成分離效應，在檢測資料上就難以挑選明顯波幅的時間間距。「DISPERSE」係為有限元素分析程式，專用於層狀模型的動態分析，以往曾經成功地應用於模擬金屬管線的震動模態，進而了解管路內部缺陷的影響。圖 2-6 為皇家學院 Beard 博士應用於岩釘的層狀數值模型，分別由鋼材料、灌漿材料（Epoxy）及圍岩材料組成。上圖為灌漿完全狀況時，即灌漿材料與鋼棒介面接觸完整時的數值分析模型，圖中簡單地將灌漿材料視為彈簧元素；下圖為考慮實際施工灌漿狀況下，漿液材料與鋼棒間的接觸因材料離析或施工不良，造成彼此間的接觸介面可能有空洞產生，故將灌漿材料與鋼棒介面的接觸狀況以另一個彈簧元素模擬，疊加後將造成彈簧效應折減。表 2-1 為數值分析所使用的參數，其中彈性模數（E）、密度、波速及博松比等一般的物理參數均可由查表得知；而衰減率則可由物理試驗結果概估，根據前人研究經驗，縱波（Longitudinal Wave）的衰減率小於橫波（Shear Wave），應力波在混凝土中的衰減又遠大於鋼棒。. 16.

(43) 第二章文獻蒐集及整理. 圖 2-6 前人研究數值模型 (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 表 2-1 數值分析參數. (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 17.

(44) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 圖 2-7 為數值分析結果之頻散曲線。其中鋼棒的直徑為 21.7mm，周圍漿液材料為 epoxy，厚度為 4mm，圍岩為 Limestone。圖中頻率在 100kHz 以下大致上僅存在 L（0,1）與 F(1,1)兩種震動模態，與裸露鋼棒波傳行為相似，其中縱波基本模態 L（0,1）在頻率約當 50 至 80kHz 範圍內具最高的波傳速度，且頻散效應不大，波速大約為 4,300m/sec，此值略小於裸露鋼的波速；但小於 30 kHz 之低頻部分，波速可能小於 3,000m/sec，且有嚴重頻散效應，亦即相鄰頻率的波速差異明顯，與圖 2-3 有明顯不同。對於敲擊回音法的暫態應力波而言，因波源為多頻波，且主要頻率集中於低頻，故在土（岩）釘內部傳遞時，各頻率的波群可能以不同速度前進，將造成波群分離，各頻率波先後到達，並無一致性的時間距，將影響判釋結果。. 圖 2-7 土（岩）釘頻散曲線 (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 18.

(45) 第二章文獻蒐集及整理. 圖 2-8 為數值分析結果之應力波衰減曲線。圖中縱軸為衰減率，代表彈性波每傳遞 1m 的衰減率，其中縱波基本模態 L（0,1）在頻率約當 60 至 70kHz 間，其衰減最小，衰減率約為 50，代表每傳遞 1m，應力波能量降低為原能量的 1/300，故對於 1m 長的岩釘而言，應力波的能量將衰減為激發能量的 1/90,000。在低頻部分的衰減更為嚴重，因此對於敲擊回音法的暫態應力波而言，其激發能量大多集中於低頻部分，故其回波相當微弱。能量衰減最大的因素為應力波經由鋼棒與 epoxy 的介面傳遞至圍岩中，材料本身造成的非彈性衰減效應較低。數值分析結果顯示：在灌漿完全條件下，土（岩）釘內部傳遞的應力波波速與頻率有相當大的關係，且由於能量衰減相當大，使得較低頻的回波能量微弱。. 圖 2-8 土（岩）釘應力波的衰減 (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 19.

(46) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 圖 2-9 為物理模型試驗結果。其中 20kHz 波源的試驗資料並無明顯的底部反射波。激發頻率大於 30kHz 之較高頻波源試驗資料顯示底部反射波明顯，根據其走時與模型長度，可反算求得其波傳速度約為 4,300 至 4,400m/sec 間。圖 2-9 中理論波速大致為 3,900 至 4,270m/sec 間，與實測值誤差均小於 10%，顯示該數值分析方法正確，分析結果準確率相當高。. 圖 2-9 物理模型試驗結果 (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 20.

(47) 第二章文獻蒐集及整理. 另為了解圍岩材料對於土（岩）釘波傳的影響，Beard 博士研究小組亦採用數值方法進行波傳速度變異的研究，進一步了解圍岩強度的改變對於岩釘內部傳遞波速及波傳能量衰減的影響。圖 2-10 顯示當圍岩強度增加時，在低頻部分（約小於 50kHz），土（岩）釘波傳速度將會降低，且小於 20kHz 以下的低頻波速度將會大幅降低，表示頻散效應更加明顯，各頻率回波將會接連出現，不利於檢測應用。惟此效應需在土（岩）釘灌漿完全且漿液強度足夠的條件下，大部分的應力波在鍵體與漿體形成的圓柱體內傳遞，如漿體強度與圍岩材料相似，則傳遞的範圍更大，故形成的整體回波速度更低。. 圖 2-10 土（岩）釘頻散曲線與圍岩強度的關係 (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 21.

(48) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 圖 2-11 顯示當圍岩強度增加時，低頻部分（小於 40kHz）之波傳能量衰減將會增加，表示應用應力波法進行檢測時，周圍材料為完整岩盤時之量測條件將遠比土壤者差，終將影響回波能量。但對於大於 40kHz 的高頻波而言，上述物理性質完全相反，波速將隨圍岩強度增加而提昇，而衰減率將隨岩強度增加而減少。本研究採暫態應力波作為波源，其能量多集中於低頻部分，故不利於檢測裝設於完整岩盤且灌漿完全的岩釘。上述回波衰減之主要成因為應力波逸失至周圍岩盤造成。當周圍岩盤材料與灌漿材料、鍵體材料強度相近時，各材料間形成之物理差異性不明顯，故應力波在介面形成之反射能量極小，最終造成回波微弱。. 圖 2-11 土（岩）釘應力波衰減與圍岩強度的關係 (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 22.

(49) 第二章文獻蒐集及整理. 圖 2-12 顯示大致上當灌漿材料強度增加時，回波波速將會降低，且小於 40kHz 以下的低頻波速度將會大幅降低，表示頻散效應更加明顯，各頻率回波將會接連出現，不利於檢測應用。前期研究灌漿材料採水泥砂漿，水灰比分別為 0.5 及 0.6，根據回波估算低頻波速約為 3,600m/sec，與裸露鋼筋波速相去甚遠，顯見有明顯頻散效應，惟因高頻波能量大多已耗散，故未干擾低頻波訊號。上述回波速度降低之主要成因為應力波在灌漿材料與鍵體材料形成之柱狀體中傳遞造成。當灌漿材料、鍵體材料強度相近時，材料間形成之物理差異性不明顯，又因灌漿材料之波速低於鍵體材料，故應力波之波傳速度為兩材料波速綜合效應，最終造成回波速度降低。. 圖 2-12 土（岩）釘頻散曲線與灌漿材料強度的關係 (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 23.

(50) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 圖 2-13 顯示當灌漿材料強度增加時，衰減率將會增加，但是當灌漿材料強度相當低時，在頻率約 20 至 60kHz 間幾乎無衰減效應，波速約為 4,500m/sec，顯示波傳行為相當接近裸露鋼棒。惟國外大多採樹脂砂漿作為灌漿材料，國內土（岩）釘灌漿材料大多為水泥砂漿，兩者材料性質有明顯差別，故水泥砂漿強度之影響仍值得進一步研究。一般而言，高頻波回波衰減較小，此乃因高頻波的波長相對於土（岩）釘幾何尺寸較小，對於材料介面之反應較佳，雖介面物理特性差異較小，對於高頻波而言，仍會形成波導（Wave Guide）作用，應力波被侷限在鍵體內部，僅少量逸失至周圍材料。但對於低頻波而言，波導作用已不存在，故大量逸失至周圍材料，形成嚴重衰減。. 圖 2-13 土（岩）釘應力波衰減與灌漿材料強度的關係 (資料來源：摘錄自 Beard,2002). 24.

(51) 第二章文獻蒐集及整理. 敲擊回音法相關研究美國聯邦高速公路局（the Federal Highway Administration）與州高速公路與運輸協會（ Association of State Highway and Transportation Officials）於 2002 年完成的 NCHRP REPORT 477 報告中曾應用敲擊回音法進行岩釘長度及錨固力檢測【NCHRP report 477】。應用案例係使用達 32 年的的預力型鋼棒型地錨，其設計長度為 8.5m，鋼棒表面有 epoxy 防銹塗層。圖 2-14 為三支不同地錨的敲擊回音法試驗資料，圖中標示的Δt 係波速採 5,500m/sec 計算求得的理論走時（約為 0.0031 秒），記錄中顯示 Bar-1 與 Bar-3 的回波資料較為明顯，Bar-2 的回波雖不清楚，但仍可判釋。圖 2-15 為三筆試驗資料之傅立葉頻譜，橫軸為頻率，縱軸為正規化振幅。三筆資料在小於 5kHz 以下的低頻部分較為相似，在 4 至 5kHz 之間有一明顯尖峰，應為感應器共震頻率，且三筆資料的特徵頻率間距並不明顯，除此之外，Bar-1 的主要震動頻率約在 16kHz，Bar-2 的主要震動頻率約在 13kHz，Bar-3 的主要震動頻率相當低，約在 3kHz 左右。根據前人研究結果：鋼棒的震動頻率與施加的拉力成正相關，故 Bar-1 的既存預力應為最大，Bar-3 的既存預力應為最小。上述試驗結果並無進一步之破壞試驗證實，惟該報告認為可採用此類方法進行地錨既存預力的初步分類。. 25.

(52) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 圖 2-14 敲擊回音法案例資料 (資料來源：摘錄自 NCHPR REPORT 477,2002). 26.

(53) 第二章文獻蒐集及整理. 圖 2-15 敲擊回音法案例資料頻譜 (資料來源：摘錄自 NCHPR REPORT 477,2002). 27.

(54) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 瑞典 Geodynamik 公司於 1980 年即研發出世界第一套岩釘非破壞檢測儀器「Boltometer」，專門用於檢測土（岩）釘灌漿施工品質，目前廣泛應用於歐美地區。該試驗方法與敲擊回音方法類似，試驗資料藉由分析進而推估岩釘長度與周圍漿液包覆狀態。該網站技術資料顯示，漿液材料為聚脂樹脂（polyester resin）時，可檢測岩釘長度達 10 公尺。對於水泥砂漿材料而言，檢測長度因水灰比不同而異，一般而言，水灰比為 0.5 時，可測長度約為 5 公尺，水灰比為 0.28 時，可測長度約為 1 公尺。環氧樹脂（epoxy）可測長度約為 1 公尺。該公司提出之灌漿品質評估參考準則分為四類等級，各類詳細說明參考表 2-2【王文禮等，1988】。該分類採定性描述，依反射波的明顯與否，判定其灌漿品質。因方法簡易，可作為大規模工程施工品質初步檢驗方法，但需輔以其他破壞方法進行驗證。然因波形研判見仁見智，若直接以研判結果進行推估，結果將因人而異，可能較不客觀。. 表 2-2 灌漿品質分級分類. 反射波特徵. A 無反射波. 灌漿品質最佳. B 微弱反射波. 灌漿品質尚可. C 大量反射波. 灌漿品質不夠. D 明顯反射波. 很差或無灌漿. （資料來源：摘錄自黃文等，1988）. 28. 灌漿品質評估.

(55) 第二章文獻蒐集及整理. 中國大陸諸多學術單位亦從事相關研究工作，其中中國礦業大學以高頻應力波檢測礦坑中錨桿長度與灌漿密實狀況，該研究成果包含研發完成專用硬體設備、試驗及評估方法，可快速進行錨桿施工質量評估工作。研究內容亦採用物理模型進行方法測試及驗證，試驗結果顯示錨桿底部反射波相當明顯，且有重複反射現象，檢測誤差不超過 5%。同時拉拔試驗結果顯示，以樹脂作為灌漿材料，在錨固長度達到 0.59 公尺時，即可達到 50 噸重（50kN）的設計錨固力。該研究綜合試驗資料，將應力波反射波形與漿液包覆長度（即錨固長度）的關係，歸納後提出施工灌漿品質分級準則，進行錨固力評估，並分為 A、B、C、D 等四類，各類詳細說明參考表 2-3 【朱國維等，2002】。該分類標準與前述方法類似（表 2-2），仍以波形研判結果作為評估依據，惟不同處在於其評估結果為錨固力與設計值的比較，較具工程應用價值。. 表 2-3 樹脂錨桿分級分類. 級別. 反射波特徵. 質量評估. A. 優. 無端底反射. 超過設計錨固力. B. 良. 微弱端底反射. 達到設計錨固力. C. 合格. 端底反射明顯. 稍低於設計錨固力. D. 不合格. 端底反射強，有多次底反錨固力小或無. （資料來源：摘錄自朱國維等，2002）. 29.

(56) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 中國大陸太原理工大學以反射波法進行錨桿錨固質量檢測研究，通過對端錨錨桿在激發應力波作用下，反射信號的時域及頻率域分析，獲得錨固長度、極限承載力及工作荷載等評估資料【李義等，2004】。本研究較特殊處在於分析振動頻率與荷載間的關係。根據前人理論研究，錨桿的荷載力與激發荷載作用下，系統的振動頻率（基頻）成冪函數關係。本研究藉由物理模型量測錨桿在各荷載條件下的應力波反應。試驗資料顯示振動頻率（基頻）與荷載有相當良好，試驗資料參見圖 2-16。該研究價值在於：若能標定荷載與基頻關係，則可藉由應力波的量測，評估錨桿荷載實際狀況，但進需先進行基頻與荷載標定工作。該報告選擇一工址進行實例測試，根據該文案例結果，該應用工址多數（90%以上）錨桿工作荷載不足其極限承載力的三分之一，此數據回饋設計單位後即進行局部設計變更，由原來錨桿間距的 800mm，改變為 1,000mm。. 圖 2-16 振動頻率（基頻）與荷載關係圖 (資料來源：摘錄自李義等 ,2004). 30.

(57) 第二章文獻蒐集及整理. 英國亞伯丁大學（Aberdeen University）與 AMEC 集團公司（AMEC Group Ltd）共同研發的「Granit : nondestructive Anchorage Testing and Monitoring System」係作為岩釘長度、灌漿品質及錨固力等施工品質或功能檢驗。其檢測方式包含現地試驗及資料分析，試驗方法與敲擊回音方法類似，記錄暫態應力波導入土（岩）釘後的反應波形，再以類神經網路模式比對既有資料庫，進而求得最佳解，可提供岩釘未灌漿長度及錨固力等評估資料，該既有資料庫係以數值模擬方式建立，目前該研發小組仍持續進行岩栓波傳模擬及分析工作，以廣泛地了解各種漿液包覆長度、錨固力等對應力波的影響，以建立完整資料庫內容，提供更準確的比對工作。本方法較為科學且客觀，但因該系統於近年內發展完成，目前尚無太多應用案例資料，故仍無法得知有效性與準確性。國內則於 2003 年開始進行以敲擊回音法應用於土（岩）釘埋設長度檢測之研發工作【葛文忠等，2006】【林喻峰等，2006】。研究內容包含數值分析、物理模型驗證及現地工址測試等。初步研究結果顯示： 1. 以裸露鋼筋進行試驗時，試驗資料雜訊較少，且有相當多個且明顯之底部重複反射波，相當容易進行研判。現地工址試驗資料，因受施工及灌漿因素，試驗資料雖仍可見底部反射波，但多有雜訊，增加研判困難度。 2. 完工土（岩）釘之承壓版及螺帽造成細長體土（岩）釘物理. 性質改變，形成暫態應力波的散射，嚴重干擾底部反射波。故進行試驗前，必須拆除承壓版及螺帽。. 31.

(58) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 3. 應用於灌漿錨筋長度檢測時，應先切除彎曲出露段及切斷連接鋼絲網，進行試驗時方可獲得底部回波。 4. 在強度較高的水泥砂漿包覆下，土（岩）釘出露段漿形成暫態應力波的區間重複反射，嚴重干擾底部反射波。 5. 土（岩）釘表面不平整嚴重影響記錄資料品質，故試驗前需以砂輪機進行磨平。. 上述非破壞檢測方法中，以透地雷達與敲擊回音法之應用範圍最為廣泛，且原理簡單、操作方便，可同時獲得多樣檢測資料供研判，在實務應用上最為經濟可行，故本研究採用為擋土牆及土（岩）釘檢測之主要方法，用以檢測擋土牆鋼筋保護層厚度、鋼筋搭接位置、鋼筋尺寸、深層鋼筋定位及土（岩）釘灌漿品質等，並採用物理模型進行系統化驗證，以了解方法操作性、可行性及資料解析度、正確性等。. 32.

(59) 第二章文獻蒐集及整理. 第三節非破壞檢測儀器設備. 本節簡介國內外常用之透地雷達、敲擊回音法等檢測儀器設備，並比較各廠牌設備之優缺點，以供參考。. 一、透地雷達因透地雷達應用範圍廣泛且原理簡單，故檢測設備之研發較為普及，近年來歐美及亞洲地區均有成熟商業產品問世。以下簡述目前世界上儀器發展現況。. 1、美國 GSSI 公司（Geophysical Survey Systems Inc.）係為專業透地雷達設備廠商，硬體設備研發具 30 年經驗，除研製一般透地雷達主機、天線、資料處理軟體等通用設備外（系統名稱為 SIR），並因應各種探查目的發展出特定探查設備，包含 StructureScan、UtilityScan、RoadScan、BridgeScan、HandyScan 及孔內探查天線（borehole antenna）等。應用範圍包含地質探查、管線調查、結構物檢測、古蹟遺址探查及地層污染範圍探查等。由於該硬體設備設計完善，可提供即時資料供現場研判，且具多種商用天線可供選用，頻率自 16mHz 至 1,500mHz 間，探測深度最大可達 35m，故大量用於工址探查。本設備於民國八十年間引進國內，目前包含工研院能資所、中興社、台灣大學、成功大學、海洋大學、嘉義大學、台電公司、中油公司、史前博物館、台灣高鐵公司及多所民間單位均使用作為研發、檢測及探查等用途。 33.

(60) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 照片 2-1 GSSI 透地雷達系統（資料來源：摘錄自 GSSI 公司網站 http://www.geophysical.com/）. 2、瑞典 MALA 公司發展雷達探查設備的歷史較為特別，首先於 1980 年開始研製孔內雷達探查設備，然後 1994 年才進入透地雷達硬體系統研發領域，目前系統名稱為 RAMAC。應用範圍包含地質探查、管線調查、結構物檢測、古蹟遺址探查及地層污染範圍探查等。該硬體設備較為特殊設計在於可提供多頻道應用，最多可使用 16 頻道記錄，大幅縮短現地探查時間，且具多種商用天線可供選用，頻率自 100mHz 至 1,600mHz 間，大量用於工址探查。國內自民國八十年間引進首套設備，目前包含台北科技大學、中正理工學院、中華大學、朝楊科技大學、成功大學、中興大學、高雄大學、華梵大學、水利署、港灣技術研究所、核能研究所及多所民間單位均使用作為研發、檢測及探查等用途。 34.

(61) 第二章文獻蒐集及整理. 照片 2-2 MALA 透地雷達系統（資料來源：摘錄自 MALA 公司網站 http://www.malags.com/）. 3、加拿大 Sensors & Software 公司於 1988 年開始研製透地雷達探查設備（EKKO），並因應各種探查目的發展出特定探查設備，包含 Archaeo-forensic System、Pipes & Cables System、Road & Bridge System 及 Shallow Structure Inspection System 等。該硬體設備較為特殊之設計在於發射與接收天線可獨立分開使用，故可採多種排列方式進行研究或探查工作，增加應用範圍。其商用天線亦有多種頻率可供選用，頻率自 110mHz 至 1,200mHz 間。國內自民國八十年間引進首套設備，目前包含中央大學、清雲科技大學、中正大學、台北市政府養工處、科學博物館及南區水資源局等多所單位均使用作為研發、檢測及探查等用途。. 35.

(62) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (二 ). 照片 2-3 EKKO 透地雷達系統（資料來源：摘錄自 Sensor&Software 公司網站 http://www.sensoft.on.ca/）. 二、敲擊回音法因敲擊回音法應用範圍廣泛且原理簡單，故檢測設備之研發較為普及，近年來歐美及亞洲地區均有成熟商業產品問世。. 1、美國 IEI 公司的敲擊回音檢測系統（Impact-Echo Instrument），係由美國康乃爾大學教授提供設計及技術支援，因其發展較早，世界各地均有使用者，國內亦有學術單位及民間公司應用於混凝土結構瑕疵及裂縫深度等研究發展及非破壞檢測工作。照片 2-4 為檢測儀外觀。系統組成單元為資料擷取器、筆記型電腦、位移訊號接收器、鋼珠敲擊器及訊號線等，應用時需較多連接線串聯各單元，且接收器體積龐大，系統總重量約為 13.6 公斤，故攜帶及操作均較為不便。. 36.