非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用(一)子計畫一：擋土牆非破壞性檢測技術之研究

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(1)非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用(一) 子計畫一：擋土牆非破壞性檢測技術之研究. 內政部建築研究所委託研究報告.

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(3) 094301070000G1003 PG9402-0236. 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用(一) 子計畫一：擋土牆非破壞性檢測技術之研究. 受委託者：財團法人中興工程顧問社研究主持人：陳錦清協同主持人：高憲彰研. 究. 員：葛文忠、李國榮、蔡政憲. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國九十四年十二月.

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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（I）. BY JIN CHIN CHERN HSIEN CHANG KAO WEN CHUNG KO KUO JONG LEE CHENG SHIAN TSAI December 20, 2005.

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(7) 目次. 目次. 表次......................................................................................... I I I 圖次......................................................................................... I V 照片次 ..................................................................................... VIII 摘要......................................................................................... I X 英文摘要 ................................................................................. X I I 第一章緒論..............................................................................1 第一節研究緣起與背景..............................................1 第二節非破壞性檢測技術於國內應用狀況.................2 第三節計畫目的及內容..............................................4 第二章文獻蒐集及整理 ............................................................5 第一節擋土牆相關文獻.............................................5 第二節非破壞檢測方法回顧與評估...........................7 第三節非破壞檢測儀器設備 .................................... 1 9 第三章非破壞檢測方法驗證 .................................................... 2 9 第一節非破壞檢測方法原理與設備.......................... 2 9 第二節擋土牆物理模型............................................ 4 5 第三節透地雷達試驗 ............................................... 5 3 第四節敲擊回音法試驗............................................ 8 5 第五節鋼筋腐蝕試驗 ............................................... 9 8 第六節混凝土強度試驗.......................................... 101 第七節驗證資料結論 ............................................. 105. I.

(8) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 第四章現地試驗工作............................................................. 107 第一節案例一試驗結果.......................................... 107 第二節案例二試驗結果.......................................... 128 第三節案例三試驗結果.......................................... 134 第四節現地試驗工作結論 ...................................... 142 第五章標準作業模式............................................................. 143 第一節透地雷達法應用於擋土牆探查 .................... 143 第二節敲擊回音法應用於擋土牆厚度檢測 ............. 152 第三節敲擊回音法應用於裂縫深度檢測................. 159 第六章結論與建議 ................................................................ 167 第一節結論............................................................ 167 第二節建議............................................................ 169 附錄一 ASTM C1383 試驗方法 ............................................. 171 附錄二 CNS 10732-A3199 試驗方法..................................... 181 附錄三擋土牆混凝土模型製作過程照片 ................................ 185 附錄四第一次專家座談會專家意見 ....................................... 191 附錄五第二次專家座談會專家意見 ....................................... 195 附錄六期中審查專家意見 ..................................................... 201 附錄七期末審查專家意見 ..................................................... 209 參考文獻 ................................................................................ 213. II.

(9) 表次. 表次. 表 2-1. 常用之邊坡安全監測儀器............................................7. 表 3-1. 擋土牆模型總表 ......................................................... 4 6. 表 3-2. 透地雷達試驗資料總表 .............................................. 8 3. III.

(10) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 圖次. 圖 3-1. 表面波速量測示意圖 ............................................ 3 8. 圖 3-2. P 波波速量測示意圖............................................. 3 9. 圖 3-3. 版厚及內部瑕疵檢測示意圖 ................................. 4 0. 圖 3-4. 裂縫深度檢測示意圖 ............................................ 4 2. 圖 3-5. 擋土牆模型示意圖-模型編號 A............................. 4 7. 圖 3-6. 擋土牆模型示意圖-模型編號 B............................. 4 8. 圖 3-7. 擋土牆模型示意圖-模型編號 C............................. 4 9. 圖 3-8. 擋土牆模型示意圖-模型編號 D............................. 5 0. 圖 3-9. 擋土牆模型示意圖-模型編號 E ............................. 5 1. 圖 3-10. 擋土牆模型示意圖-模型編號 F ............................. 5 2. 圖 3-11. A 模型透地雷達剖面（灰階） .............................. 5 4. 圖 3-12. 透地雷達剖面（wiggle 形式）............................. 5 6. 圖 3-13. 雷達波資料頻譜 ................................................... 5 7. 圖 3-14. A 模型透地雷達繞射訊號 ..................................... 5 8. 圖 3-15. 透地雷達繞射時間示意圖 ..................................... 5 9. 圖 3-16. 900MHz 透地雷達剖面比較（彩色） ................... 6 2. 圖 3-17. 400MHz 透地雷達剖面比較（彩色） ................... 6 4. 圖 3-18. B 模型透地雷達剖面（灰階） .............................. 6 5. 圖 3-19. B 模型透地雷達繞射訊號 ..................................... 6 7. 圖 3-20. B 模型透地雷達剖面（彩色） .............................. 6 8. 圖 3-21. C 模型透地雷達剖面（灰階） .............................. 6 9. IV.

(11) 圖次. 圖 3-22. C 模型透地雷達繞射訊號 ..................................... 7 1. 圖 3-23. C 模型透地雷達剖面（彩色） .............................. 7 2. 圖 3-24. D 模型透地雷達剖面（灰階） .............................. 7 3. 圖 3-25. D 模型透地雷達繞射訊號 ..................................... 7 5. 圖 3-26. D 模型透地雷達剖面（彩色） .............................. 7 6. 圖 3-27. E 模型透地雷達剖面（灰階） .............................. 7 7. 圖 3-28. E 模型透地雷達繞射訊號 ..................................... 7 8. 圖 3-29. D 模型透地雷達剖面（彩色） .............................. 7 9. 圖 3-30. F 模型透地雷達剖面（灰階） .............................. 8 0. 圖 3-31. F 模型透地雷達剖面（彩色） .............................. 8 2. 圖 3-32. 裂縫檢測資料（最短路徑法） .............................. 8 5. 圖 3-33. 裂縫檢測資料（相位法） ..................................... 8 6. 圖 3-34. 裂縫檢測資料（繞射時間法） .............................. 8 7. 圖 3-35. A 模型表面波速波形資料 ..................................... 8 8. 圖 3-36. A 模型頻譜資料（版厚） ..................................... 9 0. 圖 3-37. A 模型頻譜資料（內部瑕疵） .............................. 9 1. 圖 3-38. B 模型表面波速波形資料 ..................................... 9 2. 圖 3-39. B 模型頻譜資料.................................................... 9 3. 圖 3-40. C 模型表面波速波形資料 ..................................... 9 4. 圖 3-41. C 模型頻譜資料.................................................... 9 5. 圖 3-42. D 模型表面波速波形資料 ..................................... 9 6. V.

(12) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 圖 3-43. D 模型頻譜資料.................................................... 9 7. 圖 3-44. D 模型鋼筋腐蝕電位等值圖.................................. 9 9. 圖 3-45. E 模型鋼筋腐蝕電位等值圖.................................. 100. 圖 3-46. F 模型鋼筋腐蝕電位等值圖 .................................. 101. 圖 3-47. 混凝土反彈數與強度關係圖 ................................. 103. 圖 3-48. 混凝土波速與強度關係圖 ..................................... 104. 圖 4-1. 案例一擋土牆標準斷面圖 ..................................... 108. 圖 4-2. 案例一牆身主筋配置圖......................................... 109. 圖 4-3. 案例一擋土牆波速量測資料 ................................. 112. 圖 4-4. 案例一敲擊回音法檢測資料 A .............................. 114. 圖 4-5. 案例一敲擊回音法檢測資料 B .............................. 115. 圖 4-6. 案例一敲擊回音法檢測資料 C .............................. 116. 圖 4-7. 案例一敲擊回音法檢測資料 D .............................. 117. 圖 4-8. 案例一透地雷達測線 A 檢測資料（400MHz） ..... 120. 圖 4-9. 案例一透地雷達測線 A 檢測資料（900MHz） ..... 121. 圖 4-10. 案例一透地雷達測線 A 檢測資料（400MHz） ..... 123. 圖 4-11. 案例一透地雷達測線 B 檢測資料（900MHz） ..... 124. 圖 4-12. 案例一透地雷達測線 C 檢測資料（400MHz） ..... 126. 圖 4-13. 案例一透地雷達測線 C 檢測資料（900MHz） ..... 127. 圖 4-14. 案例二擋土牆標準設計圖 ..................................... 129. 圖 4-15. 案例二透地雷達檢測資料（900MHz）................. 131. VI.

(13) 圖次. 圖 4-16. 案例二透地雷達檢測資料（400MHz）................. 133. 圖 4-17. 案例三擋土牆標準設計圖 ..................................... 135. 圖 4-18. 案例三透地雷達檢測資料（900MHz）................. 137. 圖 4-19. 案例三透地雷達檢測資料（400MHz）................. 139. 圖 4-20. 案例三敲擊回音法試驗資料（一）....................... 141. 圖 4-21. 案例三敲擊回音法試驗資料（二）....................... 141. 圖 5-1. 透地雷達剖面說明................................................ 148. 圖 5-2. 透地雷達繞射時間示意圖 ..................................... 150. 圖 5-3. 暫態應力波檢測示意圖......................................... 153. 圖 5-4. 頻譜資料說明（一） ............................................ 157. 圖 5-5. 頻譜資料說明（一） ............................................ 158. 圖 5-6. 裂縫繞射波示意圖................................................ 160. 圖 5-7. 繞射波時間法說明................................................ 164. 圖 5-8. 繞射波相位法說明................................................ 165. VII.

(14) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 照片次. 照片 2-1. GSSI 透地雷達系統.............................................. 2 1. 照片 2-2. MALA 透地雷達系統............................................ 2 2. 照片 2-3. EKKO 透地雷達系統............................................ 2 3. 照片 2-4. IEI 檢測儀............................................................. 2 4. 照片 2-5. DOCter 檢測系統................................................. 2 4. 照片 2-6. PIES 檢測系統 ..................................................... 2 5. 照片 2-7. OLSON 檢測系統................................................. 2 6. 照片 2-8. Introsonic 檢測系統 ............................................ 2 6. 照片 2-9. iTECS 彈性波檢測系統 ........................................ 2 7. 照片 2-10 SINO-NDT-IE 檢測儀 ........................................... 2 8 照片 3-1. SIR2000 透地雷達主機 ........................................ 3 2. 照片 3-2. 透地雷達天線 ....................................................... 3 3. 照片 3-3. 反彈錘儀器設備 ................................................... 4 4. 照片 3-4. 腐蝕電位檢測過程................................................ 9 8. 照片 4-1. 案例一擋土牆外觀................................................ 110. 照片 4-2. 案例一擋土牆回填濾層......................................... 110. 照片 4-3. 案例一透地雷達試驗過程 ..................................... 111. 照片 4-4. 案例一敲擊回音法試驗過程 ................................. 111. 照片 4-5. 案例二擋土牆外觀................................................ 129. 照片 4-6. 案例二透地雷達試驗過程 ..................................... 130. 照片 4-7. 案例三擋土牆外觀................................................ 135. 照片 4-8. 案例三透地雷達試驗過程 ..................................... 136. VIII.

(15) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：擋土牆、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擋土牆品質檢驗，就目前檢測技術中選擇較適用者辦理進一步之驗證測試，包括透地雷達、敲擊回音法、反彈錘法及鋼筋腐蝕檢測等技術，並針對上述各項檢測方法，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牆品. IX.

(16) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 質檢測之可行性、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。三、重要發現（一）透地雷達可有效及準確地進行表層鋼筋位置探查，定位誤差約在 10%以內，另採用雷達波平均波速進行鋼筋保護層厚度推估，誤差約為 20%以內，若採本研究提出之繞射波時間差法，檢測誤差可大幅降低在 10%以內，。（二）透地雷達應用於擋土牆厚度檢測結果誤差較大，可能係由於混凝土材質與土層材質電性參數差異不大，導致雷達波反射微弱，造成較明顯之人為研判誤差。（三）敲擊回音法可有效及準確地進行混凝土表面裂縫深度檢測、擋土牆厚度檢測及混凝土內部缺陷檢測等；惟檢測方法受表面材質影響甚鉅，應用範圍不如透地雷達廣泛。（四）反彈錘法及波速法雖可用以了解擋土牆混凝土強度分布異常狀況，但需引用適當轉換參數以評估混凝度單壓強度，方可提高資料正確性。（五）腐蝕電位法施作快速簡便，檢測資料可提供初步擋土牆混凝土內部鋼筋腐蝕分布範圍。四、主要建議事項短期立即可執行之建議主辦機關：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（一）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。. X.

(17) 摘要. （二）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。長期研究方向主辦機關：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（一）目前國內相關硬體設備尚無法進行第二層鋼筋定位，惟根據原廠資料顯示，近年來由於透地雷達儀器軟硬體設備發展快速，第二層鋼筋的定位已屬可行。若上述成真，則將大幅增加透地雷達的應用範圍，惟此部份仍需待實測資料驗證，此課題值得進一步研究澄清。（二）國外橋樑檢測應用案例發現，透地雷達資料中，鋼筋繞射波與腐蝕現象似乎有相關性，此課題值得進一步研究澄清。. XI.

(18) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). ABSTRACT Keyword:. retaining wall, NDT, GPR, Impact Echo. The main purpose of this project is to assess the feasibility of non-destructive technology on the safety investigation of retaining wall. The GPR technology and IE method were adopted as the major survey tools in the study. These methods were applied in the investigation of rebar location, concrete cover thickness, wall thickness, interior defects and crack depth. 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 rabar. The positioning error is within 10% in rabar spacing and within 20% in concrete cover thickness. If the diffraction time shift method was adopted for estimating concrete cover thickness, the error is significantly reduced to 10%. 2. The deviation was more obvious in estimating the concrete thickness with GPR. It may be mostly due to the artificial error. The low impedance contrast between concrete and soil results in weak reflection wave. The weak signal in the GPR profile made the judgement and interpretation be difficult. 3. The IE method is an effective and accurate tool to investigate the crack depth, wall thickness and interior defects. While the property and relief of the wall surface strongly affected the in-situ test, the application field is thus more restricted than GPR. 4. The rebound hammer and wave velocity method could be a guide for estimating the concrete strength. However, the proper database is very important for the test data conversion. 5. The half-cell potential method is an economic and fast method. The data could provide the probability area of rebar rust in the retaining wall.. XII.

(19) 第一章緒論. 第一章緒. 第一節. 論. 研究緣起與背景. 台灣由於多險峻山川，且位於地震頻繁的板塊活動交界處，地質條件普遍欠佳，加上豐沛的雨量，及位處每年太平洋颱風可能行經之路徑範圍，導致坡地社區發生災害的風險遠較平地地區為高。自 60 年代後，隨著社會及經濟的發展，山坡地社區的開發案大量增加，挖填整地規模亦越來越大，加上規設與施工良莠不齊，致近年來坡地社區之災害時有所聞。為確保山坡地社區住戶生命財產之安全，實有必要建立山坡社區之安全檢查制度與技術，以有效查知及掌握可能存在之安全問題。目前國內對於山坡地開發利用之法規、規劃、施工技術及暨有山坡地社區之安全鑑定、救災、監測技術與風險管理等課題已有相當之研究成果。惟先前之研究雖已訂定山坡地社區安全鑑定之工作項目，但多屬目視檢查結構外觀之不正常跡象，並未建立相關檢測技術之工作方法，亦未就檢測技術進行彙整及驗證，故有必要對各種檢測技術之適用性作進一步之研究。因此，彙整及開發適當之技術並訓練專業技術人員，確實執行山坡地社區之安全檢測及評估工作，以落實山坡地防災之精神，應為山坡地社區災害防治現階段之重點工作。由於山坡地住宅開發之特色在於藉由大量的開挖及填土等方式來改變山坡地原有地貌，以達到爭取土地利用之目的，因此常須使用各種擋土設施來維持邊坡的穩定。擋土設施既為山坡地社區維 1.

(20) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 持邊坡穩定最常見之措施，其施工是否確實，或是長期使用後是否有異常狀況發生即成為山坡地社區潛在之安全問題之一。當人為之擋土、護坡設施或因使用年限長、疏於維護、排水不良等原因，導致功能降低甚至失效時，即可能鑄成重大災害。因此，如何查知及掌握擋土設施可能存在之安全問題，預先擬訂適當之因應計畫或補強措施，即為有效降低山坡地社區災害風險之重要課題。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。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。. 第二節. 非破壞性檢測技術於國內應用狀況. 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 2.

(21) 第一章緒論. 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。例如楊潔豪等曾應用透地雷達探查機場混凝土跑道鋼筋量、厚度及背填空洞等，這些探查數據係為施工單位進行修補的重要參考資料。中興工程顧問社亦曾應用非破壞性檢測技術於多項安檢計畫之現地探查工作，包括應用 GPR 硬體設備進行多項探查工作，如地質構造、地下管線定位、河床深度等之調，以及機場跑道、水工結構物及隧道襯砌等混凝土結構物之鋼筋量及位置、混凝土厚度及背填空洞位置等探查工作；以施密特錘、波速法及鋼筋腐蝕電位法來檢測混凝土結構之老化情形；採超音波法、敲擊回音法探測裂縫深度及結構物內部缺陷。在鋼筋探查及定位方面，除透地雷達外，一般簡易金屬探測儀亦可用來作為鋼筋定位探查，藉以瞭解鋼筋位置及進行數量計算，但其應用範圍有限、資料解析度較差且無法提供深度資料，故較少應用於重要結構物探查。近來國內學者亦嘗試應用敲擊回音法（Impact Echo）作為鋼筋定位探查，但就施測方便性與施測速度而言，仍不若透地雷達。至於結構物混凝土老化之檢測，一般係以反彈錘法（Rebound Hammer）或波速量測進行試驗，據以估計混凝土破壞強度，其中反彈錘法操作較為簡易，不需特別訓練即可從事檢測工作，但資料精度較差；波速法為較新的方法，資料精度較高，但因需要波速與強度關係資料庫作為依據，因此需先建立或蒐集相關資料庫，故應用性較為侷限。至於混凝土表面裂縫深度檢測，傳統非破壞性檢測方法為超音波法（Ultrasonic），但因其受混凝土粗骨材造成高頻波散射嚴重，導致準確度不足，且其探深能力有限，近年來逐漸被準確度較高之敲擊回音法所取代。中興工程. 3.

(22) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 顧問社曾應用自行研發硬體設備，廣泛進行壩體、隧道襯砌及橋樑等重要結構物裂縫深度檢測，並獲致良好成果。. 第三節. 計畫目的及內容. 由於非破壞性檢測方法所應用的介質不同，故有不同的適用範圍及應用標準，此外就材料、使用環境、位置而言，也都有其限制性，因此需對檢測方法及應用目的進行系統性了解及測試，方可完全了解檢測方法的實用性及檢測資料的準確性。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介電性質之材料界面處發生部份反射，藉由接收及處理反射訊號所構成之雷達波剖面，可用來描述結構體內部構造。但針對此資料的研判及解釋，如反射訊號之強弱、材料之不均質性、鋼筋之疏密程度等，大多依賴前人累積之經驗、理論公式及檢測人員個人研判，較缺乏物理模型進行適用性研究及驗證，以了解資料解析度及正確性。本計畫目的係針對擋土牆可能破壞模式，就目前檢測技術中選擇較適用者辦理進一步之驗證測試，包括透地雷達、鋼筋腐蝕檢測、施密特錘、及敲擊回音等技術，並針對上述各項檢測方法，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牆品質檢測之可行性、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，建立檢測技術標準作業模式，以供工程界參考。. 4.

(23) 第二章文獻蒐集及整理. 第二章文獻蒐集及整理. 第一節. 擋土牆相關文獻. 山坡地開發工程中，為維護開挖或回填邊坡之穩定，所構築之結構物，通稱為擋土設施，是坡地社區安全的第一道防線。一般可分為擋土牆、排樁、沈箱、格樑護坡、蛇籠、地／岩錨、岩栓，以及土釘等等工法。其中擋土牆又可分為扶壁式擋土墻、懸臂式擋土牆、重力式擋土牆、半重力式擋土牆、三明治式擋土牆、駁坎等。而近年來相關研究則多著重在追求具更佳抗震能力之擋土牆工法之研發，如加勁擋土牆之設計、加勁材料(如土釘、地錨、鋼材或排樁等)之探討等，而對於老舊擋土牆之安全檢查相對較不受重視。但自從民國 86 年林肯大郡發生災變後，對於坡地安全之檢討聲四起，而追究坡地建築破壞因素中，可大致分為下列幾項：（1）選址不當；（2）排水不良；（3）擋土牆不良；（4）建築基礎強度不足；（5）建築物外牆兼作擋土工之用；（6）偷工減料等。其中除了開發前選址不當之破壞外，其它因素均與建築物結構體（如擋土牆）之設計或完整性有關，顯見擋土牆之功能是否發揮與山坡地社區之安全有極大關係。. 5.

(24) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 目前國內對於山坡地開發利用之法規、規劃、施工技術及暨有山坡地社區之安全鑑定、救災、監測技術與風險管理等課題已有相當之研究成果。其中擋土牆設施由於與自然環境緊密接觸，而這些大地保護設施通常會在坡地災變發生前先有癥兆，例如擋土牆傾斜、排水溝龜裂、錨頭脫落、排水異常，以及落石等現象。因此先前之研究所訂定山坡地社區安全鑑定之工作項目，大多著重於日常目視檢查或輔以安裝長期監測儀器（常用之長期監測儀器請參見表一）進行安全預警，但對於擋土牆厚度及鋼筋量是否足夠、土（岩）釘長度、銹蝕與否及灌漿是否確實、地錨長度及預力是否與設計相符、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，而相關課題目前除地錨及土釘【之長度、銹蝕與否及灌漿是否確實等檢測技術有較多之研究外，並未對於擋土牆混凝土牆身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問題之檢測技術進行適用性及可行性之研究。因此，在下一節中將對適用於混凝土結構體之非破壞檢測技術進行彙整及評估。. 6.

(25) 第二章文獻蒐集及整理. 表 2-1 常用之邊坡安全監測儀器應用範圍. 儀器名稱. 功能及用途說明. 土中土壓計量測土體所受之土壓力。閉口式水壓量測土/岩體之地下水位變化之監測，有氣壓式與電子式兩種計型式。土岩中伸縮量測土/岩體內部位移變化。儀. 土/岩體. 地震儀. 量測地震力或結構體受地震之反應，適時預警、防止地震二次災害。. 傾斜儀. 監測土岩層邊坡和擋土牆之側向變位量與滑動深度。. 壁體土壓計量測擋土壁體所受之側向壓力。壁體水壓計量測擋土壁體所受之水壓力。鋼筋應變計結構體. 量測擋土牆或結構體鋼材之長短期應變，確保結構體處於安全狀況。. 混凝土應變量測擋土牆或結構體混凝土之長期應變，確保結構體處於安全計狀況。地錨荷重計監測擋土牆或邊坡上地錨之受力情形。壁體傾斜儀用於監測房屋或擋土牆之傾斜程度。. 土石流. 振動計. 量測土石流引起之震動，適時警告下坡居民。. 聲音計. 量測土石流引起之不尋常聲音，適時警告下坡居民。. 第二節. 非破壞檢測方法回顧與評估. 本節針對擋土牆混凝土強度、厚度、表面裂縫深度、內部缺陷、背填空洞、鋼筋定位及腐蝕等檢測應用分別進行檢測方法回顧與評估。. 7.

(26) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 目前較常應用於土木工程界，包含公共工程及一般建築應用的非破壞方法相當多，這些檢測技術多採用物理方法作為量測工具，包含聲波、彈性波、電磁波、X 光照相、光纖、雷達波、光學量測及壓電材料的應用等。以下就各項應用領域說明適用之檢測技術。. 一、混凝土強度檢測方法一般常用之混凝土強度檢測方法包含拉拔試驗法（Pullout Test）、拔出試驗法（Pull-off Test）、貫入抵抗法（Penetration Resistance）、彎裂試驗法（Break-off）、成熟度法、試體單壓試驗法、反彈錘法(Rebound Hammer Test)及波速法等，各種方法均有其適用性及優劣處，惟其中非破壞性檢測方法僅有反彈錘法與波速法，其餘方法均會對於待測物體造成大小不同程度的破壞。 1、反彈錘法反彈錘法(Rebound Hammer Method)又稱為衝錘法，此法係由瑞士工程師Schmidt 於1948年研發用於測定老舊結構物混凝土強度，目前此法已被列入ASTM C805及CNS 10732等標準檢測規範。反彈錘法主要是利用衝錘帶動衝擊棒以撞擊混凝土表面，然後利用衝錘的反彈數(Rebound Number)來求得混凝土表面的硬度，並來推測混凝土抗壓強度。一般儀器廠商均提供反彈值與強度對照表，以作為試驗值與強度之轉換關係，但仍需注意其適用性。本法優點在於試驗方法快速、簡單，儀器操作及攜帶輕便，可在短時間內獲得大量試驗資料，且試驗時僅對混凝土表面進行輕微處理，如刮除粉刷層及磨平等表面處理，並不會對老舊結構物造成破壞。但反彈錘法也常因現地混凝土骨材種類、潮濕狀況及老化因 8.

(27) 第二章文獻蒐集及整理. 素等影響，造成試驗值離散性較大，準確度降低，以下簡述影響因素：（1）試驗表面較為粗糙或為粉刷層時，衝擊端會對混凝土表面產生擊碎作用，導致反彈值變小，故試驗前需以砂輪將粗糙的表面磨成光滑後，再進行測試。（2）反彈錘法僅能檢測到混凝土表層附近強度，並不代表內部強度，若混凝土表面有碳化現象存在，將導致測值偏高。（3）水泥種類不同將影響測試結果。前人研究發現，相同反彈數的高含鋁水泥混凝土與普通波特蘭水泥混凝土，強度差可達兩倍。（4）粗骨材使用種類亦影響試驗結果。不同的來源易造成不同結果。使用儀器廠商提供之反彈值與強度對照表，需了解其混凝土強度、骨材種類與來源等資料，方能合理地運用。（5）反彈錘與試體表面間之夾角會導致估算混凝土強度時的誤差，正確的試驗方法是反彈錘與試體表面應為垂直，但實際執行時，或多或少會有點偏差，而導致誤差。綜合上述而言，反彈錘法為一種非常簡單的試驗方法，提供大區域範圍內混凝土相對強度的均勻性分布，快速進行結構物品質研判。但因影響混凝土表面強度的因素過多，試驗結果僅能作為參考，不可作為絕對憑據。 2、拉拔試驗法拉拔試驗法係以拉拔預先埋藏在混凝土試體或結構物中之. 9.

(28) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 金屬螺栓以進行極限強度測定，此法已被列入 ASTM C900 標準檢測規範。本法操作性佳，且由現地混凝土強度試驗與驗證資料證明，以拉拔試驗進行混凝土強度評估具有極佳之準確度，結果可信度極高，且受混凝土配比不同之影響極小，不需額外建立各種配比之關係曲線，因此適用性較高。但試驗過程需預埋或鑽孔埋設試驗鐵件，造成局部破壞，此為其較大缺點。 3、拉出試驗法拉出試驗法係於混凝土表面黏結一個圓鋼盤，再施加拉力於圓鋼盤上，直至混凝土破壞，並由率定之關係曲線推估抗壓強度，此法已被列入 BS1881-Part207 標準檢測規範。本法資料準確度較高，且操作較為簡易，但缺點在於試驗過程造成局部破壞，且試驗結果之解釋需依賴有效之關係曲線。 4、貫入抵抗法貫入抵抗法係由高壓槍械設備將探頭打入混凝土中，並由貫入深度藉率定曲線推估混凝土強度，此法已被列入 ASTM C803 標準檢測規範。本法儀器簡單、耐用且操作簡便，但因混凝土粗骨材種類及含量嚴重影響試驗結果，對於強度推估較不精確。 5、波速法波速法係量測混凝土內之超音波傳波速度，再由率定曲線推估混凝土強度，此法已被列入 ASTM C597 標準檢測規範。本法因儀器輕便、攜帶及操作簡易，可在短時間內取得大量資料，近年來已大量應用於國內混凝土結構物安全檢查工作。但本法易受混凝土表面狀況、粗骨材及溼度變化等影響檢測結果，以下簡述影響因素：. 10.

(29) 第二章文獻蒐集及整理. （1）超音波探頭需與混凝土表面緊密接觸，通常試驗時在混凝土表面塗抹凡士林等偶合劑，增加導入混凝土之波傳能量。但若混凝土表面過於粗糙或起伏過大，致探頭與混凝土表面無法緊密接觸時，將影響試驗資料之品質，故需先以砂輪機進行磨平。針對上述缺憾，目前國外許多學術單位進行非接觸性超音波探頭之研發，初步成果顯示可成功地進行金屬材料特性探查，惟應用於不均質之混凝土材質，其適用性尚有待驗證。（2）由於混凝土內部粗骨材造成高頻超音波散射（Scattering），影響直達波路徑及能量的傳遞，造成檢測誤差。（3）因內部鋼筋之傳波速度遠大於混凝土之傳波速度，故在鋼筋密集區域，超音波極可能沿鋼筋路徑傳遞，造成檢測結果偏高。（4）目前市售之超音波探查設備大多無示波器，亦無儲存波形記錄，對於檢測結果之正確性無法進行檢驗。（5）應用於巨積混凝土時，因骨材尺寸較大，需以較大探頭及施測間距進行試驗，以求取平均波速。惟因超音波能量較小且容易衰減，因此往往無法獲得合理檢測結果。 6、敲擊回音法近年來敲擊回音法被廣泛應用於混凝土內部瑕疵及表面裂縫深度等檢測工作，由於工作方法係採用彈性波（暫態應力波），故亦可用於檢測材料波速作為強度評估之用，其特點為：（1）暫態力波雖稱為寬頻波（Broad band），但低頻強度較. 11.

(30) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 大，故不易受粗骨材影響，作為波速量測方法，試驗誤差較小。（2）波源激發係採機械方式，故可因應檢測目的，選用大小不同的激發設備。如一般結構物檢測可使用能廖較小的小鋼珠敲擊器，而巨積混凝土檢測則採用大鐵鎚以產生較大能量。（3）接收器與混凝土表面為點狀接觸，不需使用偶合劑，混凝土表面狀況對資料品質影響不大。（4）根據土壤水泥混合物特性研究試驗資料，敲擊回音法波速較超音波速低 10%左右，但與材料強度仍有相當好的線性關係（中興社湖山水庫工程計畫試驗資料）。另較高強度的混凝土試體研究顯示，敲擊回音法波速與超音波速相近，且與材料強度有相當好的指數線性關係。（5）本法之強度率定曲線較少，故應用前，仍需藉試體建立強度與波速關係。目前國內部分重大工程，已於施工期間開始進行率定曲線建置，以期作為日後安檢工作之基本資料。材料波速量測方式可分為兩種，一為穿射法，二為表面法。穿射法係將發射端及接收端裝設於試體兩側，量測壓縮波在試體內部直達波走時，例如混凝土圓柱試體波速量測；表面法係將發射端及接收端裝設於試體相同側，量測壓縮波在試體表面直達波走時，例如大壩溢洪道混凝土波速量測。一般而言穿射法量測資料壓縮波波訊較為明確，所得波速結果較為合理；表面法量測資料中，因大多為表面波（R 波），壓縮波波訊較不明確，較不易. 12.

(31) 第二章文獻蒐集及整理. 獲得合理結果。近年來敲擊回音法亦應於混凝土表面老劣化程度研究，該研究方法係於混凝土試體表面切割多重裂縫，再量測混凝土表面波（R 波）振幅的衰減率，作為評估混凝土表層微細裂縫範圍，進而推估混凝土表面老劣化程度，惟目前仍處於研發階段，尚無實用成果。. 二、擋土牆厚度及內部缺陷檢測方法混凝土結構物，包含版、梁、柱及擋土牆等厚度及內部瑕疵檢測常用方法包含敲擊回音法、透地雷達法及聽音法等。 1、透地雷達法（Ground Penetrating Radar；簡稱 GPR）透地雷達法係應用發射高頻電磁波進入混凝土結構物，在混凝土內部空洞位置或土層界面，電性介質改變處，發生反射返回表面，藉由天線接收雷達波資料，經處理及分析、研判後，藉以推估混凝土結構物內部空洞範圍、深度及結構物厚度等（詳 3.1 節）。近年來大量應用於混凝土壩體內部弱面探查、隧道襯砌混凝土厚度檢測、機場混凝土跑道鋪面檢測等。透地雷達的特點為：（1）儀器操作簡便，短時間內即可獲得大量資料，即時進行現地研判，故本法具高效率性。（2）資料解析度高，可偵測出極淺層地下或結構體內埋藏物，目前高頻天線的發展，甚至可用於混凝土建築內電纜線位置探查。（3）目前軟硬體發展完備，可適用於各項探查工作。（4）雷達波反應受結構物內部材料變化、電性特性、含水量及周圍電磁場影響甚鉅，試驗前需慎選天線種類、設定 13.

(32) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 參數等，且檢測資料需經專業判讀。（5）一般透地雷達剖面中，均存在許多重複出現之水平一致訊號，或受混凝土厚度及內部缺陷之反射波所干擾，影響人為研判，造成檢測誤差，故應輔以局部破壞試驗或其他已知資料進行檢測結果驗證。 2、敲擊回音法（Impact Echo；簡稱 IE）敲擊回音法主要應用於偵測版狀混凝土結構（例如樓版、橋面版、牆、地下連續壁等）內部各種瑕疵，包含內部裂縫與孔隙、夯實不良之混凝土、預力套管內部因灌漿不良殘留之孔隙、瀝青混凝土內部之斷層及層狀版內含之裂縫與孔隙。敲擊回音法檢測優點在於資料處理及解釋方法簡易，且探查結果精確度高，但缺點在於施測速度較慢，且僅提供”點”的資料，對於大範圍結構物檢測，需以格點方式進行資料蒐集，以利最終資料解釋工作。因應力波易受邊界條件的影響，進行敲擊回音法試驗時需注意待測物的幾何尺寸，一般適用的混凝土構件尺寸，其長寬需大於厚度 3 倍以上。近年來之研究方向包含應用於立方體混凝土結構物內部偵測，及採用聚焦處理方法，以影像方式呈現內部缺陷分布等，其研究目的均為提高敲擊回音法之適用範圍。 3、聽音法除上述兩方法外，傳統聽音法（Sounding）亦為檢測混凝土內部空洞之方法。此法係以手錘敲擊混凝土表面，藉由回音研判內部空洞，已成為現地工程師檢驗混凝土灌漿品質之有效方法。此法較為快速簡便，但需由具相當經驗工程師執行，且回音易受干擾，無法反映小缺陷，其最大缺點仍在於無客觀數據記錄，可. 14.

(33) 第二章文獻蒐集及整理. 供重複檢驗。. 三、擋土牆表面裂縫深度檢測方法混凝土結構物，包含版、梁、柱及擋土牆等之表面裂縫深度檢測常用方法包含超音波法及敲擊回音法等。敲擊回音法與超音波法同樣是利用應力波動原理，對於裂縫深度的量測主要是根據應力波經由裂縫尖端繞射，再研判此繞射波到達接收器之時間，在已知的波傳路徑下，可推求裂縫深度。超音波傳遞因受混凝土粗骨材影響，檢測結果離散性較大，且能量較小，可檢測深度相當有限。而敲擊回音法則較不受粗骨材影響，可避免上述之缺憾，因此近年來，以敲擊回音法進行混凝土裂縫深度探查之技術發展逐漸成熟。在量測技術研究方面，新近發展出三種以暫態彈性波量測混凝土開口裂縫的方法，分別是相位法、繞射波傳輸時間法及反算法，其中反算法可用以偵測傾斜裂縫。中興工程顧問社研製出新型檢測儀，體積小、重量輕，僅需搭配單一接收器即可進行試驗工作，並曾成功地應用敲擊回音法於壩體溢洪道深裂縫的偵測，該裂縫檢測結果，深度超過 4m。且本法經由物理模型驗證，裂縫深度檢測誤差僅在於 5%以內。經由累積現地檢測經驗、改良現有設備及檢測方法，現研發出適用於巨積混凝土結構物之新型敲擊回音硬體設備，並獲得美國、台灣等地區專利，可加速現地檢測工作、減少所需人力，大量降低檢測時間及成本。. 四、擋土牆背填空洞檢測方法一般較為常見之混凝土結構物背填空洞檢測方法包含透地雷 15.

(34) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 達及紅外線熱感法等。目前國內較常應用的方法為透地雷達，大多應用於隧道襯砌及混凝土道路鋪面背填空洞之檢測，而紅外線熱感法國內應用案例則較為少見。. 五、鋼筋定位檢測方法一般混凝土結構物鋼筋定位多採透地雷達及渦電流（Eddy Current）方法，惟近年來敲擊回音法亦逐漸被應用於 RC 構件內鋼筋之定位。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，故常作為偵測混凝土內鋼筋分布位置，透地雷達施測測線需垂直待測鋼筋走向。透地雷達施測剖面中，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，鋼筋排列愈密集，且保護層厚度愈大，因雷達波繞射訊號互相干擾愈嚴重，因此較不易獲得良好之探查結果。惟透地雷達資料採數位方式儲存，可重複進行資料研判，且可應用數位資料處理方法，加強訊號強度，以提高訊號/雜訊比，增加資料解析度及可信度。 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，因鋼筋之存在引發交變磁場，進而感應產生旋渦 16.

(35) 第二章文獻蒐集及整理. 狀電流，稱為渦電流，這些渦電流亦感應交變磁場，因而改變拾取線圈(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，市場上部分設備甚至可直接顯示檢測結果，故使用者廣泛，但一般渦電流儀器設備無法記錄及儲存，故需於現地進行資料蒐集過程，即時進行資料解讀及研判，無法重新進行資料檢核。本法為電磁法之一種，故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。試驗結果顯示：在鋼筋較緊密排列下，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。. 六、混凝土劣化及鋼筋腐蝕檢測方法鋼筋混凝土結構物劣化及腐蝕檢測包含混凝土電阻探測、混凝土中性化深度檢測、混凝土氯離子含量試驗、鋼筋腐蝕電位、瞬間腐蝕速率檢測等。 1、混凝土中性化深度檢測新鮮混凝土由於含有氫氧化鈣而呈鹼性反應，當空氣中的二氧化碳逐漸入滲混凝土內部與氫氧化鈣反應呈碳酸鈣後，即失去鹼性，因此測量混凝土失去鹼性的深度即可瞭解中性化深度。混目前混凝土中性化深度檢測必須先鑽取混凝土試體，取出混凝土 17.

(36) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 圓柱試體後，將酚太試劑噴灑在混凝土表面，酚太為一酸鹼指示劑，在 pH 值大於 9.2 以上時，試劑顏會由無色轉為粉紅色。如果混凝土表面呈現粉紅色表示沒有中性化，假如仍保持原色，表示混凝土已經中性化。量測沒變色的長度即為中性化深度。 2、混凝土氯離子含量試驗混凝土氯離子含量試驗目的有二：一為用以研判氯離子含量是否超出國家標準容許值，目前大多採 CNS3093 規範含量為標準；二為研判來源。試驗時最好採不同深度分段試驗，方可獲得較準確分析結果，分析方法大多採美國 AASHTO-T260 分析方法。 3、筋腐蝕電位試驗鋼筋腐蝕電位檢測係使用一個高輸入阻抗的電位計，一端接參考電極（如硫酸銅），另一端接鋼筋，即可量得鋼筋腐蝕電位。依據 ASTM C876-85 標準，腐蝕電位在-350mv 以下，鋼筋腐蝕機率大於 95%，腐蝕電位在-350mv 至-200mv 間，鋼筋腐蝕機率大於 50%，腐蝕電位在-200mv 以上，鋼筋腐蝕機率小於 5%。本法使用上相當簡便，但僅能提供發生腐蝕的可能，無法提供腐蝕速率，且上述研判標準僅為經驗法則，在若干特殊情況下（如中性化混凝土）並不適用。為了解鋼筋腐蝕速率必須量測鋼筋電化學反應速度，量測方法包含：（1）DC 線性極化法（Linear Polarization Resistance；簡稱 LPR）（2）交流阻抗法（AC impedance）. 18.

(37) 第二章文獻蒐集及整理. （3）調和分析法（Harmonic Analysis）。近年來國內研究單位歸納試驗資料後提出簡易判定表。其中鋼筋電流小於 0.1μA/㎝ 2 時，表示 15 年內不會出現腐蝕現象；介於 0.1 至 0.5μA/㎝ 2 間，表示 10 至 15 年間可能出現腐蝕現象；介於 0.5 至 5μA/㎝ 2 間，表示 2 至 10 年間可能出現腐蝕現象；大於 5μA/㎝ 2 以上，表示 2 年內即可能出現腐蝕現象。. 七、綜合討論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檢測之主要方法，用以檢測擋土牆厚度、背填空洞、內部瑕疵、混凝土波速、內部鋼筋定位等，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。另輔以反彈錘及破壞試驗，以驗證混凝土強度檢測資料，及使用鋼筋腐蝕電位法了解腐蝕情形等。. 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。. 19.

(38) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 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 1500MHz 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。. 20.

(39) 第二章文獻蒐集及整理. 照片 2-1 GSSI 透地雷達系統. 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 1600MHz 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。 21.

(40) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 照片 2-2 MALA 透地雷達系統. 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 1200MHz 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。. 22.

(41) 第二章文獻蒐集及整理. 照片 2-3. EKKO 透地雷達系統. 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。. 23.

(42) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 照片 2-4. IEI 檢測儀. 2、丹麥 Germann 公司為專業儀器製造商，儀器種類繁多，應用範圍包含混凝土材料及結構完整性檢測。其中 DOCter 檢測系統，係採敲擊回音方法，專門應用於混凝土內部瑕疵及版厚等檢測。本系統組成方式與上述系統相似，需搭配筆記型電腦使用。唯一不同處在於本系統使用 PCMCIA 資料擷取卡，可裝設於筆記型電腦上，總重量僅為 4.5 公斤，故攜帶及操作較為方便，照片 2-5 為檢測系統外觀。. 照片 2-5. 24. DOCter 檢測系統.

(43) 第二章文獻蒐集及整理. 3、加拿大 Tekron 公司係為專業檢監測服務廠商，服務範圍包含以透地雷達及敲擊回音法進行結構物檢測。該公司發展的敲擊回音檢測系統（PIES），見照片 2-6，係採 PDA 取代筆記型電腦，可大幅減輕系統重量，且特別設計的工作背心，使得各單元可儲藏於背心口袋內，增加檢測人員移動便利性，但亦因系統單元分散，現地應用時需進行組裝，較為繁瑣。目前國內尚無此系統使用經驗。. 照片 2-6. PIES 檢測系統. 4、美國 OLSON 儀器公司為專業儀器製造商，其發展的 CGT 系列檢測儀，見照片 2-7，專門用於混凝土內部瑕疵檢測。該檢測儀優點在於主機體積小（相當於 PDA 尺寸），不需組裝，且具應力波自動敲擊設備，總重量僅為 2 公斤，故現地攜帶及操作方便，曾應用於國內高鐵混凝土帽梁施工品質檢測。且因資料分析軟體功能強，可進行各種濾波處理，提高資料可讀性。缺點在於檢測儀本身無法處理資料，必須將資料上傳至 PC 後，在 PC 25.

(44) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 上執行分析程式，故無法獲得即時檢測結果。. 照片 2-7. OLSON 檢測系統. 5、德國 develogic 公司發展的 introsonic 檢測系統採防水防震、觸控式螢幕、單一機體設計及自動敲擊裝置，使得現地試驗工作更為簡便，且該資料分析軟體功能強大，可將大量探查結果以平面或三維方式表現，照片 2-8 為檢測系統。本設備相當新穎，目前國內尚無此系統使用經驗。. 照片 2-8. 26. introsonic 檢測系統.

(45) 第二章文獻蒐集及整理. 6、日本 OEC 工程顧問公司 iTECS 彈性波檢測系統於 2001 年發展完成，曾於 2003 年年底來台展示及現地示範操作。該系統優點在於整合硬體設備成為單一機體，現地工作時無需再進行單元組裝；且資料分析軟體功能強大，可即時完成資料處理，提供檢測結果。該系統較為特殊處在於進行混凝土結構物表面裂縫深度檢測時，並未遵循傳統之繞射時間檢測法，而係採用相位法，故仍可以單一接收器進行檢測應用。照片 2-9 為檢測系統各單元。. 照片 2-9. iTECS 彈性波檢測系統. 7、中興工程顧問社於 2003 年研製國內第一套敲擊回音檢測系統 SINO-NDT-IE 檢測儀，並經過不斷的應用及改進，目前已完成第二代產品。本系統優點在於使用專利產品-可感測鋼珠敲擊器，使得傳統儀器採用的雙接收器配置減少一個，大幅降低儀器成本，且採用國內自製接收器，其尺寸遠小於進口設備，目前系統尺寸僅為 30x20x9cm，重量為 3.6kg。上述有利因素使得單人操作成為可行，大幅降低檢測成本。照片 2-10 為檢測儀。本檢測儀曾應用於國內水庫、隧道等安全檢查工作，包含巨積混凝. 27.

(46) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 土裂縫檢測、內部破損檢測及襯砌混凝土裂縫檢測等。. 照片 2-10. 28. SINO-NDT-IE 檢測儀.

(47) 第三章非破壞檢測方法驗證. 第三章非破壞檢測方法驗證. 第一節. 非破壞檢測方法原理與設備. 一、透地雷達 1、方法原理透地雷達法係應用數百伏特的激發電壓，產生頻率為 10 至 2500MHz、歷時為幾十億分之一秒（ns）的脈衝電磁波（雷達波），不斷地由發射天線向結構物表面發射，應用入射之雷達波遇結構體內或地層界面間介電常數（dielectric constant）有差異，造成反射雷達波之相位與振幅與原入射達波不同，在結構體表面（或地面）以接收天線感應反射雷達波，經處理及分析後，依其接收時間快慢、振幅衰減情形及由測點與反射時間構成之影像（稱透地雷達剖面），可描繪出結構體或地層內部狀況。因施測時不會破壞被測物體及其週遭環境，故為一種非破壞性的檢測方法。近年來由於儀器及電腦設備的不斷改進與更新，理論分析又趨於完備，使得此項技術達到更為廣泛實用的地步，應用範圍包含地層探查、地體構造判釋、地下水探查、古跡遺址探查、地下管線探查、鋼筋定位、道路鋪面調查等。透地雷達傳遞的訊號為高頻電磁波，經由結構體內（或地層內）反射至接收天線，電磁波反射時間差異與能量大小，主要由雷達波速與衰減率決定，此兩參數受介質電容率（permittivity）及導電率（conductivity）所控制。因多數地工材料或地層材料的電性變化較磁性變化為大，故雷達波傳遞受電性影響較磁性為 29.

(48) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 大。雷達波係為頻率在 10 至 2500MHz 間之電磁波，其在介質傳遞時，其速度（Vradar）為常數，並無頻散效應，可以下列公式表示。. Vradar =. C K ......................................... （3-1）. 其中： K 為相對電容率（relative permittivity）或稱為介電常數（dielectric constant） C 為光速（3．108m/sec）. 一般混凝土介電常數約自 6 至 10 間，空氣為 1，水為 81，土層介電常數變化較大，乾砂約自 3 至 6 間，飽和含水黏土約自 5 至 40 間。故雷達波在各介質內傳遞波速快慢不同，進行資料處理及解釋時需謹慎選擇合適之波速參數。雷達波在介質內或兩介質交界面，因介電常數差異而發生反射現象，反射率（r）與上下介質介電常數有關，以下式表示：. r=. K1-. K2. K1+ K 2 .................................. （3-2）. 其中： K1 為上層介質介電常數 K2 為下層介質介電常數 30.

(49) 第三章非破壞檢測方法驗證. 當上層介質介電常數較大時，r>0，表示反射波相位與入射波相位相同；反之，當上層介質介電常數較小時，r<0，表示反射波相位與入射波相位相差 180 度。介電常數的變化除影響反射波能量大小外，亦造成雷達波相位變化，例如雷達波入射混凝土結構物時，由於反射率小於 0，故反射波相位與入射波相位相差 180 度，亦即波形倒轉。透地雷達剖面中，除部分電子訊號外，大部分波訊來自介質內部之反射波，係為入射波經過介質內部傳遞後，在介電係數變化處發生反射，返回表面，被天線感應記錄而成。故其反射波傳遞距離恰為內部介質變化位置所在深度的兩倍，計算深度或厚度（D）時，需先將反射波波到時間（Tb）扣除表面波到時間（Ta），作為反射波雙程走時，再選用合適波速參數進行計算，以下式表示：. D = Vradar .. (Tb-Ta) 2 ........................... （3-3）. 一般最大解析度定義為波長的四分之一。雷達波入射頻率係為雷達波中心頻率，在介質中傳遞後，高頻部分衰減較低頻嚴重，故接收記錄中，雷達波中心頻率大多向低頻移動，波長增加，導致解析度較原先估計為低。目前商用儀器中，發射天線頻率多在 100MHz 至 900 MHz 間，但仍有少數儀器商發展更高頻或更低頻的天線。一般而言，進行結構物探查時，因探查深度較小且要求精度較高，多採較高頻天線，進行地質探查，因探查深度較大，多採低頻天線。由於高頻波易衰減的特性，探深能力與資料 31.

(50) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 精度無法同時滿足，因此需視個別案例情況決定。 2、儀器設備本研究採用美國 GSSI 公司 SIR2000 透地雷達主機作為檢測儀器，檢測系統包含控制主機及天線等。（1）控制主機：此控制主機為一整合式硬體，內含數位運算器、資料擷取器、硬碟及螢幕等，主要作為資料操控中心，藉由操控程式進行參數設定，將重複產生之電脈衝送至發射天線以產生雷達波，並同時接收由天線內感應之反射雷達波信號，此信號經內部晶片處理後，成為數位記錄顯示於監控螢幕上，供即時研判並儲存於內部硬碟中。主機外觀參見照片 3-1。本操控主機以光纖電纜與天線連接，光纖電纜長度為 30m，施測時，係先將主機放至於定位，一般約位於測線中心點，在將天線放置於測線之一端，俟主機啟動記錄後，即可將天線以等速沿測線移動，進行資料蒐集。. 照片 3-1. 32. SIR2000 透地雷達主機.

(51) 第三章非破壞檢測方法驗證. （2）天線：主機以掃描速率約 50KHz 左右頻率，重複發射雷達波至地下或結構體，同時接收由目標體或層面反射回之電磁波信號。天線產生之雷達波中心頻率有數種，大致在 80MHz 至 1000MHz 間。本研究採用兩種天線，中心頻率分別為 400 及 900MHz。天線外觀參見照片 3-2。. 照片 3-2 透地雷達天線. (400MHz). (900MHz). 3、檢測步驟（1）測線佈置依據欲探測之目標物之性狀，決定測線之走向、位置及間距，一般若目標物為線形時，測線方向規劃垂直於線形方向；而其他形狀待測物，測線規劃為縱橫格線，格線密度依待測物尺寸而定。進行鋼筋定位時，因資料準確度需求較高，一般均在混凝土表面以噴漆標示測線位置，再以 10cm 或其他間距進行標示，作為空間定位使用。 33.

(52) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). （2）設備組裝將主機、天線、電源及訊號電纜連接，並開機暖機進行功能測試。（3）天線測試依據待測物之大小以及深度，並考慮介質電性特性後選取適當頻率天線。一般在高壓電塔附近，或施測位置附近有廣播電台，透地雷達資料將受嚴重干擾，施測時需特別慎選天線頻率。（4）設定參數進行雷達波數位資料設定，包含記錄時間（Range）、採樣個數（Sample）、掃描速率（Scan Rate）、放大倍率（Gain）、濾波設定（Filtering）、介電參數等。（5）測試上述參數初步設定完成後，將天線置於待測物體表面並移動進行波形記錄，若雷達剖面中白色或黑色比率過多，表示反射強度過大或過小，需再行設定放大倍率，以使得各時間點波形記錄強度大約一致。（6）正式試驗將天線以等速沿測線移動，經過噴漆標示位置上方時，以天線手把上之標示器（Marker）輸入電子訊號，作為空間定位使用。（7）記錄除記錄雷達掃描資料於系統硬碟外，另需記錄天線移動度變化、施測物表面狀況，積水範圍及鄰近土層狀況、含水量等。. 34.

(53) 第三章非破壞檢測方法驗證. 二、敲擊回音法 1、方法原理敲擊回音法起源於 1983 年，由美國國家標準及科技院（National Institute of Standards and Technology）針對超音波法在混凝土材料應用上之限制（例如高頻波之散射衰減、激發能量不足及訊號辨識不易），加以改良，研究發展出一種利用較低頻率、暫態應力波傳原理之非破壞試驗法來偵測混凝土內部瑕疵之檢測方法。敲擊回音法乃利用機械性的敲擊方法將應力波引入測試的物體內，然後再利用位移訊號接收器（receiver），來接收因應力波被內部材質變化或瑕疵造成之反射波，此一位移波形可用來決定縱波來回敲擊表面與反射界面來回所需的時間，若波速已知，則可推求得到該界面的深度。敲擊回音法發展初期（1983-1991），主要應用於偵測版狀物混凝土結構（例如樓版、橋面版、牆、地下連續壁等）內部各種瑕疵，包含內部裂縫與孔隙；搗實不良之混凝土；預力套管內部因灌漿不良殘留之孔隙；瀝青混凝土內部之斷層及層狀版內含之裂縫與孔隙。在進入 1990 年代後，敲擊回音法之應用則趨向多元化，其中包含桿狀結構（例如梁、柱、混凝土樁）內部裂縫、孔隙與蜂窩之偵測、隧道混凝土襯砌內部瑕疵之偵測、混凝土結構粘結品質之檢測等。近年來儀器配置由單一接收器改為雙接收器，同時可在時域與頻率域進行訊號分析，對於混凝土表面裂縫開裂深度之測定，亦有重大發展。由於不斷累積研究成果，已使敲擊回音法成為全方位之混凝土結構品質檢測技術。其中有關鋼筋混凝土版之厚度量測已被納入 1998 年 ASTM 試驗標準. 35.

(54) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). （ASTM C-1383）。. 2、儀器設備因多數傳統設備體積過大，單元較為複雜，現地應用時組裝且需多人協助試驗進行，不僅現地試驗需時較久，且檢測成本較高較不經濟。而中興工程顧問社 SINO-NDT-IE 檢測儀搭配可感測鋼珠敲擊器，可簡化儀器配置，現地試驗較為經濟省事，且資料精度甚至超越國外類似儀器設備，故採用作為本研究試驗設備。SINO-NDT-IE 檢測儀有以下特徵：（1）可感測鋼珠敲擊器敲擊器內含感應裝置，可感測敲擊時間原點。鋼珠敲擊器尺寸分別為3、5、7及9mm。（2）電路盒用以記錄激發應力波時間零點。搭配手錘使用，應用於巨積混凝土檢測。（3）訊號接收器屬單一接收器，接收器接收混凝土表面位移之類比訊號。（4）AD轉換器將敲擊器與接收器接收之類比訊號轉換成數位訊號。（5）資料擷取系統擷取數位訊號，並透過電腦主機及螢幕，直接顯示測試資料於電腦螢幕，供現場即時研判。. 3、檢測步驟（1）設備組裝 36.

(55) 第三章非破壞檢測方法驗證. 將電腦、AD 轉換器、敲擊源、接收器及訊號電纜連接，並開機暖機進行功能測試。（2）檢測應用依檢測目的分別進入不同電腦程式及進行不同儀器配置。其中關於混凝土版厚及內部瑕疵檢測，美國 ASTM C1383 有非常詳盡的說明與規範，參見附錄一。以下簡單敘述各項目之檢測步驟。. 4、檢測項目（1）表面波速量測 a、進行數位設定，包含記錄個數（Length）、時間間距（dT）、最大輸入電壓等。其中時間間距與資料解析度有關，間距愈小則解析度愈大；記錄個數則正比於資料佔記憶體之容量大小。記錄時間為記錄個數與時間間距之乘積，其設定值需大於應力波走時。應力波走時與混凝土材料波速及試驗間距有關，設定時需先保守寬估。最大輸入電壓係為波形強度之最大可記錄值，在相同其他參數設定下，如輸入較大應力波能量（如用力敲擊），則需設定較大電壓，以容納較大波形強度。 b、將接收器裝設於混凝土表面，並輕壓接收器使點狀感應器接觸混凝土。 c、在接收器位置附近，以可感測鋼珠敲擊器敲擊混凝土表面，敲擊點與接收器距離為 d，試驗配置參見圖 3-1。敲擊引發之暫態應力波採表面直線最短路徑到達接收器位置，故量測直達波走時，經簡單計算即可獲得相關材料 37.

(56) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). 波速。一般表面波量測可分別進行 P 波或 R 波波速的量測。. 圖 3-1. 表面波速量測示意圖. d. d、記錄敲擊波形及接收波形，並儲存於硬碟中。 e、進行暫態應力波波到時間研判。其中敲擊記錄中，應力波到時間為 Ta；接收記錄中，應力波到時間為 Tb。 f、混凝土波速（V）計算公式見下式：. V=. d Tb-Ta ....................................... （3-4）. （2）P 波波速量測 a、進行數位設定，包含記錄個數（Length）、時間間距（dT）、. 38.

(57) 第三章非破壞檢測方法驗證. 最大輸入電壓等。其中設定注意事項與上述設定相同。 b、將接收器裝設於混凝土試體一側表面，並輕壓使點狀感應器接觸混凝土。 c、在混凝土試體另一側表面，以可感測鋼珠敲擊器敲擊混凝土表面，敲擊點與接收器距離為 d，試驗配置參見圖 3-2。敲擊引發之暫態應力波採直線最短路徑到達接收器位置，故量測直達波走時，經簡單計算即可獲得相關材料波速。. 圖 3-2. P 波波速量測示意圖. d. d、記錄敲擊波形及接收波形，並儲存於硬碟中。 e、進行暫態應力波波到時間研判。其中敲擊記錄中，應力波到時間為 Ta；接收記錄中，應力波到時間為 Tb。 f、混凝土波速（V）計算公式參見 3-4 式。. 39.

(58) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). （3）版厚及內部瑕疵檢測 a、進行數位設定，包含記錄個數（Length）、時間間距（dT）、最大輸入電壓、混凝土設計版厚（或待測深度）等。其中記錄時間設定需遠大於應力波反射波走時，此與混凝土材料波速及待測深度有關。 b、將接收器裝設於混凝土試體一側表面，並輕壓使點狀感應器接觸混凝土。 c、在混凝土試體表面，以一般鋼珠敲擊器敲擊混凝土表面，敲擊點與接收器儘可能接近，試驗配置參見圖 3-3。敲擊引發之暫態應力波向下傳遞，遇到介質不連續位置（如空洞位置或底部等），即產生反射波返回表面，此反射波在混凝土表面再形成反射，再次向下傳遞，此過程週而復始，故可獲得多次反射波，故可藉由反射波走時，經簡單計算即可獲得相關缺陷深度或擋土牆厚度。. 圖 3-3. T. 40. 版厚及內部瑕疵檢測示意圖.

(59) 第三章非破壞檢測方法驗證. d、記錄接收波形，並儲存於硬碟中。 e、進行 FFT 轉換，並在頻率域中，進行特徵頻率研判（F）。其中特徵頻率係為強度較明顯之波訊頻率，一般完整混凝土結構物，大多僅出現一處特徵頻率，代表版厚位置；若出現多處特徵頻率，表示內部距多處瑕疵。 f、檢測資料與使用一般鋼珠敲擊器之尺寸有關，對於深度較大檢測應用，係採較大鋼珠尺寸，對於極淺瑕疵，使用最小鋼珠尺寸。 g、混凝土版厚或待測深度（T）計算公式參見 3-5 式。. T = 0.96 .. V 2F ................................ （3-5）. 其中： V 為混凝土波速， F 為特徵頻率. （4）表面裂縫深度檢測 a、進行數位設定，包含記錄個數（Length）、時間間距（dT）、最大輸入電壓等。其中記錄時間設定需大於應力波走時，此與混凝土材料波速、試驗間距與預估之裂縫深度有關。 b、將接收器裝設於表面裂縫一側，距離裂縫開口距離為 d，並輕壓使點狀感應器接觸混凝土。. 41.

(60) 非破壞性檢測技術於山坡地安全檢查之應用 (一 ). c、在混凝土試體表面裂縫另一側，以可感測鋼珠敲擊器敲擊混凝土表面，敲擊點與裂縫開口距離為 d，試驗配置參見圖 3-4。敲擊引發之暫態應力波向四周傳遞，因受裂縫阻擋，無法直達接收器位置，但可經由裂縫尖端形成繞射波，朝向接收器位置前進。故量測繞射波走時，再經由簡單幾何運算，即可獲得相關裂縫深度。. 圖 3-4. 裂縫深度檢測示意圖. t. d. d. d、記錄敲擊波形及接收波形，並儲存於硬碟中。 e、進行暫態應力波波到時間研判。其中敲擊記錄中，應力波到時間為 Ta，接收記錄中，應力波波到時間為 Tb。 f、裂縫深度（t）計算公式參見 3-6 式。. 42.