เสาเข็มต้นหนึ่งรับน้ำหนักได้ 100 ตัน เป็นข้อมูลที่บอกได้ว่าเสาเข็มผ่านเกณฑ์หรือไม่ แต่บอกไม่ได้ว่าแรง 100 ตันนั้นมาจากไหน ถ้าเกือบทั้งหมดมาจากแรงเสียดทานของดินชั้นบน การเพิ่มความยาวเสาเข็มอาจไม่ช่วยอะไรเลย แต่ถ้าเสาเข็มยังไม่ได้ใช้แรงแบกทานที่ปลายเต็มที่ การหยั่งลึกลงไปอีกไม่กี่เมตรอาจได้กำลังเพิ่มมาก การติดเครื่องมือวัดในเสาเข็มทดสอบคือวิธีตอบคำถามนี้

Instrumented Static Load Test คืออะไร

Instrumented Static Load Test คือการทดสอบเสาเข็มแบบสถิตตามมาตรฐาน ASTM D1143 ที่เพิ่มเครื่องมือวัดความเครียดฝังไว้ในเนื้อเสาเข็มตามระดับความลึกต่าง ๆ ขั้นตอนการให้น้ำหนัก การคงน้ำหนักแต่ละขั้น และการอ่านการทรุดตัวยังเป็นไปตามมาตรฐานเดิมทุกประการ สิ่งที่เพิ่มเข้ามาคือข้อมูลชุดที่สองว่าแรงในเนื้อเสาเข็มที่แต่ละระดับเหลืออยู่เท่าไหร่

ระบบทดสอบ Static Load Test ตามมาตรฐาน ASTM D1143 ด้วยน้ำหนักถ่วง Kentledge กดบนหัวเสาเข็มหน้างานจริง ซึ่งเป็นระบบให้น้ำหนักเดียวกับที่ใช้ในการทดสอบแบบติดเครื่องมือวัด
ระบบให้น้ำหนักของการทดสอบแบบติดเครื่องมือวัดเหมือนกับ Static Load Test ทั่วไปตาม ASTM D1143 สิ่งที่ต่างคือข้อมูลความเครียดจากสเตรนเกจที่ฝังอยู่ในเสาเข็ม (ภาพ: SPN Soil Engineering)

ต่างจาก Static Load Test ธรรมดาตรงไหน

ประเด็นStatic Load Test ทั่วไปInstrumented Static Load Test
สิ่งที่วัดน้ำหนักที่กด และการทรุดตัวที่หัวเสาเข็มเพิ่มความเครียดในเนื้อเสาเข็มหลายระดับตามความลึก
ผลที่ได้กำลังรวมของเสาเข็มทั้งต้นแยกแรงเสียดทานผิวรายชั้นดิน และแรงแบกทานที่ปลาย
ต้องเตรียมล่วงหน้าไม่ต้อง ทดสอบเสาเข็มที่มีอยู่ได้ต้องฝังเครื่องมือวัดก่อนหล่อหรือก่อนผลิตเสาเข็ม
ใช้กับเสาเข็มแบบใดเสาเข็มทดสอบหรือเสาเข็มใช้งานเสาเข็มทดสอบที่วางแผนไว้ตั้งแต่ต้นเป็นหลัก
ประโยชน์ต่อการออกแบบยืนยันว่ากำลังถึงเกณฑ์หรือไม่ปรับค่าพารามิเตอร์ดินและความยาวเสาเข็มของทั้งโครงการได้

สรุปสั้น ๆ คือการทดสอบทั่วไปตอบว่า “ผ่านไหม” ส่วนการทดสอบแบบติดเครื่องมือวัดตอบว่า “ผ่านเพราะอะไร” ซึ่งเป็นข้อมูลที่นำไปปรับการออกแบบเสาเข็มที่เหลือทั้งโครงการได้ ดูพื้นฐานของการทดสอบแบบสถิตได้ที่ Static Pile Load Test

สเตรนเกจวัดอะไร และแปลงเป็นแรงอย่างไร

เมื่อกดน้ำหนักลงบนหัวเสาเข็ม เนื้อเสาเข็มจะหดสั้นลงเล็กน้อย ค่าการหดสั้นต่อความยาวเดิมเรียกว่าความเครียด (Strain) สเตรนเกจที่ฝังอยู่ในคอนกรีตวัดค่านี้ที่ตำแหน่งของตัวเอง จากนั้นแปลงเป็นแรงในเนื้อเสาเข็มด้วยความสัมพันธ์พื้นฐานของวัสดุยืดหยุ่น

🧮 ความสัมพันธ์ที่ใช้

แรงในเนื้อเสาเข็มที่ระดับหนึ่ง = ความเครียดที่วัดได้ × โมดูลัสยืดหยุ่นของเสาเข็ม × พื้นที่หน้าตัดเสาเข็ม

จุดที่ต้องระวังคือค่าโมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีต ถ้าใช้ค่าผิด แรงที่คำนวณได้จะผิดตามไปทั้งชุด ในทางปฏิบัติจึงนิยมติดสเตรนเกจคู่หนึ่งไว้ที่ระดับบนสุดซึ่งอยู่เหนือระดับดิน เพราะระดับนั้นแรงในเสาเข็มยังเท่ากับน้ำหนักที่อ่านได้จากหัวเสาเข็ม เมื่อรู้ทั้งแรงและความเครียดที่ระดับเดียวกัน จึงย้อนหาโมดูลัสจริงของเสาเข็มต้นนั้นได้ แล้วใช้ค่านั้นกับเกจระดับล่าง ๆ ต่อไป

แยกแรงเสียดทานรายชั้นดินได้อย่างไร

หลักการคือดูว่าแรงในเนื้อเสาเข็มลดลงเท่าไหร่ระหว่างสองระดับที่อยู่ติดกัน ส่วนที่หายไปคือแรงที่ดินช่วงนั้นรับไว้ผ่านแรงเสียดทานผิว

🧮 การคำนวณแรงเสียดทานเฉลี่ยของช่วงหนึ่ง

แรงเสียดทานผิวเฉลี่ยของช่วง = (แรงที่ระดับบน − แรงที่ระดับล่าง) ÷ (เส้นรอบรูปเสาเข็ม × ความยาวช่วงนั้น)

ทำแบบนี้ไล่ลงไปทีละช่วงจนถึงเกจระดับล่างสุด แรงที่ยังเหลืออยู่ที่ระดับล่างสุดคือค่าประมาณของแรงแบกทานที่ปลายเข็ม โดยมีข้อแม้ว่าเกจล่างสุดต้องอยู่ใกล้ปลายเข็มพอสมควร ไม่เช่นนั้นค่าที่ได้จะยังรวมแรงเสียดทานของช่วงที่เหลืออยู่ด้วย

เสาเข็มติดสเตรนเกจ + ชั้นดิน Load Transfer Curve แรงเสียดทานผิวหน่วย ดินเหนียวอ่อน ดินเหนียวแข็ง ทรายปานกลาง ทรายแน่น ระดับดิน 0 ม. 6 13 19 24 น้ำหนักทดสอบ 300 ตัน SG-1 (−1 ม.) ระดับสอบเทียบโมดูลัส SG-2 (−6 ม.) SG-3 (−13 ม.) SG-4 (−19 ม.) SG-5 (−23.5 ม.) ใกล้ปลายเข็ม เสาเข็มเจาะ Ø0.60 ม. ยาว 24 ม. · สเตรนเกจ 5 ระดับ ระดับละ 2 ตัว แรงในเนื้อเสาเข็ม (ตัน) → ลึก 0 80 160 240 320 300 ต. 288 ต. 228 ต. 159 ต. 85 ต. = แรงเสียดทานผิวช่วงนี้ แรงที่เหลือ = แรงแบกทานปลาย ≈ 85 ตัน fs (kPa) → 0 40 80 12 45 60 85 fs = ผลต่างของแรงระหว่างสองระดับ ÷ พื้นที่ผิวเสาเข็มช่วงนั้น ตัวเลขในภาพเป็นตัวอย่างเชิงอธิบายหลักการเท่านั้น ไม่ใช่ผลทดสอบจริง ค่าจริงขึ้นกับชั้นดินและวิธีก่อสร้างเสาเข็มของแต่ละโครงการ
แรงในเนื้อเสาเข็มลดลงตามความลึก ผลต่างระหว่างสองระดับคือแรงที่ชั้นดินช่วงนั้นรับไว้ผ่านแรงเสียดทานผิว เมื่อหารด้วยพื้นที่ผิวของช่วงจะได้แรงเสียดทานผิวหน่วยรายชั้นดิน (แท่งขวา) ส่วนแรงที่ยังเหลืออยู่ที่เกจระดับล่างสุดคือค่าประมาณของแรงแบกทานที่ปลายเข็ม

อ่าน Load Transfer Curve อย่างไร

กราฟการถ่ายน้ำหนักคือกราฟระหว่างแรงในเนื้อเสาเข็มกับความลึก เขียนหนึ่งเส้นต่อหนึ่งขั้นน้ำหนักที่ทดสอบ สิ่งที่วิศวกรดูมีสามอย่าง

  1. ความชันของเส้นในแต่ละช่วงความลึก ช่วงที่เส้นลาดลงเร็วคือชั้นดินที่ให้แรงเสียดทานสูง ช่วงที่เส้นเกือบตั้งตรงคือชั้นที่แทบไม่ให้แรงเสียดทาน เช่น ชั้นดินเหนียวอ่อนมากหรือช่วงที่มีการปลอกกันแรงเสียดทาน
  2. แรงที่เหลือถึงปลายเข็ม ถ้าเหลือน้อยมากแปลว่าเสาเข็มทำงานด้วยแรงเสียดทานเกือบทั้งหมด การเพิ่มความยาวจะได้ผลก็ต่อเมื่อชั้นดินที่ลึกลงไปยังให้แรงเสียดทานเพิ่มได้
  3. พฤติกรรมเมื่อน้ำหนักเพิ่มขึ้น แรงเสียดทานของดินมักถึงค่าสูงสุดที่การเคลื่อนตัวเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ส่วนแรงแบกทานที่ปลายต้องใช้การเคลื่อนตัวมากกว่าจึงจะพัฒนาเต็มที่ ในขั้นน้ำหนักสูง ๆ จึงมักเห็นสัดส่วนของแรงที่ปลายเข็มเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ

การอ่านกราฟการทรุดตัวที่หัวเสาเข็มยังใช้เกณฑ์เดิม เช่น เกณฑ์ Davisson ซึ่งอธิบายไว้ที่ Static Load Test อ่านผลยังไง

ต้องวางแผนอะไรบ้างก่อนหล่อเสาเข็ม

ข้อจำกัดสำคัญที่สุดของการทดสอบแบบนี้คือ ต้องตัดสินใจก่อนเสาเข็มเกิด สเตรนเกจต้องถูกผูกติดกับโครงเหล็กเสริมและหล่อฝังอยู่ในคอนกรีต พร้อมเดินสายสัญญาณขึ้นมาถึงระดับหัวเสาเข็ม สิ่งที่ต้องเตรียมล่วงหน้าประกอบด้วย

  • เลือกเสาเข็มทดสอบให้อยู่ในตำแหน่งที่ชั้นดินเป็นตัวแทนของพื้นที่โครงการ โดยอ้างอิงจากผลเจาะสำรวจดิน
  • กำหนดระดับติดตั้งสเตรนเกจให้คร่อมรอยต่อของชั้นดินที่สนใจ และมีระดับบนสุดอยู่เหนือดินสำหรับสอบเทียบโมดูลัส
  • ป้องกันสายสัญญาณระหว่างการหย่อนโครงเหล็กและการเทคอนกรีต ซึ่งเป็นจุดที่เครื่องมือเสียหายบ่อยที่สุด
  • บันทึกค่าเริ่มต้นของทุกเกจก่อนเริ่มให้น้ำหนัก เพื่อใช้เป็นฐานเทียบ
  • รอให้คอนกรีตได้กำลังตามที่กำหนดก่อนทดสอบ ตามหลักเดียวกับการทดสอบแบบสถิตทั่วไป
⚠️ ข้อควรรู้

เมื่อเสาเข็มถูกหล่อหรือผลิตเสร็จแล้ว จะเพิ่มเครื่องมือวัดภายในไม่ได้อีก การทดสอบแบบติดเครื่องมือวัดจึงต้องอยู่ในแผนงานตั้งแต่ขั้นออกแบบ ไม่ใช่สิ่งที่ตัดสินใจเพิ่มทีหลังตอนจะทดสอบ

คุ้มที่จะทำเมื่อไหร่

การติดเครื่องมือวัดเพิ่มทั้งเวลาเตรียมงานและค่าใช้จ่าย จึงไม่ได้ทำกับทุกโครงการ กรณีที่มักคุ้มค่าคือ

  • โครงการที่มีเสาเข็มจำนวนมาก ข้อมูลจากเสาเข็มทดสอบไม่กี่ต้นอาจทำให้ปรับความยาวเสาเข็มที่เหลือทั้งโครงการได้ ซึ่งประหยัดกว่าค่าทดสอบมาก
  • ชั้นดินซับซ้อนหรือมีข้อมูลน้อย เช่น พื้นที่ที่มีชั้นดินเหนียวอ่อนหนาสลับชั้นทราย ซึ่งค่าพารามิเตอร์ที่ใช้ออกแบบมีความไม่แน่นอนสูง
  • เสาเข็มยาวหรือรับน้ำหนักสูง ที่การประมาณสัดส่วนแรงเสียดทานกับแรงแบกทานผิดพลาดแล้วมีผลต่อความปลอดภัยหรือค่าก่อสร้างมาก
  • งานที่ต้องยืนยันสมมติฐานการออกแบบ เช่น โครงการที่ผู้ออกแบบใช้ค่าแรงเสียดทานสูงกว่าค่าที่ใช้กันทั่วไป และต้องมีข้อมูลสนามมายืนยัน

สำหรับงานทั่วไปที่ต้องการเพียงยืนยันว่าเสาเข็มรับน้ำหนักได้ตามที่ออกแบบ การทดสอบแบบสถิตทั่วไปหรือ Dynamic Load Test (PDA) ตาม ASTM D4945 และ มยผ.1252-51 ก็เพียงพอแล้ว การเลือกจำนวนและวิธีทดสอบดูเพิ่มได้ที่ ต้องทดสอบเสาเข็มกี่ต้น

เทียบกับ Bi-Directional (O-cell) Test

อีกวิธีที่ให้ข้อมูลการถ่ายน้ำหนักตามความลึกได้เหมือนกันคือการทดสอบแบบสองทิศทาง (Bi-Directional Load Test) ตาม ASTM D8169 ซึ่งใช้แม่แรงฝังอยู่ในตัวเสาเข็มดันขึ้นและลงพร้อมกัน

ประเด็นInstrumented SLT (ASTM D1143)Bi-Directional / O-cell (ASTM D8169)
วิธีให้แรงกดจากหัวเสาเข็มด้านบนแม่แรงในตัวเสาเข็มดันขึ้นและลงพร้อมกัน
ระบบปฏิกิริยาต้องมีน้ำหนักถ่วงหรือเสาเข็มยึดใช้ตัวเสาเข็มเองเป็นปฏิกิริยา ไม่ต้องถ่วงน้ำหนัก
พื้นที่หน้างานที่ต้องใช้มาก เพราะต้องตั้งระบบถ่วงน้ำหนักน้อยกว่าอย่างชัดเจน
ข้อมูลแยกแรงตามความลึกได้ จากสเตรนเกจตามระดับได้ จากการแยกแรงขึ้นและแรงลงของแม่แรง
ต้องเตรียมก่อนหล่อต้องต้อง

รายละเอียดของวิธีสองทิศทางอยู่ที่ Bi-Directional (O-cell) Load Test

สรุป

Instrumented Static Load Test คือการทดสอบแบบสถิตตาม ASTM D1143 ที่เพิ่มสเตรนเกจฝังในเสาเข็มหลายระดับ ทำให้แยกได้ว่ากำลังที่วัดได้มาจากแรงเสียดทานผิวของดินชั้นใดบ้าง และเหลือถึงปลายเข็มเท่าไหร่ ข้อมูลนี้เปลี่ยนผลทดสอบจากคำตอบว่าผ่านหรือไม่ผ่าน ให้กลายเป็นข้อมูลที่ปรับการออกแบบเสาเข็มทั้งโครงการได้ ข้อแลกเปลี่ยนคือต้องวางแผนและติดตั้งเครื่องมือก่อนหล่อเสาเข็ม และมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าการทดสอบแบบธรรมดา จึงเหมาะกับโครงการที่มีเสาเข็มจำนวนมากหรือชั้นดินไม่แน่นอน

⚠️ ขอบเขตของบทความนี้

เนื้อหานี้เป็นความรู้ทั่วไปเพื่อความเข้าใจ ไม่ใช่คำแนะนำเชิงออกแบบสำหรับโครงการใดโครงการหนึ่ง จำนวนและตำแหน่งของเครื่องมือวัด ค่าพารามิเตอร์ดินที่จะนำไปใช้ และการตัดสินผล ต้องดำเนินการโดยวิศวกรผู้รับผิดชอบโครงการที่มีใบอนุญาต (กว.) สภาวิศวกร ประกอบข้อมูลชั้นดินและแบบก่อสร้างจริง