ในแบบฐานรากทั่วไป ฐานหนึ่งฐานมักมีเสาเข็มมากกว่าหนึ่งต้น คำถามที่ตามมาเสมอคือฐานที่มีเสาเข็ม 4 ต้นรับน้ำหนักได้ 4 เท่าของเสาเข็มต้นเดียวหรือไม่ คำตอบเชิงวิศวกรรมคือ ไม่จำเป็นต้องเป็นอย่างนั้น และในดินเหนียวอ่อนแบบที่พบมากในพื้นที่กรุงเทพฯ และปริมณฑล มักได้น้อยกว่านั้น
ประสิทธิภาพเสาเข็มกลุ่ม (Group Efficiency) คืออะไร
ประสิทธิภาพเสาเข็มกลุ่ม คืออัตราส่วนระหว่างกำลังรับน้ำหนักประลัยของกลุ่มเสาเข็มทั้งกลุ่ม กับผลรวมของกำลังรับน้ำหนักประลัยของเสาเข็มเดี่ยวแต่ละต้นที่อยู่ในกลุ่มนั้น เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า
ประสิทธิภาพกลุ่ม = กำลังประลัยของกลุ่มทั้งกลุ่ม ÷ (จำนวนเสาเข็ม × กำลังประลัยของเสาเข็มเดี่ยว)
ถ้าค่าที่ได้เท่ากับ 1 หมายความว่ากลุ่มทำงานได้เต็มที่เหมือนเสาเข็มแต่ละต้นทำงานแยกกัน ถ้าน้อยกว่า 1 แปลว่ากลุ่มเสียกำลังไปจากการที่เสาเข็มรบกวนกันเอง และถ้ามากกว่า 1 แปลว่าการติดตั้งช่วยปรับปรุงดินรอบข้างจนกลุ่มทำได้ดีกว่าผลบวก ซึ่งเกิดขึ้นได้จริงในบางกรณี
ทำไมเสาเข็มที่อยู่ใกล้กันถึงรับน้ำหนักได้น้อยลง
เสาเข็มถ่ายน้ำหนักลงดินสองทาง คือแรงเสียดทานผิวรอบตัวเสาเข็ม (Skin Friction) และแรงแบกทานที่ปลายเข็ม (End Bearing) ทั้งสองทางทำให้เกิดหน่วยแรงกระจายออกไปในมวลดินรอบเสาเข็ม เรียกกันว่ากระเปาะหน่วยแรง (Stress Bulb)
เมื่อเสาเข็มสองต้นอยู่ห่างกันมาก กระเปาะหน่วยแรงของแต่ละต้นแทบไม่ทับกัน ดินที่รองรับเสาเข็มต้นหนึ่งจึงไม่ถูกรบกวนจากอีกต้น แต่เมื่อเสาเข็มอยู่ชิดกัน กระเปาะหน่วยแรงซ้อนทับกัน ดินก้อนเดียวกันต้องรับแรงจากเสาเข็มหลายต้นพร้อมกัน หน่วยแรงในดินจึงสูงกว่าที่เสาเข็มเดี่ยวสร้างขึ้น ผลคือดินเข้าใกล้จุดวิบัติเร็วกว่า และทรุดตัวมากกว่าที่คำนวณจากเสาเข็มเดี่ยว
ระยะห่างเสาเข็มมีผลกับประสิทธิภาพกลุ่มแค่ไหน
ระยะห่างเป็นตัวแปรที่มีผลมากที่สุดตัวเดียว เพราะเป็นตัวกำหนดโดยตรงว่ากระเปาะหน่วยแรงจะซ้อนทับกันมากแค่ไหน ในทางปฏิบัติวิศวกรมักอ้างระยะห่างเป็นจำนวนเท่าของขนาดหน้าตัดเสาเข็ม โดยวัดจากศูนย์กลางถึงศูนย์กลาง
| ระยะห่าง (เท่าของขนาดเสาเข็ม) | ระดับการซ้อนทับของหน่วยแรง | แนวโน้มประสิทธิภาพกลุ่ม | ข้อสังเกตหน้างาน |
|---|---|---|---|
| ต่ำกว่า 2.0 เท่า | ซ้อนทับมาก | ต่ำกว่า 1 ชัดเจน | เสี่ยงชนกันขณะติดตั้ง และเสี่ยงวิบัติแบบก้อนในดินเหนียว |
| 2.5–3.0 เท่า | ซ้อนทับปานกลาง | ต่ำกว่า 1 เล็กน้อยถึงใกล้ 1 | ช่วงที่พบมากที่สุดในแบบฐานรากทั่วไป |
| 3.0–4.0 เท่า | ซ้อนทับน้อย | เข้าใกล้ 1 | ฐานรากใหญ่ขึ้น ปริมาณคอนกรีตและเหล็กเพิ่ม |
| มากกว่า 4.0 เท่า | แทบไม่ซ้อนทับ | ประมาณ 1 | มักไม่คุ้มค่าก่อสร้าง ยกเว้นมีข้อจำกัดเฉพาะ |
ตารางนี้แสดงแนวโน้มเชิงหลักการเท่านั้น ค่าประสิทธิภาพกลุ่มที่ใช้จริงในการออกแบบขึ้นกับชนิดดิน วิธีติดตั้ง จำนวนต้นและรูปแบบการจัดวางของแต่ละฐาน จึงต้องกำหนดโดยวิศวกรผู้ออกแบบจากข้อมูลเจาะสำรวจดินของโครงการนั้นโดยตรง ไม่ใช่การหยิบตัวเลขจากตารางไปใช้
มีสูตรเชิงประสบการณ์หลายสูตรที่ตำราใช้ประมาณค่าประสิทธิภาพกลุ่มจากระยะห่างและจำนวนแถว เช่น สูตร Converse-Labarre ซึ่งยังพบในบางสเปกและตำราเรียน แต่ปัจจุบันหลายแนวทางถือว่าสูตรกลุ่มนี้เป็นเพียงการประมาณอย่างหยาบ ไม่ได้แทนการวิเคราะห์ที่อ้างอิงข้อมูลดินจริง
การวิบัติแบบกลุ่ม (Block Failure) คืออะไร
เมื่อเสาเข็มอยู่ชิดกันมากพอในดินเหนียว ดินที่ติดอยู่ระหว่างเสาเข็มจะถูกยึดไว้จนเคลื่อนตัวไปพร้อมกับเสาเข็ม กลุ่มเสาเข็มทั้งกลุ่มพร้อมดินที่อยู่ระหว่างกลางจึงมีพฤติกรรมเหมือนเสาเข็มขนาดใหญ่หนึ่งต้นที่มีหน้าตัดเท่ากับขอบนอกของกลุ่ม เรียกว่าการวิบัติแบบกลุ่มหรือการวิบัติแบบก้อน
เมื่อวิบัติในรูปแบบนี้ แรงต้านที่เหลืออยู่มีเพียงสองส่วน คือแรงเฉือนของดินรอบผิวด้านนอกของก้อน และแรงแบกทานของดินที่ฐานของก้อน แรงเสียดทานของผิวเสาเข็มแต่ละต้นที่อยู่ด้านในไม่ถูกใช้งาน เพราะดินด้านในเคลื่อนไปพร้อมกับเสาเข็มอยู่แล้ว
| ประเด็น | วิบัติทีละต้น (Individual Failure) | วิบัติแบบก้อน (Block Failure) |
|---|---|---|
| รูปแบบการเคลื่อนตัว | เสาเข็มเลื่อนลงในดิน ดินระหว่างเสาเข็มอยู่กับที่ | เสาเข็ม ดินระหว่างเสาเข็ม และฐานราก เคลื่อนลงพร้อมกัน |
| ผิวที่ให้แรงต้าน | ผิวรอบเสาเข็มทุกต้น + ปลายเข็มทุกต้น | ผิวรอบนอกของก้อน + ฐานของก้อน |
| มักควบคุมเมื่อ | ระยะห่างมาก หรือเป็นเสาเข็มแบกทานปลายในชั้นแข็ง | ระยะห่างน้อย ในดินเหนียว และกลุ่มมีเสาเข็มหลายต้น |
| ผลต่อการออกแบบ | กำลังกลุ่มใกล้เคียงผลรวมของเสาเข็มเดี่ยว | กำลังกลุ่มอาจต่ำกว่าผลรวมอย่างมีนัยสำคัญ |
หลักปฏิบัติทางวิศวกรรมคือ ต้องตรวจทั้งสองกรณีแล้วใช้ค่าที่น้อยกว่าเป็นกำลังของกลุ่ม การมองข้ามกรณีวิบัติแบบก้อนคือความผิดพลาดที่พบได้ในฐานรากเสาเข็มจำนวนมากในดินเหนียวอ่อน ซึ่งเป็นสภาพชั้นดินหลักของพื้นที่กรุงเทพฯ และปริมณฑล อ่านลักษณะของชั้นดินอ่อนกรุงเทพฯ ได้ที่ ฐานรากบนชั้นดินอ่อนกรุงเทพฯ
เสาเข็มกลุ่มในดินทรายกับดินเหนียว ต่างกันอย่างไร
ชนิดดินเปลี่ยนคำตอบได้ทั้งทิศทาง ไม่ใช่แค่ระดับ
ในดินทรายหลวมที่ใช้เสาเข็มตอก การตอกเสาเข็มทำให้ทรายรอบข้างถูกอัดจนแน่นขึ้น เสาเข็มต้นที่ตอกทีหลังจึงอยู่ในดินที่มีสภาพดีกว่าตอนสำรวจ และเสาเข็มต้นที่ตอกไปแล้วก็ได้ประโยชน์จากดินที่แน่นขึ้นด้วย ในกรณีนี้ประสิทธิภาพกลุ่มอาจเท่ากับหรือมากกว่า 1 ได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมผลทดสอบเสาเข็มในทรายจึงมักดีขึ้นเมื่อทดสอบซ้ำหลังทิ้งเวลาไว้ อ่านเรื่องนี้เพิ่มได้ที่ Restrike Test และปรากฏการณ์ Setup
ในดินเหนียว การติดตั้งเสาเข็มไปรบกวนโครงสร้างของดินและทำให้เกิดแรงดันน้ำส่วนเกิน กำลังของดินจะค่อย ๆ คืนตัวตามเวลา แต่ไม่ได้ทำให้ดินแน่นขึ้นถาวรแบบทราย ประกอบกับความเสี่ยงการวิบัติแบบก้อน ทำให้ประสิทธิภาพกลุ่มในดินเหนียวมักต่ำกว่า 1 โดยเฉพาะเมื่อระยะห่างน้อย
เสาเข็มเจาะ ไม่ว่าจะอยู่ในทรายหรือดินเหนียว ไม่ได้ทำให้ดินรอบข้างแน่นขึ้นเหมือนเสาเข็มตอก จึงไม่ได้ประโยชน์จากการอัดแน่นของดิน และในบางกรณีการเจาะยังทำให้ดินรอบหลุมคลายตัวลงเล็กน้อยด้วย ความแตกต่างของทั้งสองระบบอธิบายไว้ที่ เสาเข็มเจาะกับเสาเข็มตอก ทดสอบต่างกันอย่างไร
ทำไมฐานรากเสาเข็มทรุดตัวมากกว่าเสาเข็มเดี่ยว
ประเด็นนี้สำคัญกว่าเรื่องกำลังในหลายโครงการ เพราะฐานรากส่วนใหญ่ถูกควบคุมด้วยเกณฑ์การทรุดตัว ไม่ใช่เกณฑ์กำลัง
เสาเข็มเดี่ยวสร้างหน่วยแรงลงดินเป็นกระเปาะเล็ก ๆ ที่มีขนาดประมาณไม่กี่เท่าของหน้าตัดเสาเข็ม แต่กลุ่มเสาเข็มที่มีหลายต้นทำให้กระเปาะแรงของทุกต้นรวมกันเป็นก้อนใหญ่ ความลึกที่หน่วยแรงยังมีนัยสำคัญจึงลงไปได้ลึกกว่าปลายเข็มมาก ถ้าใต้ปลายเข็มมีชั้นดินเหนียวอัดตัวได้ ชั้นนั้นจะถูกกดโดยกลุ่มทั้งที่เสาเข็มเดี่ยวแทบไม่ส่งผลถึง
ผลที่ตามมาคือ ผลการทดสอบการรับน้ำหนักของเสาเข็มต้นเดียวที่แสดงว่าทรุดตัวไม่กี่มิลลิเมตร ไม่ได้แปลว่าฐานรากทั้งฐานจะทรุดตัวเท่านั้น การประเมินการทรุดตัวของกลุ่มต้องทำแยกต่างหาก วิธีที่ใช้กันคือแนวคิดฐานรากเทียบเท่า (Equivalent Raft) ซึ่งสมมติว่าน้ำหนักทั้งหมดถ่ายลงเป็นฐานแผ่ขนาดเท่ากลุ่มเสาเข็มที่ระดับความลึกหนึ่ง แล้วคำนวณการอัดตัวของชั้นดินใต้ระดับนั้น
วิธีอ่านค่าการทรุดตัวจากผลทดสอบเสาเข็มต้นเดียว อธิบายไว้ที่ Static Load Test อ่านผลยังไง และหลักการรับน้ำหนักของดินที่รองรับเสาเข็มอยู่ที่ กำลังรับน้ำหนักของดินคืออะไร
การทดสอบเสาเข็มบอกอะไรเกี่ยวกับพฤติกรรมกลุ่มได้บ้าง
การทดสอบเสาเข็มที่ใช้กันในโครงการทั่วไปเป็นการทดสอบทีละต้นทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นการทดสอบการรับน้ำหนักแบบสถิต (Static Load Test ตาม ASTM D1143) การทดสอบแบบพลศาสตร์ (Dynamic Load Test หรือ PDA ตาม ASTM D4945 และ มยผ.1252-51) หรือการทดสอบความสมบูรณ์ (Seismic Integrity Test ตาม มยผ.1551-51) ผลที่ได้จึงเป็นข้อมูลของเสาเข็มเดี่ยว
แต่ข้อมูลนี้ยังจำเป็นมาก เพราะการวิเคราะห์พฤติกรรมกลุ่มทุกวิธีต้องเริ่มจากกำลังและพฤติกรรมของเสาเข็มเดี่ยวที่เชื่อถือได้ก่อน ถ้าค่าเสาเข็มเดี่ยวยังไม่ยืนยัน การคูณหรือหารด้วยประสิทธิภาพกลุ่มก็ไม่มีความหมาย
- Static Load Test ให้ความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักกับการทรุดตัวของเสาเข็มเดี่ยวโดยตรง เป็นข้อมูลตั้งต้นที่แม่นที่สุดสำหรับการวิเคราะห์กลุ่ม
- Dynamic Load Test (PDA) ให้ค่ากำลังและการกระจายแรงเสียดทานตามความลึกจากการวิเคราะห์ CAPWAP ซึ่งช่วยบอกว่าเสาเข็มพึ่งแรงเสียดทานหรือแรงแบกทานปลายเป็นหลัก จุดนี้สำคัญเพราะกลุ่มเสาเข็มที่พึ่งแรงเสียดทานได้รับผลกระทบจากการซ้อนทับของหน่วยแรงมากกว่า
- Seismic Integrity Test ตรวจความสมบูรณ์ของเนื้อเสาเข็ม ไม่ได้บอกกำลัง แต่ช่วยยืนยันว่าเสาเข็มในกลุ่มไม่มีต้นที่ชำรุดจนถ่ายน้ำหนักไปเพิ่มภาระให้ต้นข้างเคียง
ประเด็นสุดท้ายนี้มักถูกมองข้าม ในฐานรากที่มีเสาเข็มไม่กี่ต้น ถ้ามีต้นหนึ่งชำรุดจนรับน้ำหนักได้น้อยลง ภาระจะถ่ายไปยังต้นที่เหลือและอาจทำให้ฐานเอียง การสุ่มตรวจความสมบูรณ์จึงมีคุณค่าเชิงระบบ ไม่ใช่แค่ตรวจคุณภาพรายต้น ดูเกณฑ์การสุ่มทดสอบได้ที่ ต้องทดสอบเสาเข็มกี่ต้น
สรุป
กำลังของฐานรากเสาเข็มไม่ใช่การบวกกำลังของเสาเข็มแต่ละต้นตรง ๆ เพราะเสาเข็มที่อยู่ใกล้กันใช้มวลดินก้อนเดียวกันในการถ่ายน้ำหนัก ระยะห่างเป็นตัวแปรหลักที่ควบคุมเรื่องนี้ ในดินเหนียวต้องตรวจการวิบัติแบบก้อนเพิ่มด้วย ส่วนในดินทรายที่ใช้เสาเข็มตอก การอัดแน่นของดินอาจทำให้กลุ่มทำได้ดีกว่าผลรวม และไม่ว่ากรณีใด การทรุดตัวของกลุ่มมักมากกว่าที่ประเมินจากเสาเข็มเดี่ยวเสมอ
สิ่งที่เจ้าของโครงการทำได้คือจัดหาข้อมูลตั้งต้นที่ดี ได้แก่ ข้อมูลเจาะสำรวจดินที่ครอบคลุมความลึกใต้ปลายเข็ม และผลทดสอบเสาเข็มที่ยืนยันกำลังของเสาเข็มเดี่ยวจริงหน้างาน สองอย่างนี้คือวัตถุดิบที่วิศวกรผู้ออกแบบต้องใช้ในการประเมินพฤติกรรมของกลุ่ม
เนื้อหาอธิบายหลักการของประสิทธิภาพเสาเข็มกลุ่มและการวิบัติแบบก้อนเพื่อความเข้าใจเบื้องต้นเท่านั้น ค่าประสิทธิภาพกลุ่ม ระยะห่างเสาเข็ม จำนวนต้นต่อฐาน และเกณฑ์การทรุดตัวที่ยอมรับได้ของแต่ละโครงการ ต้องกำหนดโดยวิศวกรผู้ออกแบบจากข้อมูลชั้นดินและน้ำหนักบรรทุกจริงของโครงการนั้น