การทดสอบดิน Field Vane Shear Test กำลังรับแรงเฉือนไม่ระบายน้ำ

คุณสมบัติที่สำคัญของดินในการออกแบบสิ่งก่อสร้างมีอยู่หลายปัจจัย และปัจจัยอย่างหนึ่งที่จะกล่าวถึงคือ กำลังรับแรงเฉือนของดิน (Shear Strength) ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่เราจะนำค่ากำลังรับแรงเฉือนแบบไม่ระบายน้ำ (Undrained Shear Strength, Su) มาใช้ในการออกแบบสิ่งก่อสร้างในการวิเคราะห์ในรูปหน่วยแรงรวม (Total Stress Analysis) หรือใช้ค่าพารามิเตอร์กำลังของดิน (Strength Parameter) ในการวิเคราะห์ในรูปหน่วยแรงประสิทธิผล (Effective Stress Analysis)

กำลังรับแรงเฉือนของดินแบบไม่ระบายน้ำจะเกิดขึ้นกับดินเหนียว ที่มีค่าสัมประสิทธิ์ความซึมน้ำต่ำ ดินมีความอิ่มตัวด้วยน้ำ ภายใต้หน่วยแรงที่เพิ่มขึ้นจากหน่วยแรงกระทำจากภายนอกมากระทำต่อชั้นดินเหนียวที่อยู่ต่ำกว่าระดับน้ำใต้ดิน โดยน้ำจะรับหน่วยแรงที่เพิ่มขึ้นก่อนเกิดเป็นแรงดันน้ำส่วนเกิน (Excess Pore Pressure) ซึ่งแรงกระทำจากภายนอกถูกรองรับด้วยน้ำจะถูกถ่ายไปยังเม็ดดิน มีผลทำให้ค่ากำลังรับแรงเฉือนของดินมีค่าลดลง แต่เนื่องจากค่าสัมประสิทธ์ความซึมได้ที่ต่ำ แรงดันน้ำส่วนเกินที่เกิดขึ้นจะใช้เวลาในการระบายออกจากมวลดินได้ช้า จึงเป็นเหตุให้ต้องมีการวิเคราะห์กำลังแบบหน่วยแรงรวม (Total Stress Analysis) สำหรับการวิเคราะห์แบบไม่ระบายน้ำในระยะสั้น (Short-term) ค่าสัมประสิทธิ์การซึมได้ของดิน เป็นปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อการลดแรงดันส่วนเกิน การหาค่ากำลังรับแรงเฉือนของดินในระยะสั้น เช่น ดำเนินการขุดดินชั่วคราว หรือขณะก่อสร้าง รวมถึงความสามารถในการหากำลังรับน้ำหนักของดินในระยะสั้น

การทดสอบดิน Field Vane Shear Test เป็นการทดสอบหาค่ากำลังรับแรงเฉือนแบบไม่ระบายน้ำ (Undrained Shear Strength, Su) หรืออาจกล่าวได้ว่า เป็นการทดสอบเพื่อหาแรงเฉือนในชั้นดินเหนียวอ่อนถึงแข็งปานกลางในสภาพดินตามธรรมชาติ จะทดสอบดินที่ระดับความลึกทุก ๆ ระยะ 1 เมตร งานทดสอบ Field Vane Shear Test จะสิ้นสุดความลึกของการทดสอบที่ไม่เกิน 15-17 เมตร ตามมาตรฐาน ASTM D-2573-72 ในการทดสอบดินจะใช้ใบมีดแฉก หรือ เรียกกันง่าย ๆ ว่า ใบ Vane เป็นลักษะเหมือนแผ่นเหล็กบาง ๆ รูปสี่เหลี่ยมคล้ายใบมีด 4 อัน เชื่อมติดอยู่ด้วยกัน เส้นผ่าศูนย์กลาง 5.5 เซนติเมตร สูง 11.0 เซนติเมตร กดลงไปในชั้นดินที่ต้องการทราบค่า Shear Strength จากนั้นติดตั้งเครื่องส่งถ่ายแรงบิดเข้ากับก้านของใบมีดแฉก เมื่อใบมีดแฉกถูกส่งลงไปถึงระดับความลึกทดสอบ ใบมีดก็จะถูกดันออกจากปลอกคุ้มกันและทำการหมุนใบมีดแฉกด้วยอัตราความเร็ว 0.10 องศาต่อวินาที ให้ตัดมวลดินจนดินขาดออกจากกัน(failure) ซึ่งทุกครั้งที่มีการทดสอบดิน ก็จะเริ่มด้วยทดสอบกับดินคงสภาพหรือดินตามธรรมชาติ (Undisturbed) นำค่าที่อ่านได้สูงสุดมาเข้าสูตรเพื่อหาค่า Undrained Shear Strength, Su หากต้องการหาค่า Remolded Shear Strength ก็ให้หมุนใบมีดแฉกกวนดินให้ดินมีลักษณะไม่คงสภาพ(Remold) ประมาณ 25 รอบ จากนั้นให้ทำการทดสอบดินเหมือนครั้งแรกกับดินที่มีลักษณะไม่คงสภาพอีกครั้งหนึ่ง และนำค่าที่อ่านได้สูงสุดมาเข้าสูตรเพื่อหาค่า Remolded Shear Strength จากนั้นก็นำค่า Undrained Shear Strength และค่า Remolded Shear Strength ที่ได้จากการทดสอบ Field Vane Shear มาประมวลผลเพื่อหาค่า Sensitivity ของชั้นดินได้

การทดสอบดินในลักษณะนี้ เป็นการทดสอบดินในแบบฉบับของมวลดิน ซึ่งโครงสร้างดินที่ทำการทดสอบจะไม่กระทบกระเทือนเลยแม้แต่น้อย ดินจะมีค่าความคลาดเคลื่อนจากการถูกรบกวนน้อยมาก เนื่องจากไม่มีความจำเป็นต้องเก็บตัวอย่างดินเพื่อทดสอบดินในห้องปฏิบัติการ เป็นแค่เพียงการทดสอบดินสนาม