ทดสอบวัดแรงดันน้ำใต้ดิน Open Standpipe Piezometer

โครงการก่อสร้างขนาดต่าง ๆ เช่น เขื่อน สะพาน และอุโมงค์ จำเป็นที่จะต้องมีการติดตามพฤติกรรมก่อนก่อสร้างถึงระหว่างการก่อสร้างและหลังการก่อสร้าง เพื่อวัตถุประสงค์หลายประการ เช่น เพื่อควบคุมคุณภาพงานก่อสร้าง เพื่อความมั่นคง แข็งแรง ปลอดภัย พร้อมใช้งานเมื่อก่อสร้างแล้วเสร็จ และเพื่อเพิ่มการปรับปรุงประสิทธิภาพให้กับงานระบบโครงสร้างใต้ดิน อีกทั้งยังมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงหน่วยแรงภายในมวลดิน ถ้าสามารถวัดค่าแรงดันน้ำได้แน่นอน การคำนวณมักจะแยกหน่วยแรงที่เกิดขึ้นจากความดันน้ำออกไปก่อน คงเหลือแต่หน่วยแรงที่ส่งผ่านระหว่างเม็ดดินเท่านั้น เรียกว่า หน่วยแรงประสิทธิผล (Effective stress) เป็นหน่วยแรงที่ทำให้ดินมีกำลังรับน้ำหนัก ทั้งนี้เพราะแรงดันน้ำในมวลดินไม่ก่อให้เกิดกำลัง เพราะการยึดเกาะกันและมุมเสียดทานของน้ำเป็นศูนย์ บางครั้งก็เป็นเรื่องยากที่เราจะสามารถคำนวณค่าแรงดันน้ำได้อย่างถูกต้องและชัดเจนได้ เช่น การบรรทุกน้ำหนักโดยเร็ว มวลดินไม่อิ่มตัว จึงเป็นเหตุให้ต้องรวมแรงดันน้ำที่เกิดขึ้นเข้าไปในกำลังของดินด้วย ผลที่ออกมาก็อยู่ในรูปของหน่วยแรงรวม (Total stress)

ด้วยเหตุที่มีการสูบน้ำบาดาลขึ้นมาใช้มากเกินไปในเขตพื้นที่กรุงเทพมหานครและปริมณฑล เป็นตัวการสำคัญที่ทำให้แรงดันน้ำใต้ดินลดลง ก่อให้เกิดการทรุดตัวของแผ่นดินเป็นพื้นที่วงกว้าง (Land Subsidence) ส่งผลให้เกิดแรงฉุดลง (Negative Skin Friction) ต่อเสาเข็มที่หยั่งอยู่บนชั้นดินแข็ง และก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มที่อยู่ในชั้นทราย กล่าวคือ การลดลงของแรงดันน้ำใต้ดิน มีส่วนทำให้ค่าของน้ำหนักประสิทธิผลของมวลดินเพิ่มขึ้น (Effective Overburden Pressure) ส่งผลให้ค่าของแรงเสียดทานและแรงต้านที่ปลายเสาเข็มมีค่าเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ ปรากฎการณ์ดังกล่าวยังส่งผลกระทบต่อการแปลผลการทดสอบของการตอกทดลองมาตรฐาน (Standard Penetration Test) ด้วย คือ ค่าปรับแก้เนื่องจากแรงกดทับประสิทธิผล (Correction Factor for Overburden Pressure)

จากประเด็นดังกล่าวเป็นการบ่งชี้ถึงความสำคัญในการวัดแรงดันน้ำใต้ดิน และเป็นสิ่งจำเป็นต่องานออกแบบเสาเข็ม โดยเฉพาะโครงการใหญ่ ๆ ที่ใช้เสาเข็มเป็นจำนวนมาก ทั้งนี้เพื่อให้เกิดความถูกต้องแม่นยำในการแปลผลทดสอบกำลังของดิน การคำนวณกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็ม และการแปลผลทดสอบกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มทดสอบ จึงควรที่จะมีการตรวจวัดระดับแรงดันของน้ำใต้ดินที่ความลึกต่าง ๆ โดยการติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า Piezometers ในหลาย ๆ ระดับความลึก กระจายครอบคลุมพื้นที่โครงการ ปัจจุบันประเทศไทยมีการกำหนดให้ติดตั้งเครื่องมือวัดแรงดันน้ำภายในดินในโครงการต่าง ๆ เพื่อประโยชน์ทางด้านการออกแบบและการควบคุมทางวิศวกรรมโยธา

การวัดแรงดันน้ำแบบปลายท่อเปิด Open Standpipe Piezometer เป็นการวัดแรงดันน้ำในดินและหินที่ง่ายและประหยัดที่สุด Standpipe Piezometer (หรือที่รู้จักกันในนามของ Casagrande Piezometer) เป็นลักษณะของอุปกรณ์ที่นำมาใช้ตรวจสอบวัดค่าระดับน้ำใต้ดินในหลุมเจาะแนวตั้ง Standpipe Piezometer ที่เห็นกันโดยทั่วไปก็มักใช้ตัวกรองรูปทรงกระบอกแบบมีรูพรุนที่ส่วนปลาย ความดันของน้ำใต้ดิน ฝั่งที่ความลึกที่จะวัดความดันน้ำ และต่อท่อตั้งขึ้นไปข้างบนที่ผิวดินเข้ากับเครื่องวัดระดับน้ำระบบไฟฟ้า ซึ่งจะเทียบค่ากับระดับความสูงของน้ำภายในท่อเหนือจุดที่ต้องการวัดด้วยเครื่องวัดระดับน้ำดังกล่าว โดยการหย่อนหัววัดลงในท่อ และเมื่อหัวเซ็นเซอร์สัมผัสกับน้ำที่อยู่ในท่อ ก็จะส่งสัญาณที่อยู่ในรูปของเสียงออกมา แล้วทำการวัดระยะจากปากท่อถึงจุดที่มีเสียง หรือจุดสัมผัสน้ำที่อยู่ในท่อด้วยเทปวัดระยะ ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวจะถูกนำมาติดตั้งในกระเปาะทราย (Sand Pocket) ซึ่งทรายที่นำมาเติมลงไปในก้นหลุมเจาะมีขนาดคละกันในช่วง 0.6 ถึง 1.2 มิลลิเมตร และที่สำคัญคือ ต้องหย่อนหัววัดพิโซมิเตอร์ ในแบบท่อนำน้ำแบบมีรูพรุนโดยรอบ (ทุกท่อที่ใช้ฝังต้องมีทรายอัดแน่นภายในท่อแบบมีฝาปิดหัวท้าย) ลงไปให้อยู่กึ่งกลางกระเปาะทราย โดยที่ระดับความสูงของกระเปาะทรายอยู่ที่ 1 เมตร ก็เหมือนกับหัววัดความดันน้ำที่ถูกทรายหยาบห่อหุ้มเอาไว้ในทุก ๆ ด้าน ภายในหลุมเจาะ ที่ผ่านขั้นตอนการเจาะดินมาแล้ว ณ จุดสัมผัสพื้นผิวของทรายด้านบนจะถูกผนึก (Seal) ด้วยเบนโทไนท์ ที่มีลักษณะเป็นก้อน หรือ แผ่นเบนโทไนท์ ความหนาของชั้นเบนโทไนท์ไม่น้อยกว่า 1 เมตร ในบางครั้งอาจมีการเติมทรายสลับกับเบนโทไนท์ แล้วแต่กรณี หลังจากนั้นหลุมเจาะจะถูกอัดฉีดด้วยส่วนผสมของเบนโทไนต์ และซีเมนต์ขึ้นไปจนถึงปากหลุม

เครื่องมือที่ใช้วัดแรงดันน้ำมีหลายชนิด ซึ่งรูปร่างลักษณะและการติดตั้งก็แตกต่างกันไป เพื่อให้เหมาะสมกับลักษณะงานและชนิดของดินที่แตกต่างกันออกไป แต่อย่างไรก็ตาม เครื่องมือวัดแรงดันน้ำที่ดีจะต้องแสดงค่าแรงดันน้ำที่ถูกต้อง ใกล้เคียงกับแรงดันที่เกิดขึ้นบริเวณชั้นดินที่เกิดขึ้นโดยรอบหัววัด ภายในระยะเวลาที่สั้นที่สุด ภายหลังจากมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันน้ำ ในการประยุกต์ใช้งานวัดความดันน้ำที่มีความสำคัญ มักจะทำการวัดเฉพาะความลึก อีกทั้งยังต้องเป็นแบบตอบสนองได้เร็ว (Quick Response) เพื่อให้ผลวัดที่ถูกต้อง จึงนิยมใช้ พิซโซมิเตอร์ (Piezometer) ซึ่งเป็นวัสดุพรุน (Porous) ฝั่งที่ความลึกที่จะวัดความดันน้ำเป็นจุดรับน้ำ (Intake) และต่อท่อตั้งขึ้นไปข้างบนที่ผิวดินเข้ากับเครื่องวัดน้ำ ซึ่งอาจเป็นท่อวัดระดับน้ำ (Standpipe) ในตัวท่อเอง หรือต่อท่อเข้ามาตรวัดความดัน (Pressure Gauge) วัดด้วยหลอดปรอท (Mercury Manometer) หรือ เครื่องแปลงสัญญาณวัดความดัน (Pressure Transducer) Piezometer เป็นเครื่องมือในการใช้วัดแรงดันน้ำในมวลดินหรือเรียกอีกแบบว่า มาตรวัดความดันน้ำ หรือกล่าวในบริบทหนึ่งว่า เป็นเครื่องมือที่ติดตั้งไว้เพื่อวัดแรงดันของน้ำที่ไหลซึมผ่านชั้นดินใต้ฐานราก ทั้งนี้สามารถแบ่งชนิดหลักของ Piezometer ตามลักษณะของตัวกลางในเครื่องมือวัด ได้ดังนี้

1. เครื่องมือวัดแรงดันน้ำแบบปลายท่อเปิด (Open Ended Standpipe Piezometer) ประกอบด้วย ท่อนำน้ำ (Riser Pipe) และ หัวกรองน้ำ (Filter Tip) โดยหัวกรองน้ำ มีหลายประเภท ตั้งแต่เป็น เซลามิก จนถึง แบบท่อ PVC เจาะรู ดังนั้นเครื่องวัดแรงดันน้ำแบบง่ายและประหยัดที่สุด ประกอบด้วยท่อน้ำที่เจาะรูส่วนปลายโดยรอบ มีช่วงความยาว ส่วนที่เจาะรูประมาณ 1.0 เมตร ห่อหุ้มท่อด้วย Geotextile และปิดปลายท่อส่วนล่างด้วยฝาปิดท่อแบบถาวร และต่อเชื่อมเส้นท่อนำน้ำขึ้นไปจนพ้นผิวดิน ติดตั้งในหลุมเจาะขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 100 – 150 มม. โดยส่วนปลายท่อที่หุ้ม Geotextile หุ้มด้วยทรายหยาบและปิดทับด้วยกระเปาะทราย (Sand Pocket) ด้วยวัสดุทึบน้ำ เช่นดินเหนียวผสมเบนโทไนท์ อัตรา ๙๕ : ๕ เปอร์เซ็นต์ปริมาตรหรือปูนทราย

2. เครื่องวัดแรงดันน้ำระบบไฮดรอลิคส์ (Hydraulic Piezometer) หากมองในลักษณะภาพรวมทั้งระบบประกอบด้วยส่วนหัววัด (Piezometer Tip) ซึ่งมีส่วนประกอบสำคัญคือ ห้องรับน้ำ (Chamber) มักทำมาจาก Ceramic ที่มีความละเอียด ๑ ไมครอน High Air Entry Filter จะมีความเหมาะสมในการใช้งานติดตั้งในสภาพเปียกและกึ่งเปียก ส่วนระบบ Low Air Entry มีความเหมาะสมในการใช้งานติดตั้งในสภาพเปียก ระบบน้ำและเส้นท่อของเครื่องวัดประเภทนี้ เป็นระบบปลอดอากาศ (De-Aired Water System) และสามารถอ่านค่าแรงดันน้ำได้โดยตรงจากระบบ Pressure Gauge หรือ Pressure Readout Unit

3. เครื่องวัดแรงดันน้ำระบบก๊าซ (Pneumatic Piezometer) เป็นเครื่องวัดที่เป็นระบบกึ่งไฟฟ้า เป็นระบบที่มีความละเอียดในการวัดสูง มีราคาแพงกว่าระบบ Hydraulic Piezometer อีกทั้งยังมีความต่างกันแค่เพียง Pneumatic Piezometer ใช้แรงดันจาก Nitrogen Gas หรืออากาศที่อัดอยู่ในถังโลหะภายในตัวเครื่องวัดผ่านเข้าสู่ระบบเส้นท่อ และผลักดันแผ่นไดอะแฟรมให้อยู่ในสภาพสมดุลของแรงดันน้ำจากภายนอกและแรงดันลมภายในเส้นท่อ จนเส้นท่อนำลมย้อนกลับเป็นระบบเปิด จะปรากฏสัญญาณรูปตาแมวที่เครื่องวัด เป็นการบอกให้เราทราบถึง ค่าแรงดันน้ำจากภายนอก ก็จะไปแสดงบนจอหรือหน้าปัดของเครื่องวัด

4. เครื่องวัดแรงดันน้ำระบบไฟฟ้า (Electric Piezometer) เป็นเครื่องวัดที่ใช้ระบบไฟฟ้าที่มีความละเอียดสูง สามารถเลือกติดตั้งเป็นระบบใช้คนวัด (Manual Operation) หรือระบบอัตโนมัติทั้งระบบ (Fully Automated Operation) ซึ่งก็จะมี หัววัดระบบไฟฟ้า (Piezometer Tip) ภายในมีตัวกำเนิดสัญญาณ (Sensor) ซึ่งนิยมใช้มีอยู่ 2 ประเภท คือ Strain Gauge Type Transducer และ Vibrating Wire
4.1 Strain Gauge Type Transducer ใช้การยืดหดตัวของ Strain Gauge ที่ยึดติดอยู่กับแผ่นไดอะแฟรม เป็นตัวกำเนิดสัญญาณส่งผ่านสายเคเบิลไปสู่เครื่องอ่านสัญญาณไฟฟ้า แบบกระเป๋าหิ้ว หรือแบบติดตั้งอัตโนมัติ เพื่ออ่านค่าและนำไปสู่การคำนวณผลลัพธ์ต่อไป
4.2 Vibrating Wire ใช้การเคลื่อนตัวของไดอะแฟรม ผลักดันเส้นลวดซึ่งตรึงในแนวตั้งฉากกับแผ่นไดอะแฟรม และขึงตึงพอดี โดยยึดติดกับโครงหัววัดแท่งแม่เหล็กที่ติดตั้งด้านข้างในแนวขนานกับเส้นลวด ทำหน้าที่เหนี่ยวนำให้เกิดการสั่นของเส้นลวด และอีกแท่งหนึ่งทำหน้าที่รับคลื่นสัญญาณของการสั่น แล้วส่งไปตามสายนำสัญญาณเข้าสู่เครื่องอ่านเป็นค่าความถี่เพื่อนำไปสู่กระบวนการณ์คำนวณผลลัพธ์ต่อไป

การใช้งานขึ้นอยู่กับชนิดของดินและความละเอียดที่ต้องการวัด ในกรณีที่ดินเป็นดินที่น้ำซึมผ่านได้ง่าย เช่น ดินทราย การวัดความดันน้ำอาจตรวจวัดโดยการวัดระดับน้ำในท่อที่ต่อกับหัววัดความดันน้ำชนิดท่อยืน แต่ในกรณีที่ดินเป็นดินที่น้ำซึมผ่านได้ยาก เช่น ดินเหนียว การวัดความดันน้ำจะต้องใช้อุปกรณ์วัดความดันที่มีความไวค่อนข้างสูง เช่น มาตรวัดความดันน้ำใต้ดินชนิดวัดการสั่นของลวด หรือ มาตรวัดความดันน้ำใต้ดินชนิดใช้แรงอัดอากาศ

ความละเอียดของการวัดความดันน้ำในดินจะต้องไม่น้อยกว่าร้อยละ ±1.0 ของค่าความดันที่วัด หัววัดความดันน้ำต้องสะอาดไม่อุดตัน รอยต่อระหว่างท่อกับหัววัดความดันน้ำ และระหว่างท่อกับท่อจะต้องไม่มีรอยรั่วซึม

ที่มา : http://water.rid.go.th/damsafety/document/2560/Manual%20measurement%20Dam.pdf
http://kb.psu.ac.th/psukb/bitstream/2010/9041/1/353262.pdf
https://www.bloggang.com/mainblog.php?id=motai