ทดสอบกำลังรับน้ำหนักแบกทานของดิน Plate Bearing Test

ก่อนที่จะเริ่มทำการก่อสร้างจริง จะต้องผ่านกระบวนการออกแบบในส่วนต่าง ๆ ตั้งแต่การออกแบบส่วนที่อยู่ใต้ดินไปจนถึงชั้นที่อยู่เหนือดิน ไม่ว่าจะเป็น การออกแบบฐานราก ออกแบบคาน ออกแบบเสา เป็นต้น ด้านการออกแบบส่วนงานวิศวกรรมโยธา ส่วนที่วิศวกรผู้ออกแบบจะต้องให้ความสำคัญเป็นพิเศษ คือ การออกแบบฐานราก เป็นส่วนที่รับน้ำหนักของอาคาร หรือสิ่งปลูกสร้างทั้งหมด และถ่ายน้ำหนักทั้งหมดลงสู่ชั้นดิน

กำลังรับน้ำหนักบรรทุกของดิน (Bearing Capacity) คือ ความสามารถของดินในการรับแรงกระทำจากภายนอก มองให้ถึงคุณสมบัติของดินที่มีกำลังพอที่จะต้านทานน้ำหนักจากการกดทับ ซึ่งเป็นได้ทั้งงานฐานรากที่รับน้ำหนักของโครงสร้างอาคาร แล้วถ่ายลงสู่ดินโดยตรง หรือ จะอยู่ในส่วนของงานพื้นทาง ที่เป็นลักษณะงานโครงสร้างพื้นฐานตามแนวราบของอาคาร ทำหน้าที่รองรับน้ำหนักบรรทุกภายในอาคาร ได้แก่ น้ำหนักจากยานพหนะ เครื่องจักรขนาดใหญ่ โดยที่น้ำหนักต้องไม่เกินแรงต้าน อยู่ในขั้นที่ต่ำกว่าเกณฑ์ความสามารถในการรับน้ำหนักบรรทุกของมวลดิน (Overstress) เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้เกิดการทรุดตัวมากเกินไป

ในที่นี้ผู้เขียนขอยกตัวอย่าง แบบงานก่อสร้าง หรือผลการเจาะสำรวจดินระบุให้ใช้ฐานรากแบบเสาเข็ม แต่พอถึงขั้นตอนที่ต้องทำงานจริง แล้วเกิดปัญหาขึ้นที่หน้างาน เกิดความยากลำบากในการก่อสร้างฐานรากแบบเสาเข็ม หรืออาจไม่สามารถก่อสร้างได้เลย เนื่องจากสภาพชั้นดินช่วงบนมีลักษณะเป็นชั้นดินแข็งมาก อยู่ในภาวะดินที่ไม่อาจตอกเข็มลงได้ อีกทั้งสิ่งปลูกสร้างเป็นอาคารที่ไม่สูงมากนัก จำเป็นต้องพิจารณาเปลี่ยนแบบฐานรากให้เป็นแบบฐานรากที่ไม่มีเข็ม หรือฐานรากแผ่ เป็นฐานรากที่วางอยู่บนดิน หรืออาจกล่าวได้ว่า ดินเป็นชั้นสุดท้ายที่ต่อจากฐานราก ที่รับช่วงการถ่ายน้ำหนักลงมาจากโครงสร้างอาคาร ในการออกแบบฐานรากแผ่นั้น วิศวกรผู้ออกแบบจะต้องคำนึงถึงความปลอดภัยของโครงสร้าง และความประหยัดในการออกแบบโครงสร้างดังกล่าว ข้อมูลเบื้องต้นที่วิศวกรผู้ออกแบบจำเป็นต้องทราบก่อนการออกแบบโครงสร้างฐานรากแผ่ คือ ค่ากำลังรับน้ำหนักบรรทุกของดิน และประเภทของดิน ณ บริเวณที่ทำการก่อสร้างอาคาร

ดังนั้นก่อนที่จะเริ่มดำเนินการก่อสร้างฐานรากที่เหมาะสมกับสภาพดินครั้งใหม่ ต้องมีการจัดการให้มีการทดสอบกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของดิน มีกำลังพอที่จะต้านทานน้ำหนักจากฐานรากนั้นได้ ด้วยวิธี การ ทดสอบค่ากำลังรับแรงแบกทานของดิน Plate Bearing Test คือ ค่าโมดูลัสการต้านแรงกดของชั้นดิน Modulus of subgrade reaction (k)

การ ทดสอบกำลังรับน้ำหนักแบกทานของดิน Plate Bearing Test หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง คือ การทดสอบการรับน้ำหนักบรรทุกของชั้นฐานราก อีกทั้งยังเป็นการหาความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักกดกับการทรุดตัว ในกรณีที่มีการกำหนดให้ต้องขุดหลุมทดสอบ ซึ่งมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 4B (B คือ เส้นผ่าศูนย์กลางของแผ่นเหล็กทดทอบ) ขึ้นไป ที่ความลึก D_f (D_f คือ ความลึกของฐานรากที่เสนอ) โดยให้น้ำหนักสถิตย์กดผ่านแผ่นเหล็กรูปวงกลม (อาจพิจารณาให้เลือกใช้ แผ่นเหล็กรูปสี่เหลี่ยม) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางตั้งแต่ 6 นิ้ว ถึง 30 นิ้ว มาใช้ในการทดสอบ หรือ อาจมีการกำหนดให้ใช้แผ่นเหล็กทดสอบที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 12 นิ้ว หนา 1 นิ้ว วางไว้ที่กึ่งกลางของหลุม ซึ่งอาจมีการแบ่งน้ำหนักออกเป็น 10 ช่วง โดยแต่ละช่วงจะเพิ่มขึ้นช่วงละ 1 ใน 10 ของหน่วยน้ำหนักกดบนแผ่นเหล็กสูงสุด หรือไม่เกิน 95 ตันต่อตารางเมตร โดยใช้ Hydraulic Jack ในการกดน้ำหนักทดสอบ ระหว่างการให้น้ำหนักในแต่ละครั้ง และสังเกตการทรุดตัวของแผ่นเหล็กทดสอบโดยอ่านค่า จาก Dial gauges ทั้ง 3 ตัว แต่ละตัวจะประจำอยู่ในแต่ละจุด จัดให้อยู่ในช่วงที่ห่างกันอย่างเหมาะสม หลังจากนั้นจึงนำค่าที่ได้ในสนามมาเขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงแบกทาน กับอัตราการทรุดตัว ตาม มาตรฐาน ASTM D1194-94 โดยปกติวิสัยอัตราการทรุดตัวที่เกิดจากน้ำหนักกดทับนั้นจะเพิ่มขึ้น ตามการเพิ่มน้ำหนักด้วยแรงกด หลังจากที่มีการคลายน้ำหนักกดทับให้ลดลงไป พฤติกรรมของดิน หรือมวลรวม จะเกิดการคลายตัว หรือมีการปรับตัวในทิศทางตรงกันข้ามกับน้ำหนักกดทับ เราจะเรียกพฤติกรรมนี้ว่า การคืนตัว หรือ ตามหลักฐานทางวิชาการ ที่มีใจความสำคัญ คือ พฤติกรรมการคืนตัวในแนวดิ่งของผิวทดสอบ เมื่อมีน้ำหนักกระทำนั้นออกไป แต่ก็มีความเป็นไปได้ที่น้ำหนักกดนั้น อาจเพิ่มได้ถึงเกณฑ์ที่มากพอ ที่จะปรากฏให้เห็น ค่าการทรุดตัวชนิดคงค้าง หรือบางครั้งเราก็เรียกค่าการทรุดตัวนี้ว่า ค่าการทรุดตัวชนิดคงเหลือ เป็นค่าส่วนต่างระดับของพื้นผิวทดสอบก่อนมีน้ำหนักกระทำ และหลังจากเอาน้ำหนักกระทำนั้นออกไป ปกติการบดอัดดินหรือมวลรวม นอกจากคุณสมบัติทางกายภาพ หรือกลสมบัติ แล้วรายการก่อสร้างอาจระบุกำลังรับแรงแบกทาน หรือแรงธาร (Bearing capacity) และการทรุดตัวสูงสุด (Maximum allowable settlement) ของดินหรือมวลรวมไว้ด้วย ค่าพารามิเตอร์ตัวสำคัญ ที่นำไปใช้ในการออกแบบฐานราก และหาได้เฉพาะ การทดสอบกดด้วยแผ่นเหล็กในสนาม Plate Bearing Test คือ ค่าโมดูลัสการต้านแรงกดของชั้นดิน Modulus of subgrade reaction (k) เป็นค่าที่แสดงถึง ความแข็งแรงของชั้นดินใต้ฐานราก เป็นแบบแห่งการจำลองพฤติกรรมฐานรากที่วางอยู่บนชั้นรองรับที่เป็น ฐานรองรับยืดหยุ่น (Elastic support) ที่อยู่ในสภาวะดินที่มีความยืดหยุ่นคล้ายสปริง หรือเป็นตามกฎธรรมชาติ คือ ดินสามารถยุบตัวภายใต้น้ำหนักกด ดังนั้นจึงอาจแสดงกลสมบัติของดินด้วย ค่าโมดูลัสการต้านแรงกดของชั้นดิน Modulus of subgrade reaction (k) ซึ่งเปรียบเสมือนค่านิจของสปริง (Spring contstant; k = F/x) ความหมายของค่าดังกล่าวในเชิงปริมาณ คือ แรงต้องใช้กดดินในพื้นที่ 1 ตารางเมตร ให้ยุบตัว 1 เมตร อนึ่ง การประเมินค่าโมดูลัสความยืดหยุ่น และการแปลงค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นให้เป็นค่าคงที่ k

การ ทดสอบกำลังรับน้ำหนักแบกทานของดินในสนาม Plate Bearing Test จะเริ่มต้นด้วย การเตรียมหลุมทดสอบ ต้องขุดเปิดหลุมทดสอบให้มีความลึกตามกำหนด ส่วนความกว้างนั้นต้องไม่น้อยกว่า 4 เท่า ของขนาดแผ่นเหล็ก ซึ่งในบางครั้งอาจมีความจำเป็นต้องใช้ทรายละเอียด ทรายผสมกับปูนพลาสเตอร์ หรือปูนพลาสเตอร์เพียงอย่างเดียว เข้าช่วยในการปรับพื้นที่ทดสอบ Plate Bearing Test ให้เรียบ และได้ระดับ เข้าสู่ขั้นตอนของการวางแผ่นเหล็กรูปวงกลม (Steel Bearing Plate) ความหนาไม่น้อยกว่า 1 นิ้ว ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 6 นิ้ว, 12 นิ้ว, 18 นิ้ว, 24 นิ้ว และ 30 นิ้ว วางซ้อนกันตรงศูนย์กลางบริเวณที่ทำการทดสอบ เพื่อกระจายแรงในแนวดิ่งลงสู่ดิน โดยเริ่มจากแผ่นแรก ที่มีขนาดใหญ่สุดก่อน ประกอบกับการปรับระดับให้ได้ระนาบ แล้วซ้อนด้วยแผ่นที่มีขนาดเล็กกว่าตามลำดับ และติดตั้งเครื่องมือวัดการทรุดตัว Dial Gauge ไว้บนแผ่นเหล็กแผ่นล่างสุด เพื่อวัดค่าการเคลื่อนที่ทางดิ่งของแผ่นเหล็ก แต่ที่เห็นกันโดยทั่วไป มักจะกำหนดให้ใช้ มาตรวัดการทรุดตัว Dial Gauge จำนวน 3 ตัว ให้ติดตั้งไว้ตรงข้ามกัน และห่างจากขอบแผ่นเหล็ก 1 นิ้ว ในกรณีที่ต้องใช้ Dial Gauge ก็จะกำหนดการติดตั้งให้ได้มุมระหว่างกัน 120 องศา เนื้อแท้ของความเป็นน้ำหนักบรรทุก ต้องอาศัยน้ำหนักจากรถตัก หรือที่เรียกกันโดยทั่วไป คือ รถแบคโฮ PC 120 หรือ PC 200 โดยการจัดการเคลื่อนย้ายรถให้กึ่งกลางเพลาอยู่บนกึ่งกลางแผ่นเหล็ก ติดตั้งแม่แรงไฮดรอลิคบนแผ่นเหล็กโดยให้แกนอยู่กึ่งกลางเพลารถยนต์พอดี อีกทั้ง Dial Gauge ดังกล่าวจะต้องยึดติดกับคานเหล็กที่มีฐานรองรับ ซึ่งอยู่ห่างจากแผ่นเหล็กอย่างน้อยที่สุดข้างละ 8 ฟุต ให้เฉลี่ยค่าที่อ่านได้จาก Dial Gauge ทุกตัว เป็นค่าการทรุดตัวโดยเฉลี่ยของการอ่านค่าแต่ละครั้ง เมื่อเครื่องมือพร้อม และมีการติดตั้งเป็นที่เรียบร้อยแล้ว ก็จะเข้าสู่โหมดของการตั้งค่าน้ำหนักเริ่มต้น ซึ่งจะต้องมีการเพิ่มน้ำหนัก และลดลงทันที ทั้งนี้ทั้งนั้นก็ยังคงอยู่ในขอบเขตของการสังเกต และเฝ้าติดตามค่าน้ำหนักดังกล่าวนั้น ต้องเพียงพอให้เกิดการทรุดตัว ไม่น้อยกว่า 0.01 นิ้ว แต่ต้องอยู่ในขอบเขตที่ไม่เกิน 0.02 นิ้ว เมื่อเข็มของ Dial Gauge หยุดนิ่ง หลังจากที่คลายน้ำหนักออก แล้วให้กดน้ำหนักลงบนแผ่นเหล็กอีกครั้งประมาณครึ่งหนึ่งของน้ำหนักที่ทำให้เกิดการทรุดตัวระหว่าง 0.02 – 0.01 นิ้วดังกล่าว (ค่าน้ำหนักนี้เรียกว่า seating load) เมื่อเข็มหยุดนิ่งจึงตั้งค่าเริ่มต้น (Zero mark) ของเกจทุกตัว สิ่งที่ได้กล่าวมาข้างต้นเป็นแค่เพียงการจัดเตรียมความพร้อมที่จะทดสอบ Plate Bearing Test แบบจริงจัง โดยพิจารณาน้ำหนักกดบนแผ่นเหล็กสูงสุดที่ทดสอบได้ (หรือพิจารณาน้ำหนักที่ใช้ในการออกแบบ) ซึ่งต้องมีจำนวนช่วงแรงดันที่ใช้เป็นตัวหารน้ำหนัก โดยแต่ละช่วงจะเพิ่มขึ้นช่วงละ 1 ใน 10 ของหน่วยน้ำหนักกดบนแผ่นเหล็กสูงสุด หรือ เพิ่มในอัตราร้อยละของน้ำหนักกดบนแผ่นเหล็กสูงสุดที่ทำการทดสอบ จำนวนช่วงจะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับความละเอียดของผลทดสอบที่ต้องการ หากจำนวนช่วงที่ปล่อยน้ำหนักทดสอบมาก ก็จะได้มาซึ่งข้อมูลในระดับที่ดีกว่า คุณภาพสูงกว่า ในแต่ละช่วงน้ำหนักที่กด ให้รอจนกระทั่งอัตราการทรุดตัวไม่เกิน 0.001 นิ้ว (0.03 มิลลิเมตร) ต่อนาที ในช่วงเวลา 3 นาทีติดต่อกัน จึงอ่านค่าการทรุดตัว และหาค่าเฉลี่ยของการทรุดตัวจากค่าที่อ่านได้จาก Dial Gauge ทั้งหมด เพิ่มน้ำหนักกดเป็นช่วงไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งค่าการทรุดตัวถึงที่กำหนดไว้ (โดยปกติโครงสร้างอาคารใช้การทรุดตัว 25 มิลลิเมตร) หรือจนกระทั่งน้ำหนักกดถึงขีดจำกัดของเครื่องมือที่ทดสอบ ขึ้นอยู่กับอย่างไหนจะถึงก่อน ณ จุดนี้ให้คงน้ำหนักกดไว้ รอจนกระทั่งอัตราการทรุดตัวไม่เกิน 0.001 นิ้วต่อนาที ในช่วง 3 นาที บันทึกค่าการทรุดตัว หลังจากนั้นคลายน้ำหนักกดจนกระทั่งถึงค่า Seating load คงน้ำหนักนี้ไว้จนอัตราการคืนตัวไม่เกิน 0.001 นิ้วต่อนาที ในช่วง 3 นาทีติดต่อกัน บันทึกค่าการทรุดตัวที่ Seating load ทุกการทดสอบอาจมีการปรับเปลี่ยนได้ตามสภาพหน้างานจริง การนำไปใช้จริง ก็ควรคิดถึงความน่าจะเป็นในข้อจำกัดของเวลา และงบประมาณที่ใช้ในการทดสอบ อาจมีการโฟกัส และเน้นย้ำไปที่ช่วงของการเพิ่มน้ำหนัก อาจต้องมีการรักษาเวลาไว้อย่างน้อย 15 นาที บันทึกการทรุดตัวทุกครั้ง ก่อนและหลังการเปลี่ยนน้ำหนัก ลดน้ำหนักลงในแต่ละช่วง ช่วงละ 25% ของน้ำหนักทดสอบสูงสุด บันทึกการคืนตัวต่อจนกว่าการเสียรูปจะสิ้นสุดลง หรือมีระยะเวลาไม่น้อยกว่าช่วงเวลาการให้น้ำหนัก

ทุกครั้งที่มีการทดสอบ Plate Bearing Test ต้องมีการรักษาน้ำหนักทดสอบไว้ไม่น้อยกว่า 3 นาที และอัตราการทรุดตัวที่ได้ต้องน้อยกว่า 0.03 มิลลิเมตร ต่อนาที จึงจะเพิ่มน้ำหนักขั้นต่อไปได้ แต่ก็มีความเป็นไปได้ที่อัตราการทรุดตัวอาจสูงกว่า 0.03 มิลลิเมตร ต่อนาที ให้คงค้างน้ำหนักทดสอบนั้นไว้ 3 นาที ถ้าอัตราการทรุดตัวยังสูงกว่า 0.03 มิลลิเมตร ต่อนาที ก็ยังคงต้องค้างน้ำหนักไว้จนกว่าอัดตราการทรุดตัวน้อยกว่า 0.03 มิลลิเมตร ต่อนาที ไม่ว่าค่าอัตราการทรุดตัวที่ได้จะอยู่ในระดับใดก็ตาม หากค่าการทรุดตัวทั้งหมดที่ได้จาการวัด (Total Settlement) เกินกว่า 25 มิลลิเมตร ให้หยุดการทดสอบนั้น แล้วจัดให้มีการใช้น้ำนักบรรทุกสูงสุด เพื่อใช้ในการคำนวณหาค่าความสามารถในการับน้ำหนักบรรทุกของดิน แต่เมื่อใดก็ตามที่อัตราการทรุดตัวที่ได้น้อยกว่า 0.03 มิลลิเมตร ต่อนาที และค่าการทรุดตัวทั้งหมด (Total Settlement) ต่ำกว่า 25 มิลลิเมตร หรือ ค่าการทรุดตัวทั้งหมดน้อยกว่าที่กำหนด
ก็ให้ดำเนินการทดสอบให้น้ำหนักบรรทุกต่อไป จนถึงน้ำหนักทดสอบสูงสุด

ที่มา :

http://kmcenter.rid.go.th/kcresearch/MANUAL_OUT/MAEN0012.PDF

http://dspace.nstru.ac.th:8080/dspace/bitstream/123456789/2136/1/Fulltext.pdf

https://conference.thaince.org/index.php/ncce25/article/download/627/260/

http://www.เสาเข็มสปันไมโครไพล์.com/เกี่ยวกับการก่อสร้าง/plate-bearing-test-20190822/

http://www.meshlinkthai.com/images/sub_1345874860/Advanced%20Foundation.pdf