CBR TEST:California Bearing Ratio Service

ASTM D 1883 – 67

ในปี ค.ศ.1929 California Division of Highway ได้กำหนดวิธีทดสอบจำแนกคุณสมบัติของดินเพื่อที่จะนำมาใช้ประโยชน์ในการเลือก วัสดุที่เหมาะสมในการก่อสร้างถนนและในระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 2 จำเป็นต้องพัฒนาการการสร้างสนามบิน เพื่อรับกับเครื่องบินรบซึ่งน้ำหนักบรรทุกอาวุธยุทธภัณฑ์หนักเพิ่มขึ้นมาก หน่วยทหารช่างของสหรัฐอเมริกาได้นำวิธีการทดสอบคุณสมบัติแบบ CBR มาใช้ในการออกแบบและก่อสร้างทางวิ่งของสนามบินและวิธีการดังกล่าวก็เป็นที่ ยอมรับและนิยมใช้กันโดย ทั่วไป

Design Chart ใช้กำหนดความหนาของรองพื้นทาง พื้นทาง และผิวทาง ตามวิธีของ Road Note No.31

CBR test เป็นวิธีการทดสอบวัดแรงเฉือน (Shearing resistance) ของดินที่บดอัดจนแน่นดีแล้ว (ส่วนมากจะทดสอบที่ Optimum moisture content) โดยการใช้ท่อนเหล็กกลมตัน (Piston) ขนาดพื้นที่หน้าตัด 3 ตร.นิ้ว กดลงบนดินตัวอย่างที่เตรียมไว้ด้วยอัตรา 0.05 นิ้วต่อนาที แล้วนำไปหาอัตราส่วนเปรียบเทียบกับค่า Unit load มาตรฐานที่ได้จากการทดลองกด piston ขนาดเดียวกันนี้บนหินที่ compact แน่นที่ความลึกของ penetration เท่ากัน ค่าที่ได้นี้เรียกว่า “เปอร์เซ็นต์ CBR” เทียบอัตราส่วนเป็นเปอร์เซ็นต์ของ Standard Unit load เขียนเป็นสมการของอัตราส่วนได้ดังนี้

ค่า standard unit load ซึ่งได้จากการทดลองกดท่อนเหล็กกลมตัน (Piston) มีพื้นที่หน้าตัด 3 ตร.นิ้ว บนหินคลุกมาตรฐานบดอัดแน่นขนาดต่างๆ กันหลายขนาดมีค่ามาตรฐานดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ค่า standard unit load ที่ความลึกต่างๆ

ค่า %CBR โดยทั่วไปแล้ว จะใช้ค่าอัตราส่วนของแรงกดที่ความลึก 0.1 นิ้ว แต่ถ้าผลปรากฏออกมาว่า %CBR ของแรงกดที่ความลึก 0.2 นิ้ว สูงกว่าที่ความลึก 0.1 นิ้ว การทดลองควรจะต้องกระทำซ้ำอีกครั้ง ซึ่งถ้าค่า %CBR ที่ได้มายังเป็นไปในรูปเดิม ก็ให้ใช้ค่า %CBR ที่การยุบตัว 0.2 นิ้ว

ค่า CBR นำมาใช้ประโยชน์ในการออกแบบความหนาของถนนลาดยาง (flexible pavement) โดยการกำหนดความหนาจาก design charts หรืออาจใช้ช่วยในการกำหนดค่า Subgrade Modulus (K) ของดินจากตารางเปรียบเทียบเพื่อช่วยในการออกแบบถนนคอนกรีตได้อีกด้วย

แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง CBR, K, R และ Bearing Value

จากค่า CBR ของดินแต่ละชนิดยังสมารถกำหนดคุณสมบัติของดินอย่างคร่าว ๆ ว่าเหมาะที่จะใช้กับงานก่อสร้างถนนในชั้นดินถม ชั้นรองพื้นทาง (subbase) หรือชั้นพื้นทาง (base) ดังตารางข้างล่างนี้

ตารางที่ 2 ความสัมพันธ์ของ % CBR และการใช้งาน

การทดสอบ CBR ทำได้ทั้งในห้องปฏิบัติการและในสนาม จากตัวอย่างดินที่บดอัดแน่นตามวิธีการของ Standard หรือ Modified Proctor ดินตัวอย่างที่เตรียมสำหรับทดลองในห้องปฏิบัติการจะต้องเตรียมขึ้น 2 ชุด ชุดหนึ่งใช้กดทดลองหาค่า Penetration ทันทีหลังจากเตรียมตัวอย่างเสร็จ อีกชุดหนึ่งจะต้องแช่น้ำไว้ 96 ชั่วโมง เพื่อให้ดินอมน้ำจนอิ่มตัว และเพื่อจุดประสงค์จะวัดหาอัตราการบวมตัวของดินด้วย ในระหว่างที่ทำการแช่น้ำอยู่จะต้องมีน้ำหนักวางกดทับบนดินตัวอย่าง (Surcharge) ไม่น้อยกว่า 10 ปอนด์ หรือเท่ากับน้ำหนักของพื้นทางและผิวจราจร เหตุผลที่ทำเช่นนี้ก็เพื่อจะหาค่า CBR ที่ควรจะเกิดขึ้นจริง ๆ ในสนาม กล่าวคือ ในหน้าฝนระดับน้ำใต้ดินจะสูงจนทำให้ดินที่รองรับถนนอยู่อิ่มตัว และอัตราการบวมตัวของดินที่จะมาใช้ในการก่อสร้างจะเป็นค่าหนึ่งซึ่งสามารถ บ่งบอกถึงคุณสมบัติ และความเหมาะสมในการใช้งานของวัสดุนั้น ๆ

การเตรียมตัวอย่างดิน
1. ดินตัวอย่าง ก่อนจะนำมาทดลองจะต้องปล่อยทิ้งให้แห้งในห้องปฏิบัติการ (air dry) แบ่งดินออกเป็นกองตามวิธี Quartering แล้วร่อนผ่านตะแกรงเบอร์ 3/4” ส่วนที่ค้างบนตะแกรงเบอร์ 3/4” ให้ทิ้งไปและชดเชยด้วยดินที่ผ่านตะแกรงเบอร์ 3/4” แต่ค้างบนตะแกรงเบอร์ 4 ด้วยจำนวนน้ำหนักเท่ากัน
2. หาจุด Optimum moisture content โดยวิธี Modified Proctor method

สำหรับตัวอย่างดินที่ไม่ต้องมีการแช่น้ำ (Unsoaked CBR Test)

1. ชั่งดินที่เตรียมไว้ประมาณ 12 ปอนด์ หรือ 6 กก. และนำดินตัวอย่างประมาณ 100 กรัม เพื่อนำไปหาเปอร์เซ็นต์ความชื้น (initial water content) ที่มีอยู่ในดินตัวอย่าง

2. เตรียม mold ไว้ 2 ชุด ชั่งหาน้ำหนัก mold (เฉพาะ mold ไม่รวม base plate)

3.ประกอบ mold เข้ากับ base plate และ spacer (ขนาด Ø 6” x 2”) ใช้กระดาษกรอง Ø 6” ปูทับบน spacer เพื่อป้องกันไม่ให้ดินเกาะติดกับแผ่นเหล็ก

4. กระทุ้งดินอัดแน่นใน mold ตามวิธี compaction test ASTM D 1557 optimum moisture content ±2%

5. หลังจากบดอัดจนครบจำนวนชั้นและจำนวนครั้งแล้วถอด collar ออก ใช้ไม้บรรทัดเหล็ก (Straight edge) ปาดดินส่วนที่สูงเกินขอบ mold พร้อมกับซ่อมแต่ผิวบนของดินตัวอย่างให้เรียบเสมอกับปาก mold

6. ถอด base plate และ spacer disc ออก นำ mold และดินไปชั่งหาน้ำหนักเพื่อจะนำไปหา wet density

7. เอากระดาษกรองวางบน base plate เพื่อป้องกันไม่ให้ดินเกาะติดแผ่นเหล็กประกอบ mold ที่มีดินอัดแน่นนี้เข้ากับ base plate โดยให้ปาก mold ด้านที่มีดินเสมอปากว่างบน base plate และส่วนที่มีช่องว่าง 2.5 นิ้วอยู่ด้านบน

8. วางแผ่นเหล็ก surcharge อย่างน้อย 10 ปอนด์ ลงบนดินตัวอย่างใน mold

9. จัดวาง mold พร้อมดินตัวอย่างเข้าเครื่องกดทดลองซึ่งมี piston ขนาดพื้นที่หน้าตัด 3 ตร.นิ้ว ประกอบติดอยู่ จัดให้ผิวหน้าของดินใน mold แตะสัมผัสกับ piston ดังกล่าว จัดเข็ม dial gauge ที่จะใช้วัด penetration ให้อยู่ที่จุดศูนย์

10. จัดการ Load ในอัตรา 0.05 นิ้วต่อนาที พร้อมกับอ่านค่าน้ำหนักที่ตรงกับ penetration 0, 0.025, 0.050, 0.750, 0.100, 0.150, 0.200, 0.250, 0.300, 0.400 และ 0.500 นิ้ว

11. เสร็จแล้วถอด mold ออกจากเครื่องกดทดลองเก็บตัวอย่างดินตรงกลางตามแนวตั้งประมาณ 100 กรัม (fined grained soil) หรือประมาณ 500 กรัม (coarse grained soil) นำไปหาเปอร์เซ็นต์ความชื้น (water content)

สำหรับตัวอย่างดินที่มีการแช่น้ำ (Soaked sample) ทำข้อ 12 – 18 เพิ่มเติม

12. วางแผ่นเหล็ก surcharge หนัก10 ปอนด์ ลงบนดินตัวอย่างใส่ swell plate สำหรับวัดอัตราการบวมของดิน ซึ่งมีด้านขันเกลียวขึ้นลงได้ติดอยู่กลาง plate ก่อนวางแผ่นเหล็ก surcharge ลงบนดินตัวอย่างจะต้องเอากระดาษกรองวางคั่นใต้แผ่น surcharge เสียก่อนเพื่อป้องกันไม่ให้ดินติดแน่นกับแผ่นเหล็กหลังจากแช่น้ำแล้ว

13. แช่ mold ที่เตรียมไว้ในข้อ 12 นี้ ในภาชนะที่เตรียมไว้ ให้น้ำท่วม surcharge ประมาณ 1 นิ้ว ใช้ dial gauge อ่านได้ละเอียด 0.001 นิ้ว ยึดติดกับ tripod แล้ววางบนปาก mold จัดให้ปลายของ dial gauge แตะสัมผัสกับก้าน swelling plate เพื่อวัดหาค่าการบวมตัวของดินต่อไป

14. แช่ดินตัวอย่างไว้ประมาณ 4 วัน จดค่าการบวมตัวจาก dial gauge ทุกวันจนครบ 4 วัน (ถ้าหากค่าการบวมตัวคงที่อาจจะหยุดอ่านได้หลังจากแช่น้ำแล้ว 48 ชั่วโมง)

15. หลังจากแช่ครบ 4 วันแล้ว ยก mold ออกจากน้ำและวางตะแคง mold เพื่อรินน้ำทิ้ง และปล่อยทิ้งไว้ 15 นาที เพื่อให้น้ำไหลออกจาก mold จนหมด
16. นำ mold พร้อมดินไปชั่งหาน้ำหนัก
17. ทำการทดลองตามวิธีข้อ 9 – ข้อ 10
18. เก็บดินตัวอย่างจาก soaked sample ไปหาเปอร์เซ็นต์ความชื้น

การคำนวณ

1. คำนวณหาค่าแรงกดโดยสมการ;

2. เขียนกราฟระหว่าง Test unit load ในแกนตั้งกับ penetration ในแกนนอน จากค่าที่ได้ทั้ง Unsoaked และ Soaked sample ลงในกระดาษกราฟแผ่นเดียวกัน โดยปกติแล้วจะได้รูป curve โค้งคว่ำผ่านจุด origin แต่บางครั้งอาจจะปรากฏว่า curve ที่ได้มีรัศมีลักษณะโค้งหงายในช่วงแรก ซึ่งจำเป็นจะต้องมีการแก้ไขให้ได้ค่าที่ถูกต้องด้วยการลากเส้นตรงให้สัมผัส กับ curve ตรงส่วนที่มี slope ชันที่สุด ไปตัดกับแกนนอนที่จุดนั้นเป็น origin ใหม่และ origin ใหม่นี้จะต้องอยู่ทางด้านขวาของ origin เดิมเสมอ เรียกว่า “Initial Correction”

กราฟความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงกดและระยะจม

3. อ่านค่า test unit load จากกราฟที่ 0.1 และ 0.2 นิ้ว จากกราฟ และคำนวณหาค่า %CBR โดยค่า standard unit load ใช้ค่าจากตารางที่ 1

4. คำนวณหาเปอร์เซ็นต์ความชื้นและ dry density ของดินตัวอย่างทั้งสอง
5. ถ้า % CBR ที่ 0.2 “มีค่ามากกว่า % CBR ที่ 0.1 ให้ทำการทดสอบอีกครั้ง ถ้าผลยังเหมือนเดิมให้ใช้ % CBR ที่ 0.2”