มาตรฐานที่ใช้คือ ASTM D8169/D8169M-26 (Standard Test Methods for Deep Foundations Under Bi-Directional Static Axial Compressive Load) ซึ่งเป็นมาตรฐานแยกจาก ASTM D1143 ที่ใช้กับการทดสอบกดจากหัวเสาเข็ม บทความนี้อธิบายหลักการทำงาน ข้อมูลที่ได้ ความต่างจาก Kentledge และ Reaction Pile กรณีที่เหมาะจะใช้ และข้อจำกัด เพื่อเป็นความรู้ทั่วไปสำหรับเจ้าของโครงการและผู้รับเหมา

ภาพแรกแสดงหลักการในกรณีที่ฝังเซลล์ใกล้ปลายเสาเข็ม ให้ดูทิศลูกศรของส่วนบนกับส่วนล่าง และกราฟด้านขวาที่แสดงว่าแรงเดียวกันทำให้ทั้งสองส่วนเคลื่อนตัวคนละทิศ

หลักการทดสอบ Bi-Directional Static Load Test (O-cell) ในเสาเข็มเจาะ พร้อมกราฟแรงกับการเคลื่อนตัวสองทิศทาง ภาพซ้ายเป็นรูปตัดเสาเข็มเจาะในชั้นดินเหนียวอ่อน ดินเหนียวแข็ง และชั้นทรายแน่น มีเซลล์แรงดัน O-cell พร้อมแผ่นเหล็กรับแรงฝังอยู่ใกล้ปลายเสาเข็ม เมื่ออัดแรงดันไฮดรอลิกจากปั๊มบนผิวดินผ่านท่อ เซลล์จะดันเสาเข็มส่วนบนขึ้นซึ่งถูกต้านด้วยแรงเสียดทานผิว และดันส่วนล่างลงซึ่งถูกต้านด้วยแรงแบกทานปลาย แท่ง Telltale และมาตรวัดบนคานอ้างอิงใช้วัดการเคลื่อนตัวของแผ่นบนและแผ่นล่าง ภาพขวาเป็นกราฟแรงจาก O-cell กับการเคลื่อนตัว เส้นส่วนบนเคลื่อนขึ้น เส้นส่วนล่างเคลื่อนลง แถบด้านล่างสรุปว่าไม่ต้องใช้น้ำหนักถ่วง แยกค่าแรงเสียดทานกับแรงแบกทานได้ในการทดสอบครั้งเดียว และแรงสองทิศเท่ากันเสมอจึงหยุดเมื่อฝั่งใดฝั่งหนึ่งถึงขีดจำกัด หลักการ O-cell: ดันจากภายในเสาเข็ม 2 ทิศทาง แผนภาพไม่ตามมาตราส่วน ดินเหนียวอ่อน ดินเหนียวแข็ง ชั้นทรายแน่น ปั๊มไฮดรอลิก ส่วนบนถูกดันขึ้น ↑ ต้านด้วยแรงเสียดทานผิว (Qs) Telltale + มาตรวัด วัดการเคลื่อนที่แผ่นบน / ล่าง O-cell (เซลล์แรงดัน) แม่แรงไฮดรอลิก + แผ่นเหล็ก ส่วนล่างถูกดันลง ↓ ต้านด้วยแรงแบกทานปลาย (Qb) กราฟแรง–การเคลื่อนตัว 2 ทิศ ↑ เคลื่อนขึ้น ↓ เคลื่อนลง แรงจาก O-cell → ส่วนบน (Qs) ส่วนล่าง (Qb) แรงสองทิศเท่ากันเสมอ ฝั่งที่ถึงขีดจำกัดก่อนกำหนดจุดหยุด 1 ไม่ต้องใช้น้ำหนักถ่วง ไม่ต้องมีเสาเข็มสมอ / คานปฏิกิริยา 2 แยก Qs กับ Qb ได้ ในการทดสอบครั้งเดียว 3 มาตรฐานอ้างอิง ASTM D8169/D8169M-26
หลักการ O-cell เมื่อฝังเซลล์ใกล้ปลายเสาเข็ม — ส่วนบนถูกดันขึ้นโดยมีแรงเสียดทานผิว (Qs) ต้านไว้ ส่วนล่างถูกดันลงโดยมีแรงแบกทานปลาย (Qb) ต้านไว้ แรงสองทิศเท่ากันเสมอ การทดสอบจึงหยุดเมื่อฝั่งใดฝั่งหนึ่งถึงขีดจำกัดก่อน (แผนภาพ: SPN Soil Engineering)

Bi-Directional Load Test ทำงานอย่างไร?

Bi-Directional Load Test ทำงานโดยใช้แม่แรงไฮดรอลิกที่ฝังในเสาเข็มดันเสาเข็มสองส่วนออกจากกัน ชุด O-cell ติดตั้งกับโครงเหล็กเสริมที่ระดับความลึกที่ออกแบบไว้ แล้วเทคอนกรีตหุ้ม เมื่อคอนกรีตได้กำลังแล้วจึงอัดแรงดันให้เซลล์ขยายตัว ดันส่วนบนขึ้นและส่วนล่างลงพร้อมกัน แรงปฏิกิริยาของทั้งสองทิศหักล้างกันเองในตัวเสาเข็ม โดยไม่ต้องใช้น้ำหนักถ่วงจากภายนอก

  • ส่วนบน (เหนือเซลล์) ถูกดันขึ้น → วัดแรงเสียดทานผิว (skin friction) ของช่วงเหนือเซลล์ ตอนแปลผลต้องหักน้ำหนักตัวเสาเข็มส่วนนี้ออก
  • ส่วนล่าง (ใต้เซลล์) ถูกดันลง → วัดแรงต้านรวมของแรงเสียดทานผิวช่วงล่างกับแรงแบกทานปลาย (end bearing) ถ้าเซลล์อยู่ใกล้ปลายเข็ม ค่านี้จะใกล้เคียงแรงแบกทานปลาย
  • เครื่องมือวัดแรงดันในแม่แรงและการเคลื่อนตัวของแผ่นบนกับแผ่นล่าง → ได้กราฟ load-movement สองทิศทาง

ข้อดีเชิงหลักการคือ เสาเข็มทำหน้าที่เป็นทั้งตัวรับแรงและตัวต้านแรงในตัวเอง จึงทดสอบน้ำหนักได้สูงมากในพื้นที่จำกัด แรงที่ดันขึ้นและดันลงเท่ากันเสมอ การทดสอบจึงสิ้นสุดเมื่อส่วนใดส่วนหนึ่งถึงขีดจำกัดก่อน

ข้อมูลที่ได้โดยตรงจาก O-cell คือแรงต้านของส่วนบนและส่วนล่างของแม่แรงเท่านั้น หากต้องการแยกแรงเสียดทานผิวรายชั้นดิน หรือแยกแรงแบกทานปลายออกจากแรงเสียดทานช่วงล่าง ต้องติดสเตรนเกจเพิ่มหลายระดับในเสาเข็ม ซึ่งเป็นหลักการเดียวกับ Instrumented Static Load Test

ภาพ 2 มิติ (รูปตัดด้านข้าง) และ 3 มิติด้านล่างแสดงกรณีที่ฝังชุด O-cell ที่ระดับสมดุล (Balance Point) ให้สังเกตตำแหน่งแผ่นเหล็กบน-ล่าง แม่แรง ก้านวัด Telltale และลูกศรแรงต้าน ส่วนบนมีแรงเสียดทานผิวครึ่งบนต้านไว้ ส่วนล่างมีแรงเสียดทานผิวครึ่งล่างรวมกับแรงแบกทานปลายต้านไว้

แบบจำลอง 2 มิติ (รูปตัดด้านข้าง) การติดตั้ง Bi-Directional Static Load Test (O-cell) ในเสาเข็มเจาะ เสาเข็มเจาะฝังชุด O-cell ที่ระดับสมดุล ประกอบด้วยแผ่นเหล็กบนและล่างที่มีแม่แรงไฮดรอลิกอยู่ระหว่างกลาง เมื่ออัดแรงดัน ส่วนบนของเสาเข็มถูกดันขึ้นโดยมีแรงเสียดทานผิวครึ่งบนต้านไว้ ส่วนล่างถูกดันลงโดยมีแรงเสียดทานผิวครึ่งล่างและแรงแบกทานปลายต้านไว้ ก้านวัด Telltale ต่อจากแผ่นบนและแผ่นล่างขึ้นมาที่หัวเสาเข็ม เซนเซอร์ LVWDT วัดระยะแยกของแผ่น คานอ้างอิงพร้อมไดอัลเกจวัดการเคลื่อนตัวที่หัวเสาเข็ม และสายไฮดรอลิกต่อไปยังปั๊มกับเครื่องบันทึกข้อมูลบนพื้นดิน รูปตัดด้านข้าง (2D Section) แผนภาพไม่ตามมาตราส่วน คานอ้างอิง + ไดอัลเกจ วัดการเคลื่อนตัวที่หัวเสาเข็ม ก้านวัด Telltale ต่อลงถึงแผ่นบน / แผ่นล่าง แรงเสียดทานผิวครึ่งบน ต้านการเคลื่อนขึ้น ระดับสมดุล (Balance Point) แรงต้านบน ≈ แรงต้านล่าง แรงเสียดทานผิวครึ่งล่าง ต้านการเคลื่อนลง แรงแบกทานปลาย End Bearing ส่วนบนถูกดันขึ้น วัดแรงเสียดทานผิวครึ่งบน แผ่นเหล็กบน-ล่าง ยึดกับโครงเหล็กเสริม O-cell (แม่แรงไฮดรอลิก) LVWDT วัดระยะแยกของแผ่นบน-ล่าง ส่วนล่างถูกดันลง วัดแรงแบกทานปลาย + ผิวครึ่งล่าง ปั๊มไฮดรอลิก + เครื่องบันทึก แรงดัน · การเคลื่อนตัว 2 ทิศ สายไฮดรอลิก จากปั๊มลงถึงแม่แรง
แบบจำลอง 2 มิติ (รูปตัดด้านข้าง) — ชุด O-cell ฝังที่ระดับสมดุลซึ่งออกแบบให้แรงต้านครึ่งบนใกล้เคียงครึ่งล่าง ก้านวัด Telltale วัดการเคลื่อนตัวของแผ่นบนและแผ่นล่างแยกกัน LVWDT วัดระยะแยกของแผ่น จึงได้กราฟ load–movement สองทิศทาง ส่วนคานอ้างอิงที่หัวเสาเข็มใช้ตรวจการเคลื่อนตัวของหัวเข็ม (ภาพ: SPN Soil Engineering)
แบบจำลอง 3 มิติ Bi-Directional Static Load Test (O-cell) แสดงดินแบบตัดออกและเสาเข็มแบบโปร่ง ภาพสามมิติตัดดินออกหนึ่งมุมให้เห็นเสาเข็มเจาะทั้งต้น ชุด O-cell ฝังอยู่ช่วงล่างของเสาเข็ม เมื่ออัดแรงดัน ส่วนบนถูกดันขึ้นและส่วนล่างถูกดันลง ก้านวัด Telltale และสายไฮดรอลิกเดินขึ้นมาที่หัวเสาเข็ม คานอ้างอิงพาดข้ามหัวเสาเข็มโดยมีขารองรับบนพื้นดินทั้งสองฝั่ง ปั๊มไฮดรอลิกและเครื่องบันทึกข้อมูลตั้งบนพื้นดิน กรอบรายละเอียด A แสดงชุด O-cell แบบขยาย ได้แก่ แผ่นเหล็กบน แผ่นเหล็กล่าง แม่แรง 3 ตัว และ LVWDT แผนภาพไม่ตามมาตราส่วน A รายละเอียด A — ชุด O-cell (ขยาย) แผ่นเหล็กบน แม่แรงไฮดรอลิก ×3 LVWDT วัดระยะแยก แผ่นเหล็กล่าง ก้านวัด Telltale และสายไฮดรอลิกยึดกับแผ่นเหล็ก คานอ้างอิง + ไดอัลเกจ ขารองรับอยู่นอกเขตอิทธิพล ก้านวัด Telltale ต่อลงถึงแผ่นบน / แผ่นล่าง ส่วนบนถูกดันขึ้น แรงเสียดทานผิวครึ่งบนต้านไว้ ส่วนล่างถูกดันลง แรงแบกทานปลาย + ผิวครึ่งล่าง เสาเข็มเจาะ แสดงแบบโปร่ง ปั๊มไฮดรอลิก + เครื่องบันทึก แรงดัน · การเคลื่อนตัว 2 ทิศ สายไฮดรอลิก อัดแรงดันเข้าแม่แรง ระดับสมดุล แรงต้านบน ≈ แรงต้านล่าง
แบบจำลอง 3 มิติ — ชุด O-cell แบ่งเสาเข็มเป็นสองส่วน แรงดันในแม่แรงดันส่วนบนขึ้นและส่วนล่างลงพร้อมกัน โดยไม่ต้องมีน้ำหนักถ่วงบนหัวเข็ม กรอบ A แสดงแผ่นเหล็กบน-ล่าง แม่แรง 3 ตัว และ LVWDT ที่วัดระยะแยกของแผ่น (ภาพ: SPN Soil Engineering)

O-cell ต่างจาก Kentledge และ Reaction Pile อย่างไร?

O-cell ต่างจากวิธีดั้งเดิมตรงที่แรงมาจากภายในเสาเข็ม ไม่ใช่กดจากด้านบน Static Load Test แบบดั้งเดิมมี 2 ระบบหลัก คือ Kentledge (ถ่วงน้ำหนักจริง) และ Reaction Pile (ใช้เสาเข็มยึดรั้งดึงคาน) ทั้งสองระบบต้องสร้างแรงต้านไว้เหนือเสาเข็มทดสอบให้ไม่น้อยกว่าน้ำหนักทดสอบสูงสุด อ่านรายละเอียดสองระบบนี้ได้ที่ Kentledge กับ Reaction Pile ต่างกันอย่างไร

เปรียบเทียบที่มาของแรงทดสอบ 3 ระบบ Kentledge, Reaction Pile และ Bi-Directional O-cell สามช่องเรียงจากซ้ายไปขวา ช่องแรก Kentledge วางแท่งน้ำหนักถ่วงบนแพลตฟอร์มเหนือคานหลักซึ่งพาดบนกองไม้รองสองข้าง แม่แรงอยู่ระหว่างหัวเสาเข็มทดสอบกับคานหลัก แม่แรงดันเสาเข็มลงโดยน้ำหนักถ่วงเป็นแรงต้าน ช่องที่สอง Reaction Pile คานหลักยึดกับเสาเข็มยึดรั้งสองข้างด้วยเหล็กเส้นยึด แม่แรงดันเสาเข็มทดสอบลง เสาเข็มยึดรั้งรับแรงดึงขึ้นเป็นแรงต้าน ช่องที่สาม O-cell ฝังเซลล์แรงดันไว้ในเสาเข็มเจาะที่ระดับสมดุล เมื่ออัดแรงดัน ส่วนบนถูกดันขึ้นและส่วนล่างถูกดันลงพร้อมกัน แรงสองทิศหักล้างกันเองในตัวเสาเข็ม บนหัวเข็มมีเพียงคานอ้างอิงกับเกจวัด ใต้แต่ละช่องสรุปน้ำหนักทดสอบสูงสุด พื้นที่หน้างาน การเตรียมล่วงหน้า และมาตรฐานอ้างอิง Kentledge และ Reaction Pile ตาม ASTM D1143 ส่วน O-cell ตาม ASTM D8169/D8169M-26 แรงทดสอบมาจากไหน: 3 ระบบ แผนภาพไม่ตามมาตราส่วน Kentledge น้ำหนักถ่วงจริง กดจากด้านบน Reaction Pile เสาเข็มยึดรั้ง + คานเหล็ก Bi-Directional (O-cell) แรงจากภายในเสาเข็ม P ลง น้ำหนักถ่วง ≥ แรงทดสอบสูงสุด P ลง เข็มยึดรั้งรับแรงดึงขึ้น ระดับสมดุล ปั๊ม ไม่ต้องมีแรงต้านจากภายนอก บนหัวเข็ม = คานอ้างอิง + เกจ น้ำหนักทดสอบสูงสุด จำกัดด้วยน้ำหนักถ่วง พื้นที่หน้างาน ต้องกว้าง เตรียมล่วงหน้า ไม่ต้องฝังเซลล์ มาตรฐานอ้างอิง ASTM D1143 น้ำหนักทดสอบสูงสุด จำกัดด้วยเข็มยึดรั้ง พื้นที่หน้างาน ต้องมีเข็มรอบข้าง เตรียมล่วงหน้า ไม่ต้องฝังเซลล์ มาตรฐานอ้างอิง ASTM D1143 น้ำหนักทดสอบสูงสุด สูงมาก พื้นที่หน้างาน ใช้พื้นที่น้อย เตรียมล่วงหน้า ฝังเซลล์ก่อนเทคอนกรีต มาตรฐานอ้างอิง ASTM D8169/D8169M-26
ที่มาของแรงต่างกัน 3 แบบ — Kentledge ใช้น้ำหนักถ่วงจริงกดจากด้านบน, Reaction Pile ดึงคานเหล็กผ่านเสาเข็มยึดรั้ง ส่วน O-cell สร้างแรงจากภายในเสาเข็มโดยตรง จึงไม่ต้องพึ่งแรงต้านจากภายนอก (แผนภาพ: SPN Soil Engineering)

← เลื่อนดูตารางทั้งหมด →

หัวข้อKentledgeReaction PileBi-Directional (O-cell)
ที่มาของแรงน้ำหนักถ่วงจากด้านบนเสาเข็มยึดรั้ง + คานเหล็กเซลล์แรงดันภายในเสาเข็ม
น้ำหนักทดสอบสูงสุดจำกัดด้วยน้ำหนักถ่วงจำกัดด้วยเสาเข็มยึดรั้งสูงมาก จำกัดด้วยพิกัดเซลล์และฝั่งที่แรงต้านน้อยกว่า
พื้นที่หน้างานต้องใช้พื้นที่กว้างต้องมีเสาเข็มรอบข้างใช้พื้นที่น้อย
ติดตั้งเซลล์ไม่ต้องไม่ต้องต้องฝังก่อนเทคอนกรีต
เหมาะกับเสาเข็มน้ำหนักปานกลางน้ำหนักปานกลาง–สูงเสาเข็มเจาะน้ำหนักสูงมาก
มาตรฐานอ้างอิงASTM D1143ASTM D1143ASTM D8169/D8169M-26

จุดสำคัญคือ Kentledge ต้องขนน้ำหนักถ่วงจำนวนมากมาไว้หน้างาน ส่วน Reaction Pile ต้องเตรียมเสาเข็มยึดรั้งรอบเสาเข็มทดสอบ เมื่อเสาเข็มออกแบบให้รับน้ำหนักสูงมาก การจัดหาแรงต้านทั้งสองแบบจะยากขึ้นและต้นทุนสูงขึ้นตามน้ำหนักทดสอบ O-cell ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ข้อจำกัดนี้

เมื่อไหร่ควรใช้ Bi-Directional Test แทนวิธีดั้งเดิม?

Bi-Directional Test เหมาะเมื่อเสาเข็มเจาะต้องรับน้ำหนักสูงจนการถ่วง Kentledge หรือทำ Reaction Pile ไม่คุ้มค่าหรือทำได้ยาก สถานการณ์ที่มักพิจารณาวิธีนี้ ได้แก่

  1. เสาเข็มเจาะขนาดใหญ่รับน้ำหนักหลายพันตัน — เกินกำลังที่ระบบถ่วงน้ำหนักทั่วไปจะจัดการได้สะดวก
  2. พื้นที่หน้างานจำกัด — ไม่มีที่วางน้ำหนักถ่วงหรือติดตั้งเสาเข็มยึดรั้ง
  3. งานในน้ำหรือนอกชายฝั่ง (offshore) — การขนน้ำหนักถ่วงทำได้ยากมาก
  4. ต้องการแรงต้านส่วนบนและส่วนล่างแยกกัน — O-cell วัดสองส่วนนี้แยกกันโดยตรง ถ้าฝังเซลล์ใกล้ปลายเข็มจะได้ค่าใกล้เคียงแรงแบกทานปลาย ส่วนการแยกรายชั้นดินต้องติดสเตรนเกจเพิ่ม

ทั้งนี้การเลือกวิธีทดสอบต้องพิจารณาร่วมกับชนิดเสาเข็ม ชั้นดิน งบประมาณ และข้อกำหนดโครงการ ซึ่งควรให้วิศวกรผู้รับผิดชอบเป็นผู้ตัดสิน

O-cell มีข้อจำกัดอะไรบ้าง?

ข้อจำกัดหลักของ O-cell คือต้องตัดสินใจก่อนเทคอนกรีต ต้องเลือกระดับเซลล์ให้แรงต้านสองฝั่งสมดุล และต้องแปลผลโดยวิศวกรที่เชี่ยวชาญ รายละเอียดมีดังนี้

  • ต้องวางแผนล่วงหน้า — เซลล์ต้องฝังในเสาเข็มก่อนเทคอนกรีต ติดตั้งย้อนหลังกับเสาเข็มที่เสร็จแล้วไม่ได้
  • ตำแหน่งเซลล์สำคัญ — แรงสองทิศเท่ากันเสมอ ถ้าฝั่งหนึ่งมีแรงต้านน้อยกว่ามาก ฝั่งนั้นจะถึงขีดจำกัดก่อนและต้องหยุดทดสอบ อีกฝั่งจึงไม่ถูกทดสอบจนเต็มพิกัด
  • การแปลผลเฉพาะทาง — ต้องนำกราฟ load-movement สองทิศมาประกอบเป็นเส้นเทียบเท่าการกดจากด้านบน (equivalent top-load) ซึ่งต้องอาศัยวิศวกรที่เชี่ยวชาญ
  • การใช้เสาเข็มทดสอบต่อต้องกำหนดตั้งแต่ต้น — ทำได้หรือไม่ขึ้นกับการออกแบบและการอัดน้ำปูนอุดช่องว่างที่ระดับเซลล์หลังทดสอบ

เพราะมีรายละเอียดทางเทคนิคสูง การเลือกระหว่าง O-cell กับวิธีอื่นจึงต้องวิเคราะห์เป็นกรณีไป สำหรับเสาเข็มเจาะขนาดใหญ่ ควรวางแผนการตรวจความสมบูรณ์ของเนื้อคอนกรีตควบคู่ไปด้วย เช่น Cross Hole Sonic Logging (CSL) ซึ่งต้องฝังท่อตั้งแต่ก่อนเทคอนกรีตเช่นกัน

สรุป

Bi-Directional Static Load Test (O-cell) คือการทดสอบเสาเข็มเจาะรับน้ำหนักสูงโดยใช้เซลล์แรงดันภายในเสาเข็มดันขึ้น-ลงแทนการกดจากด้านบน จุดเด่นคือทดสอบน้ำหนักได้สูงมากในพื้นที่จำกัด และได้แรงต้านส่วนบนกับส่วนล่างของเซลล์แยกกันในการทดสอบครั้งเดียว เหมาะกับงานที่ Kentledge หรือ Reaction Pile ทำได้ยาก แลกกับการต้องวางแผนฝังเซลล์ล่วงหน้า การแปลผลที่ซับซ้อนกว่า และต้องติดสเตรนเกจเพิ่มหากต้องการข้อมูลรายชั้นดิน

SPN Soil Engineering ไม่ได้ให้บริการทดสอบ O-cell แต่ให้บริการทดสอบเสาเข็มด้วยวิธี Static Load Test, PDA และ Seismic Integrity Test พร้อมช่วยประเมินว่าโครงการของคุณควรเลือกวิธีทดสอบแบบใด