ทำไมดินอ่อนถึงทำให้แผ่นดินไหวรู้สึกแรงกว่า?

การขยายสัญญาณของชั้นดิน (Site Amplification) คือปรากฏการณ์ที่ชั้นดินอ่อนขยายความรุนแรงของคลื่นแผ่นดินไหวขณะเดินทางขึ้นสู่ผิวดิน ทำให้อาคารบนดินอ่อนสั่นแรงกว่าอาคารบนชั้นหินแข็งที่ระยะห่างจากศูนย์กลางเท่ากัน

สาเหตุคือคลื่นแผ่นดินไหวเมื่อวิ่งจากชั้นหินแข็งเข้าสู่ชั้นดินเหนียวอ่อน ความเร็วคลื่นจะลดลงและแอมพลิจูดเพิ่มขึ้น พลังงานส่วนหนึ่งถูก "กัก" อยู่ในชั้นดินอ่อนและสั่นซ้ำไปมา นอกจากนี้คาบการสั่นตามธรรมชาติของชั้นดินอ่อนหนายังยาว ซึ่งอาจใกล้เคียงกับคาบการสั่นของอาคารสูง ทำให้เกิดการพ้องกันของการสั่น (Resonance) และเสริมแรงสั่นให้มากขึ้น

นี่คือเหตุผลที่แม้กรุงเทพฯ จะไม่มีรอยเลื่อนขนาดใหญ่อยู่ในพื้นที่ แต่แผ่นดินไหวจากรอยเลื่อนที่อยู่ไกลออกไปก็ยังทำให้อาคารสูงในเมืองรู้สึกได้ชัดเจน เพราะชั้นดินเหนียวอ่อนกรุงเทพฯ ที่หนาหลายสิบเมตรทำหน้าที่ขยายแรงสั่นสะเทือน การเข้าใจลักษณะชั้นดินใต้อาคารจึงเป็นจุดเริ่มต้นของการออกแบบต้านแผ่นดินไหว

แผ่นดินไหวส่งผลต่อฐานรากอย่างไร?

ผลของแผ่นดินไหวต่อฐานราก คือแรงและการเคลื่อนตัวที่เกิดกับฐานรากและดินโดยรอบขณะเกิดการสั่นสะเทือน ซึ่งต่างจากการรับน้ำหนักในสภาวะปกติที่เป็นแรงกดลงในแนวดิ่งเป็นหลัก ผลกระทบสำคัญมีดังนี้

  • แรงด้านข้าง (Lateral Force) — แผ่นดินไหวทำให้เกิดแรงเฉื่อยในแนวราบที่ถ่ายจากตัวอาคารลงสู่ฐานรากและเสาเข็ม เสาเข็มจึงต้องรับแรงดัดและแรงเฉือนด้านข้าง ไม่ใช่แค่แรงกดตามแนวแกน
  • การเหลวตัวของดิน (Liquefaction) — ในชั้นดินทรายอิ่มน้ำ แรงสั่นอาจทำให้ดินสูญเสียกำลังชั่วขณะจนมีพฤติกรรมคล้ายของเหลว ฐานรากที่พึ่งพากำลังของดินชั้นนั้นอาจทรุดหรือเอียง
  • การทรุดตัวไม่เท่ากัน (Differential Settlement) — เมื่อดินใต้ฐานรากแต่ละจุดตอบสนองต่อแรงสั่นต่างกัน อาจเกิดการทรุดตัวไม่เท่ากันจนโครงสร้างเสียหาย

ด้วยเหตุนี้ การออกแบบฐานรากต้านแผ่นดินไหวจึงไม่ใช่แค่ทำให้ฐานรับน้ำหนักได้มากขึ้น แต่ต้องพิจารณาพฤติกรรมของดินและโครงสร้างร่วมกันภายใต้แรงสั่นสะเทือน

ออกแบบฐานรากต้านแผ่นดินไหวคำนึงถึงอะไรบ้าง?

การออกแบบฐานรากต้านแผ่นดินไหว คือการออกแบบให้ฐานรากและระบบเสาเข็มรับได้ทั้งน้ำหนักในสภาวะปกติและแรงที่เกิดจากแผ่นดินไหว โดยสอดคล้องกับสภาพชั้นดินจริง ปัจจัยหลักที่วิศวกรพิจารณามี 4 เรื่อง

  • การจำแนกชั้นดิน (Site Class) — ประเมินจากคุณสมบัติของดินช่วงบนประมาณ 30 เมตร เพื่อบอกว่าชั้นดินขยายแรงสั่นสะเทือนมากน้อยเพียงใด ซึ่งมีผลต่อแรงแผ่นดินไหวที่ใช้ในการออกแบบ
  • ความเสี่ยง Liquefaction — วิเคราะห์ว่ามีชั้นดินทรายอิ่มน้ำที่เสี่ยงเหลวตัวหรือไม่ ถ้ามี ต้องพิจารณาแนวทางจัดการ เช่น ใช้เสาเข็มลึกผ่านชั้นเสี่ยง หรือปรับปรุงคุณภาพดิน
  • แรงด้านข้างของเสาเข็ม — ออกแบบให้เสาเข็มและฐานรากรับแรงดัดและแรงเฉือนจากแผ่นดินไหวได้ ไม่ใช่พิจารณาเฉพาะกำลังรับน้ำหนักในแนวดิ่ง (กำลังรับแรงด้านข้างของเสาเข็มทดสอบยืนยันในสนามได้ด้วย Lateral Load Test)
  • ความต่อเนื่องและความเหนียวของโครงสร้าง — เชื่อมฐานราก คานคอดิน และเสาเข็มให้ทำงานร่วมกันเป็นระบบ เพื่อกระจายแรงและลดการทรุดตัวไม่เท่ากัน

ฐานเสาเข็มที่ลงถึงชั้นดินแข็งเป็นทางเลือกที่พบบ่อยในพื้นที่ดินอ่อน เพราะช่วยส่งน้ำหนักผ่านชั้นดินอ่อนและลดผลของ Site Amplification บางส่วน แต่เสาเข็มเองก็ต้องออกแบบให้รับแรงด้านข้างและพฤติกรรมของดินรอบข้างด้วย ไม่ใช่เพียงตอกให้ลึกก็ถือว่าปลอดภัยเสมอไป

ชั้นดินเหนียวอ่อนขยายแรงสั่นของแผ่นดินไหว เปรียบเทียบอาคารบนฐานรากตื้นกับอาคารบนเสาเข็มที่ลงถึงชั้นทรายแน่น ภาพซ้ายเป็นรูปตัดชั้นดิน ด้านล่างเป็นชั้นแข็งลึก ถัดขึ้นมาเป็นชั้นทรายแน่นและชั้นดินเหนียวอ่อนที่ผิว คลื่นแผ่นดินไหวเดินทางขึ้นจากด้านล่างและมีแอมพลิจูดโตขึ้นเมื่อผ่านชั้นดินเหนียวอ่อน อาคารหลังซ้ายวางบนฐานรากตื้นในดินอ่อน จึงโยกตัวและทรุดไม่เท่ากัน อาคารหลังขวาวางบนเสาเข็มที่หยั่งปลายถึงชั้นทรายแน่น ถ่ายน้ำหนักผ่านชั้นดินอ่อนได้ แต่เสาเข็มยังต้องออกแบบรับแรงดัดและแรงเฉือนด้านข้าง ภาพขวาเป็นกราฟแนวคิดเทียบความสั่นที่ผิวดินบนชั้นแข็งซึ่งสั่นน้อย กับผิวดินบนดินเหนียวอ่อนซึ่งสั่นแรงและนานกว่า แถบด้านล่างสรุปสี่เรื่องที่วิศวกรพิจารณาในการออกแบบ ดินอ่อนขยายแรงสั่น: ฐานรากตื้น vs เสาเข็ม แผนภาพไม่ตามมาตราส่วน สั่นแรงขึ้น ที่ผิวดิน ! ฐานรากตื้นบนดินอ่อน โยกตัว · ทรุดไม่เท่ากัน เสาเข็มถึงทรายแน่น แต่ต้องรับแรงด้านข้างด้วย ดินเหนียวอ่อน (ขยายแรงสั่น) ชั้นทรายแน่น / ดินแข็ง ชั้นแข็งลึก / หิน แรงดัด + แรงเฉือน ความสั่นที่ผิวดิน (แนวคิด) บนชั้นแข็ง / หิน สั่นน้อย ช่วงสั้น บนดินเหนียวอ่อน สั่นแรง คาบยาว นานกว่า เวลา → 1 Site Class ดินช่วงบน ~30 ม. 2 Liquefaction ทรายอิ่มน้ำ เสี่ยงเหลว 3 แรงด้านข้างเสาเข็ม แรงดัด + แรงเฉือน 4 ความต่อเนื่อง คานคอดิน ยึดฐานราก
ชั้นดินเหนียวอ่อนขยายแอมพลิจูดของคลื่นแผ่นดินไหวขณะเดินทางขึ้นสู่ผิวดิน ฐานรากตื้นที่วางบนดินอ่อนจึงเสี่ยงโยกและทรุดตัว ขณะที่เสาเข็มซึ่งหยั่งลงถึงชั้นทรายแข็งช่วยถ่ายน้ำหนักผ่านชั้นดินอ่อนลงสู่ชั้นรับแรง แต่ยังต้องออกแบบให้รับแรงด้านข้างด้วย

สำหรับอาคารเดิมที่สร้างไปแล้ว การเสริมกำลังต้านแผ่นดินไหว (Seismic Retrofit) ทำได้ในหลายกรณี แต่แนวทางที่เหมาะสมต้องประเมินเป็นราย ๆ จากสภาพโครงสร้าง ข้อมูลชั้นดิน และระดับความเสี่ยง โดยวิศวกรผู้รับผิดชอบ

ทำไมต้องเจาะสำรวจดินก่อนออกแบบต้านแผ่นดินไหว?

การเจาะสำรวจดิน (Soil Boring) คือกระบวนการเก็บข้อมูลชั้นดินใต้พื้นที่ก่อสร้าง ซึ่งเป็นพื้นฐานที่ขาดไม่ได้ของการออกแบบต้านแผ่นดินไหว เพราะพฤติกรรมของอาคารขณะเกิดแผ่นดินไหวขึ้นกับชั้นดินใต้ฐานรากโดยตรง

ข้อมูลจากการเจาะสำรวจดินที่นำไปใช้ในงานต้านแผ่นดินไหวมี 4 กลุ่ม:

  • ความหนาและลำดับของชั้นดินอ่อน
  • ค่ากำลังของดิน เช่น SPT N-value และกำลังรับแรงเฉือน
  • ระดับน้ำใต้ดิน
  • ความเร็วคลื่นเฉือน (Shear Wave Velocity) ของชั้นดิน ในงานที่ต้องการความละเอียด

ข้อมูลเหล่านี้ใช้จำแนกชั้นดินตามค่า SPT จำแนก Site Class และประเมินความเสี่ยง Liquefaction

แบบจำลอง 3 มิติ ระบบฐานรากเสาเข็มของอาคารบนชั้นดินเหนียวอ่อน แสดง 4 เรื่องที่วิศวกรพิจารณาในการออกแบบต้านแผ่นดินไหว และข้อมูลจากหลุมเจาะสำรวจดินที่นำมาใช้ (ภาพเชิงแนวคิด) ภาพสามมิติเชิงแนวคิดของก้อนดินที่ตัดให้เห็นหน้าตัด ชั้นบนเป็นดินเหนียวอ่อน ถัดลงไปเป็นชั้นทรายอิ่มน้ำ และล่างสุดเป็นชั้นดินแข็ง มีเส้นประสีน้ำเงินแสดงระดับน้ำใต้ดิน บนผิวดินมีโครงอาคารสองชั้นตั้งบนฐานรากหกฐาน ฐานรากทุกฐานเชื่อมถึงกันด้วยคานคอดินทั้งสองทิศทาง หน้าตัดด้านหน้าเห็นฐานรากสามฐาน แต่ละฐานมีเสาเข็มสองต้นหยั่งผ่านดินเหนียวอ่อนและชั้นทรายอิ่มน้ำลงไปฝังปลายในชั้นดินแข็ง ด้านซ้ายของหน้าตัดมีเส้นคลื่นสีส้มแสดงคลื่นแผ่นดินไหวที่เดินทางขึ้นจากชั้นดินแข็ง เมื่อเข้าสู่ดินเหนียวอ่อนความเร็วคลื่นลดลงและแอมพลิจูดเพิ่มขึ้น ลูกศรสีส้มที่ระดับพื้นแต่ละชั้นแสดงแรงเฉื่อยด้านข้างของอาคาร หมายเลข 1 คือหลุมเจาะสำรวจดินพร้อมขาตั้งเจาะ ใช้ข้อมูลดินช่วงบนประมาณ 30 เมตรจำแนก Site Class หมายเลข 2 คือชั้นทรายอิ่มน้ำที่ต้องประเมินความเสี่ยง Liquefaction หมายเลข 3 คือเสาเข็มที่ต้องรับแรงดัดและแรงเฉือนด้านข้าง มีเส้นประสีส้มแสดงรูปการโก่งตัว หมายเลข 4 คือคานคอดินที่ยึดฐานรากให้ทำงานร่วมกันและลดการทรุดตัวไม่เท่ากัน กรอบด้านขวาสรุปทั้งสี่เรื่อง และระบุข้อมูลจากการเจาะสำรวจดินที่นำมาใช้ ได้แก่ ความหนาและลำดับชั้นดิน ค่า SPT N-value และกำลังรับแรงเฉือน ระดับน้ำใต้ดิน และความเร็วคลื่นเฉือนในงานที่ต้องการความละเอียด อ้างอิงมาตรฐาน มยผ. 1301/1302-61 แบบจำลอง 3 มิติ (3D): ฐานรากเสาเข็มบนดินอ่อน ออกแบบต้านแผ่นดินไหว แผนภาพไม่ตามมาตราส่วน 1 2 3 4 แรงด้านข้างจากแผ่นดินไหว แรงเฉื่อยของอาคารถ่ายลงฐานราก อาคารบนฐานรากเสาเข็ม ฐานรากเชื่อมกันด้วยคานคอดิน หลุมเจาะสำรวจดิน ระดับน้ำใต้ดิน ดินเหนียวอ่อน ทรายอิ่มน้ำ ชั้นดินแข็ง คลื่นแผ่นดินไหวจากชั้นดินแข็ง เข้าดินอ่อน: ความเร็วลด แอมพลิจูดเพิ่ม ปลายเสาเข็มฝังในชั้นดินแข็ง ตัดผ่านแนวฐานรากแถวหน้า · ภาพเชิงแนวคิด ไม่ใช่แบบก่อสร้าง วิศวกรพิจารณาอะไรบ้าง 1 Site Class จำแนกจากดินช่วงบน ~30 ม. 2 ความเสี่ยง Liquefaction มีชั้นทรายอิ่มน้ำหรือไม่ 3 แรงด้านข้างของเสาเข็ม รับแรงดัด + แรงเฉือนได้ 4 ความต่อเนื่องของฐานราก คานคอดินยึดให้ทำงานร่วมกัน ข้อมูลจากการเจาะสำรวจดิน ความหนาและลำดับชั้นดิน SPT N-value · กำลังรับแรงเฉือน ระดับน้ำใต้ดิน ความเร็วคลื่นเฉือน (งานละเอียด) อ้างอิง มยผ. 1301/1302-61 ออกแบบจากข้อมูลดินจริงเท่านั้น
แบบจำลอง 3 มิติ ระบบฐานรากเสาเข็มบนดินอ่อน — หมายเลข 1–4 คือสิ่งที่วิศวกรพิจารณา ได้แก่ Site Class จากข้อมูลหลุมเจาะ ความเสี่ยง Liquefaction ของชั้นทรายอิ่มน้ำ แรงด้านข้างของเสาเข็ม และคานคอดินที่ยึดฐานรากให้ทำงานร่วมกัน ภาพเชิงแนวคิด ไม่ใช่แบบก่อสร้าง

หากออกแบบต้านแผ่นดินไหวโดยไม่มีข้อมูลดินจริง ก็เท่ากับเดาว่าชั้นดินขยายแรงสั่นสะเทือนมากน้อยเพียงใด ซึ่งเสี่ยงทั้งการออกแบบที่ไม่ปลอดภัยและการออกแบบที่สิ้นเปลืองเกินจำเป็น การเจาะสำรวจดินจึงเป็นการลงทุนที่คุ้มค่าเมื่อเทียบกับความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น เรื่องนี้เชื่อมโยงโดยตรงกับความเสี่ยงแผ่นดินไหวและการเหลวตัวของดิน และลักษณะเฉพาะของชั้นดินเหนียวอ่อนกรุงเทพฯ

มาตรฐานออกแบบต้านแผ่นดินไหวที่เกี่ยวข้องมีอะไรบ้าง?

งานออกแบบต้านแผ่นดินไหวในประเทศไทยอ้างอิงมาตรฐานของกรมโยธาธิการและผังเมือง โดยเฉพาะ มยผ. 1301/1302-61 ซึ่งเป็นมาตรฐานการออกแบบอาคารต้านทานการสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว มาตรฐานนี้กำหนดแนวทางประเมินแรงแผ่นดินไหวสำหรับการออกแบบ รวมถึงการพิจารณาผลของชั้นดินผ่านการจำแนก Site Class อ่านสรุปสาระสำคัญของมาตรฐานได้ที่บทความมาตรฐานออกแบบอาคารต้านแผ่นดินไหว มยผ. 1301/1302-61

หลักการสำคัญคือ แรงแผ่นดินไหวที่ใช้ออกแบบไม่ได้ขึ้นกับความรุนแรงของแผ่นดินไหวและที่ตั้งของอาคารเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับชนิดของชั้นดินใต้ฐานรากด้วย พื้นที่ดินอ่อนจึงมักต้องออกแบบให้รับแรงแผ่นดินไหวสูงกว่าพื้นที่ดินแข็งในเงื่อนไขอื่นที่เท่ากัน ทั้งหมดนี้ทำให้ข้อมูลชั้นดินจากการเจาะสำรวจกลายเป็นข้อมูลป้อนเข้าที่จำเป็นสำหรับการออกแบบตามมาตรฐาน

สำหรับงานปรับปรุงคุณภาพดินเพื่อลดความเสี่ยงในพื้นที่ดินอ่อน มีหลายวิธีให้เลือกตามสภาพหน้างาน อ่านเพิ่มเติมได้ที่บทความวิธีปรับปรุงดินอ่อน และหากต้องการทีมช่วยวิเคราะห์ชั้นดินและออกแบบฐานราก สามารถดูบริการออกแบบวิศวกรรมธรณี ได้

สรุป

การออกแบบฐานรากต้านแผ่นดินไหวบนดินอ่อนไม่ได้อยู่ที่การทำฐานให้ใหญ่หรือเสาเข็มลึกเพียงอย่างเดียว แต่อยู่ที่การเข้าใจว่าชั้นดินอ่อนขยายแรงสั่นสะเทือนได้ ประเมินความเสี่ยง Liquefaction และออกแบบให้ฐานรากกับเสาเข็มรับทั้งน้ำหนักและแรงด้านข้างตามมาตรฐาน มยผ. 1301/1302-61 หัวใจของทุกขั้นตอนคือข้อมูลชั้นดินจริงจากการเจาะสำรวจ ซึ่งเป็นพื้นฐานที่ทำให้การออกแบบทั้งปลอดภัยและคุ้มค่า

📌 ข้อจำกัดความรับผิดชอบ

บทความนี้ให้ความรู้ทั่วไปเท่านั้น ไม่ใช่คำแนะนำการออกแบบสำหรับโครงการใดโครงการหนึ่ง การออกแบบฐานราก เสาเข็ม และการเสริมกำลังต้านแผ่นดินไหว ต้องดำเนินการโดยวิศวกรผู้มีใบอนุญาต จากข้อมูลการเจาะสำรวจดินและการวิเคราะห์ของพื้นที่นั้นโดยเฉพาะ