ทำไมดินเหนียวอ่อนต้องใช้ Vane Shear?

ดินเหนียวอ่อนมากมีปัญหาเฉพาะตัวที่ทำให้วิธีทดสอบทั่วไปให้คำตอบได้ไม่ดี ปัญหาแรกคือการรบกวนตัวอย่าง (Sample Disturbance) — เมื่อเก็บตัวอย่างดินเหนียวอ่อนขึ้นมาทดสอบในห้องปฏิบัติการ ตัวอย่างมักถูกรบกวนระหว่างการกด การถอน และการขนส่ง โครงสร้างดินที่บอบบางถูกทำลายไปบางส่วน ค่ากำลังที่วัดได้ในแล็บจึงมีแนวโน้มต่ำกว่ากำลังจริงของดินในสนาม ยิ่งดินอ่อนมาก ปัญหานี้ยิ่งชัด

ปัญหาที่สองคือความละเอียดของการทดสอบตอกทะลวงมาตรฐาน (SPT) ซึ่งเหมาะกับทรายและดินแข็งปานกลางขึ้นไป แต่หยาบเกินไปสำหรับดินอ่อนมาก — ในชั้นดินเหนียวอ่อนกรุงเทพฯ ค่า N มักออกมาเพียง 0–2 จนแทบแยกความแตกต่างระหว่างชั้นดินไม่ได้ (อ่านรายละเอียดการแปลค่า N ได้ในบทความ SPT N-Value แปลผลอย่างไร)

Vane Shear แก้ทั้งสองปัญหาด้วยการเฉือนดินตรงตำแหน่งที่มันอยู่ ดินไม่ถูกยกขึ้นจากสภาพความเค้นเดิม ไม่ผ่านการขนส่ง และวัดค่าออกมาเป็นตัวเลขกำลังต่อเนื่อง ไม่ใช่จำนวนครั้งการตอก ค่าที่ได้จึงสะท้อนกำลังของดินเหนียวอ่อนถึงแข็งปานกลางในสนามได้ดีเป็นพิเศษ

การทดสอบ Field Vane Shear Test ในชั้นดินเหนียวอ่อนหน้างานจริง
การทดสอบ Vane Shear ในชั้นดินเหนียวอ่อนที่หน้างาน เพื่อหาค่ากำลังรับแรงเฉือนแบบไม่ระบายน้ำ (ภาพ: SPN Soil Engineering)
📚 หลักคิดสำคัญ

ยิ่งดินอ่อนเท่าไร การทดสอบ "ถึงที่" ยิ่งได้เปรียบ เพราะตัดปัญหาการรบกวนตัวอย่างออกไปทั้งหมด — นี่คือเหตุผลที่งานสำรวจดินบนที่ราบลุ่มภาคกลางและแอ่งกรุงเทพฯ มักกำหนด Vane Shear ไว้ในขอบเขตงานคู่กับ SPT และการเก็บตัวอย่างไปทดสอบในห้องปฏิบัติการ

ทดสอบ Field Vane มีขั้นตอนอย่างไร?

อุปกรณ์หลักคือใบมีดสี่แฉกรูปกากบาท (Vane) ติดปลายก้านเหล็ก ต่อขึ้นมาถึงชุดวัดแรงบิด (Torque Head) ที่ปากหลุม ขั้นตอนโดยสรุปมีดังนี้:

  1. เจาะนำถึงระดับทดสอบ — เจาะหลุมสำรวจหรือกดก้านทดสอบลงไปจนถึงระดับความลึกที่ต้องการทดสอบ
  2. กดใบมีดลงดินที่ยังไม่ถูกรบกวน — กดใบมีดลงไปใต้ก้นหลุมประมาณ 5 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางหลุม (ตามแนวทาง ASTM D2573) เพื่อให้พ้นโซนดินที่ถูกรบกวนจากการเจาะ
  3. หมุนด้วยอัตราคงที่ — หมุนใบมีดช้า ๆ ไม่เกินประมาณ 0.1°/วินาที (6°/นาที) พร้อมวัดแรงบิด (Torque) ต่อเนื่อง ดินเหนียวอ่อนทั่วไปใช้เวลาถึงจุดวิบัติราว 2–5 นาที ดินอ่อนมากอาจนานถึง 10–15 นาที
  4. อ่านค่าแรงบิดสูงสุด — เมื่อดินรอบใบมีดถูกเฉือนจนวิบัติ ค่าแรงบิดสูงสุดจะถูกคำนวณเป็นกำลังรับแรงเฉือนแบบไม่ระบายน้ำ (Su) จากขนาดใบมีดที่ทราบแน่นอน
  5. วัดค่ากำลังหลังถูกปั่น — หลังดินวิบัติแล้ว หมุนใบมีดเร็ว ๆ ต่อประมาณ 10 รอบเพื่อปั่นดินให้เสียโครงสร้าง แล้ววัดซ้ำ ได้ค่า Remolded Strength ซึ่งนำไปหาค่าความไว (Sensitivity) ของดินเหนียว
  6. ทำซ้ำที่ระดับถัดไป — ทดสอบเป็นช่วง ๆ ตามความลึก ได้โปรไฟล์กำลังดินต่อเนื่องตลอดชั้นดินเหนียวอ่อน

การทดสอบอ้างอิงมาตรฐาน ASTM D2573/D2573M (ฉบับปัจจุบันใช้ชื่อ Standard Test Method for Field Vane Shear Test in Saturated Fine-Grained Soils) ทำให้ขั้นตอน อัตราการหมุน และการคำนวณเป็นระบบเดียวกัน ผลจากคนละหลุม คนละโครงการ จึงตรวจสอบและเปรียบเทียบกันได้ และผลทั้งหมดจะถูกรายงานประกอบใน Boring Log ของหลุมสำรวจนั้น

ภาพด้านล่างสรุปขั้นตอนทั้งหมดไว้ในรูปตัดเดียว ตั้งแต่ตำแหน่งใบมีดใต้ก้นหลุม อัตราการหมุน ไปจนถึงกราฟแรงบิดกับมุมหมุนที่ใช้อ่านค่า Su และ Su หลังปั่น

รูปตัดสองมิติการทดสอบ Field Vane Shear ในหลุมเจาะดินเหนียวอ่อนมาก พร้อมกราฟแรงบิดกับมุมหมุนและสูตรคำนวณกำลังรับแรงเฉือน ช่องซ้ายเป็นรูปตัดหลุมเจาะในดินเหนียวอ่อนมากใต้ชั้นผิวดินแข็งบาง ๆ หลุมมีปลอกกันดินพัง (Casing) เกือบถึงก้นหลุม ก้นหลุมมีโซนแรเงาคือดินที่ถูกรบกวนจากการเจาะ ชุดวัดแรงบิด (Torque Head) ตั้งบนแคลมป์ที่ปากปลอก ก้านเหล็กต่อลงไปถึงใบมีดสี่แฉกที่กดลงในดินที่ไม่ถูกรบกวน ต่ำกว่าก้นหลุมประมาณห้าเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางหลุมตาม ASTM D2573 ลูกศรที่หัววัดแสดงการหมุนช้าไม่เกิน 0.1 องศาต่อวินาที ปกติถึงจุดวิบัติราว 2 ถึง 5 นาที ใต้ใบมีดมีกรอบประแสดงระดับทดสอบถัดไป กรอบขยายแสดงใบมีดสูง H เท่ากับ 2D และผิวเฉือนทรงกระบอกเส้นประ ช่องขวาเป็นกราฟเชิงแนวคิดแรงบิดกับมุมหมุน เส้นทึบขึ้นถึงแรงบิดสูงสุดซึ่งใช้หา Su คงสภาพแล้วลดลง หลังหมุนเร็วประมาณสิบรอบ เส้นประแสดงแรงบิดคงที่ที่ต่ำกว่าใช้หา Su หลังปั่น ใต้กราฟเป็นสูตร Su เท่ากับ 6T หารด้วย 7 พาย D กำลังสาม สำหรับใบมีด H เท่ากับ 2D โดยสมมติแรงเฉือนกระจายสม่ำเสมอ และค่าความไว St เท่ากับ Su หารด้วย Su หลังปั่น แถบล่างสรุป Su คงสภาพ Su หลังปั่น ค่าความไว และการปรับแก้ด้วย μ ของ Bjerrum ก่อนใช้ออกแบบ รูปตัด 2 มิติ (2D): ทดสอบ Field Vane ในหลุมเจาะ แผนภาพไม่ตามมาตราส่วน ติดตั้งใบมีดใต้ก้นหลุมเจาะ กดลงดินที่ไม่ถูกรบกวน แล้วหมุนวัดแรงบิดที่ปากหลุม ผิวดินแข็ง ดินเหนียว อ่อนมาก Very Soft Clay ทดสอบซ้ำ ทุกช่วงความลึก หมุนช้า ≤ 0.1°/วินาที ถึงวิบัติปกติ 2–5 นาที ชุดวัดแรงบิด (Torque Head) ปลอกกันดินพัง (Casing) ก้านเหล็ก (Vane Rod) ดินถูกรบกวนจากการเจาะ ต่ำกว่าก้นหลุม ≈ 5 เท่า Ø หลุม (ASTM D2573) ใบมีด 4 แฉก (Vane) H = 2D D ผิวเฉือนทรงกระบอก แรงบิด–มุมหมุน (ภาพเชิงแนวคิด) หมุนจนดินวิบัติ แล้วปั่นดินวัดซ้ำ มุมหมุน → แรงบิด (T) → Tmax → Su (คงสภาพ) Tr → Su,r (หลังปั่น) หมุนเร็ว ≈ 10 รอบ ดินคงสภาพ (Peak) หลังปั่น Su = 6T / (7πD³) T = แรงบิดสูงสุด · D = Ø ใบมีด (ใบมีด H = 2D, สมมติแรงเฉือนกระจายสม่ำเสมอ) St = Su / Su,r ค่าความไว 1 Su คงสภาพ จากแรงบิดสูงสุด (Peak) 2 Su,r หลังปั่น หมุนเร็ว ≈ 10 รอบ แล้ววัด 3 Sensitivity St St = Su / Su,r 4 ปรับแก้ μ (Bjerrum) ก่อนใช้ออกแบบ · ตาม PI
รูปตัดการทดสอบ Field Vane Shear ในหลุมเจาะ: กดใบมีด (H = 2D) ลงในดินเหนียวอ่อนที่ไม่ถูกรบกวนใต้ก้นหลุม หมุนช้าเพื่ออ่านแรงบิดสูงสุดหา Su แล้วปั่นดินวัดซ้ำเพื่อหา Su หลังปั่นและค่าความไว (Sensitivity) (แผนภาพ: SPN Soil Engineering)

คำนวณ Su จากแรงบิดอย่างไร?

Su จาก Field Vane คือแรงบิดสูงสุดที่หารด้วยค่าคงที่ทางเรขาคณิตของใบมีด เพราะดินรอบใบมีดวิบัติตามผิวทรงกระบอก ทั้งผิวด้านข้างและแผ่นปลายบน–ล่าง เมื่อสมมติว่าแรงเฉือนกระจายสม่ำเสมอบนผิวเหล่านั้น ใบมีดมาตรฐานที่มีความสูงเป็น 2 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลาง (H = 2D) จะได้สูตรดังนี้

Su = 6T / (7πD3)  ·  St = Su / Su,r T = แรงบิดสูงสุด · D = เส้นผ่านศูนย์กลางใบมีด · Su,r = กำลังหลังปั่น (Remolded) · St = ค่าความไว (Sensitivity)

ที่มาของสูตรคือแรงบิดจากผิวด้านข้างเท่ากับ (πD²H/2)·Su บวกแรงบิดจากแผ่นปลายทั้งสองด้านเท่ากับ (πD³/6)·Su เมื่อแทน H = 2D จะได้ T = (7/6)πD³·Su ค่าที่ได้เป็นค่าดิบจากสนาม ต้องผ่านการปรับแก้ตามหัวข้อข้อจำกัดด้านล่างก่อนนำไปออกแบบ

ค่าที่ได้จาก Vane Shear บอกอะไรบ้าง?

การทดสอบหนึ่งตำแหน่งให้ค่าที่ใช้งานได้ถึง 3 ตัว:

← เลื่อนดูตารางทั้งหมด →

ค่าความหมายและการใช้งาน
Undrained Shear Strength (Su)กำลังรับแรงเฉือนแบบไม่ระบายน้ำของดินเหนียว ใช้คำนวณกำลังรับน้ำหนักฐานราก แรงเสียดทานเสาเข็ม และเสถียรภาพงานขุด/คันดิน
Remolded Strengthกำลังของดินหลังโครงสร้างถูกทำลาย ใช้ประเมินพฤติกรรมดินรอบเสาเข็มตอกในช่วงแรกหลังตอก
Sensitivity (St)อัตราส่วน Su ต่อ Remolded Strength ดินที่ Sensitivity สูงจะสูญเสียกำลังมากเมื่อถูกรบกวน ต้องระวังเป็นพิเศษในงานตอกเข็มและงานขุด

ค่า Su ที่ได้ตามความลึกหลายจุดจะถูกเขียนเป็นโปรไฟล์กำลังดิน ซึ่งมักเพิ่มขึ้นตามความลึกในชั้นดินเหนียวอ่อนตามธรรมชาติ โปรไฟล์นี้คือข้อมูลตั้งต้นของการคำนวณกำลังรับน้ำหนักของดิน (อ่านหลักการที่ Bearing Capacity คืออะไร) และการวิเคราะห์เสถียรภาพของงานถม–งานขุดบนดินอ่อน

ค่า Su คำนวณกลับจากแรงบิดได้เพราะดินรอบใบมีดวิบัติตามผิวเฉือนรูปทรงกระบอก ภาพ 3 มิติด้านล่างแสดงว่าแรงบิดทั้งหมดมาจากแรงเฉือนที่ผิวด้านข้างและผิวปลายทั้งสองด้านอย่างไร

แบบจำลองสามมิติผิวเฉือนรูปทรงกระบอกรอบใบมีดของการทดสอบ Field Vane Shear และที่มาของสูตรคำนวณกำลังรับแรงเฉือน ภาพสามมิติเชิงแนวคิดของก้อนดินเหนียวอ่อนมากที่ตัดมุมด้านหน้าออกหนึ่งส่วนสี่ ให้เห็นใบมีดที่ระดับความลึกทดสอบ ก้านเหล็กต่อจากผิวดินลงไปถึงใบมีด ที่ปลายบนของก้านมีลูกศรสีส้มแสดงแรงบิด T ที่หมุนช้าไม่เกิน 0.1 องศาต่อวินาที ใบมีดเป็นแผ่นเหล็กบางสี่แฉกรูปกากบาท อยู่ภายในทรงกระบอกโปร่งแสงซึ่งคือแท่งดินที่ถูกเฉือน มีความสูง H เท่ากับสองเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลาง D ลูกศรสีแดงรอบผิวด้านข้างแสดงหน่วยแรงเฉือน τ เท่ากับ Su ที่ต้านการหมุน และลูกศรวงกลมบนแผ่นปลายบนและปลายล่างแสดงแรงเฉือนที่ปลายทั้งสอง กรอบด้านขวาอธิบายที่มาของสูตร หนึ่ง ใบมีดสี่แฉก H เท่ากับ 2D สอง แรงบิดจากผิวข้าง T1 เท่ากับ พาย D กำลังสอง H หารสอง คูณ Su สาม แรงบิดจากผิวปลายบนและล่าง T2 เท่ากับ พาย D กำลังสาม หารหก คูณ Su สี่ รวม T เท่ากับ T1 บวก T2 เมื่อ H เท่ากับ 2D จะได้ Su เท่ากับ 6T หารด้วย 7 พาย D กำลังสาม พร้อมหมายเหตุว่าค่าที่วัดได้ต้องคูณตัวประกอบปรับแก้ μ ของ Bjerrum ตามดัชนีสภาพพลาสติกก่อนใช้ออกแบบ โดยวิศวกรเป็นผู้เลือก แบบจำลอง 3 มิติ (3D): ผิวเฉือนรูปทรงกระบอกรอบใบมีด แผนภาพไม่ตามมาตราส่วน H = 2D D 4 แรงบิด T ที่ปลายก้าน หมุนช้า ≤ 0.1°/วินาที 1 ใบมีด 4 แฉก เหล็กแผ่นบาง H = 2D 2 ผิวเฉือนด้านข้าง τ = Su ต้านการหมุน 3 ผิวเฉือนปลาย แผ่นบน + ล่าง: τ = Su ก้านเหล็ก (Rod) หน้าตัด: ดินเหนียวอ่อนมาก (ตัดมุมให้เห็นใบมีด) ที่มาของสูตร Su 1 ใบมีด 4 แฉก (Vane) สูง H = 2D · เส้นผ่านศูนย์กลาง D 2 ผิวเฉือนด้านข้าง T1 = (πD²H/2)·Su 3 ผิวเฉือนปลายบน + ล่าง T2 = (πD³/6)·Su 4 รวม T = T1 + T2 เมื่อ H = 2D จะได้ Su = 6T / (7πD³) ค่าที่วัดได้ต้องคูณ μ (Bjerrum) ตาม PI ก่อนใช้ออกแบบ ดินพลาสติกสูง μ มักราว 0.6–0.8 — วิศวกรเป็นผู้เลือก ภาพเชิงแนวคิด สมมติ τ กระจายสม่ำเสมอบนผิวเฉือน
แบบจำลอง 3 มิติแสดงแท่งดินทรงกระบอกรอบใบมีดที่ถูกเฉือนทั้งผิวด้านข้างและแผ่นปลายบน–ล่าง แรงบิดที่วัดได้จึงคำนวณกลับเป็น Su = 6T/(7πD³) เมื่อใบมีดมี H = 2D (แผนภาพ: SPN Soil Engineering)
⚠️ หมายเหตุทางเทคนิค

ค่าที่วัดจาก Vane Shear มักต้องปรับแก้ด้วยค่าสัมประสิทธิ์ (Correction Factor) ที่สัมพันธ์กับความเหนียวของดิน ก่อนนำไปใช้ออกแบบ — เป็นขั้นตอนการแปลผลที่วิศวกรธรณีเทคนิคเป็นผู้ดำเนินการ ไม่ควรนำค่าดิบไปเข้าสมการออกแบบโดยตรง

Vane Shear เหมาะกับงานแบบไหน?

  • โครงการบนชั้นดินเหนียวอ่อนหนา — เช่น พื้นที่กรุงเทพฯ ปริมณฑล และที่ราบลุ่มภาคกลาง ซึ่งชั้นดินเหนียวอ่อนหนาต่อเนื่องหลายเมตร (อ่านลักษณะชั้นดินแบบนี้ที่ ดินเหนียวอ่อนกรุงเทพฯ กับงานฐานราก)
  • งานถมดินบนดินอ่อน คันทาง ถนนบนดินอ่อน — ที่ต้องวิเคราะห์เสถียรภาพระหว่างก่อสร้าง เพราะน้ำหนักถมอาจทำให้ดินอ่อนใต้ฐานวิบัติแบบเฉือนได้
  • งานปรับปรุงคุณภาพดิน (Ground Improvement) — ที่ต้องวัดกำลังดินก่อน–หลังปรับปรุงเพื่อยืนยันผล เช่น งาน Preloading หรือ PVD เพราะ Vane Shear ทำซ้ำที่เดิมได้และให้ตัวเลขเปรียบเทียบตรง ๆ
  • งานขุดในดินอ่อน — เช่น บ่อก่อสร้าง ระบบระบายน้ำ ที่ต้องการโปรไฟล์กำลังดินละเอียดตามความลึกเพื่อออกแบบระบบค้ำยัน

จำนวนหลุมสำรวจและตำแหน่งที่ควรทำ Vane Shear ขึ้นกับขนาดโครงการและความแปรปรวนของชั้นดิน — หลักการเดียวกับการกำหนดจำนวนหลุมเจาะทั่วไป ซึ่งอ่านได้ที่ เจาะดินกี่หลุม ลึกเท่าไหร่ถึงพอ

Vane Shear มีข้อจำกัดอะไรบ้าง?

  • ใช้ได้เฉพาะดินเหนียวอ่อนถึงแข็งปานกลาง — ใช้ไม่ได้กับทราย กรวด หรือดินเหนียวแข็งมาก เพราะใบมีดกดลงไม่ได้หรือค่าที่ได้ไม่มีความหมาย
  • เลนส์ทรายหรือเปลือกหอยทำให้ค่าเพี้ยนเฉพาะจุด — หากมีวัสดุแข็งแทรกในชั้นดินเหนียว ค่าที่วัดได้อาจสูงเกินจริง การแปลผลจึงต้องดูข้อมูลชั้นดินจากหลุมเจาะประกอบเสมอ
  • ให้ค่ากำลังแบบไม่ระบายน้ำเท่านั้น — การวิเคราะห์พฤติกรรมระยะยาว (Drained Condition) ยังต้องอาศัยผลการทดสอบดินในห้องปฏิบัติการร่วมด้วย เช่น Consolidation Test สำหรับการทรุดตัว
  • ค่า Su จากสนามต้องปรับแก้ก่อนใช้ออกแบบ — Field Vane มักให้ค่า Su สูงกว่ากำลังที่ระดมได้จริงในงานเสถียรภาพ จึงต้องคูณด้วยตัวประกอบปรับแก้ (Correction Factor, μ) ตามค่าดัชนีสภาพพลาสติก (Plasticity Index) ของดินเหนียวก่อนนำไปวิเคราะห์ (ตามงานของ Bjerrum ค่า μ ของดินเหนียวอ่อนพลาสติกสูงมักอยู่ราว 0.6–0.8) โดยวิศวกรผู้รับผิดชอบเป็นผู้เลือกค่า μ ที่เหมาะสมกับดินแต่ละชั้น

ด้วยเหตุนี้ Vane Shear จึงไม่ใช่ตัวแทนของการเจาะสำรวจดิน แต่เป็นตัวเสริมที่ทรงพลัง — หลุมเจาะให้ภาพรวมชั้นดินทั้งโปรไฟล์พร้อมตัวอย่างไปทดสอบในแล็บ ส่วน Vane Shear เจาะลึกความแม่นยำของกำลังดินในชั้นเหนียวอ่อนที่วิธีอื่นวัดได้ไม่ดี การใช้ทั้งสองอย่างร่วมกันในหลุมเดียวจึงเป็นแนวทางที่คุ้มค่าที่สุดสำหรับโครงการบนดินอ่อน

สรุป

Field Vane Shear Test คือวิธีวัดกำลังรับแรงเฉือนของดินเหนียวอ่อน "ถึงที่" โดยไม่ต้องเก็บตัวอย่าง ให้ทั้งค่ากำลังดิน (Su) ค่ากำลังหลังถูกปั่น (Remolded Strength) และความไวของดิน (Sensitivity) เหมาะอย่างยิ่งกับชั้นดินเหนียวอ่อนแบบกรุงเทพฯ งานถมดิน งานขุด และงานปรับปรุงคุณภาพดินบนดินอ่อน โดยควรทำควบคู่กับการเจาะสำรวจดินและการทดสอบในห้องปฏิบัติการเพื่อให้แปลผลได้ถูกต้องครบทุกมุม

SPN Soil Engineering ให้บริการเจาะสำรวจดินพร้อม Field Vane Shear Test ตามมาตรฐาน ASTM ทั่วประเทศ 77 จังหวัด รายงานผลพร้อมโปรไฟล์กำลังดินตามความลึก รับรองโดยวิศวกรโยธาที่มีใบอนุญาตสภาวิศวกร ดูขอบเขตบริการทั้งหมดได้ที่ บริการเจาะสำรวจและทดสอบดิน

📌 หมายเหตุ

บทความนี้จัดทำเพื่อเป็นความรู้ทางวิศวกรรม การกำหนดตำแหน่ง จำนวนจุดทดสอบ และการแปลผล ควรเป็นไปตามข้อกำหนดของโครงการและดุลยพินิจของวิศวกรผู้มีใบอนุญาต