เสาเข็มต้นหนึ่งรับน้ำหนักได้ 100 ตัน เป็นข้อมูลที่บอกได้ว่าเสาเข็มผ่านเกณฑ์หรือไม่ แต่บอกไม่ได้ว่าแรง 100 ตันนั้นมาจากไหน ถ้าเกือบทั้งหมดมาจากแรงเสียดทานของดินชั้นบน การเพิ่มความยาวเสาเข็มอาจไม่ช่วยอะไรเลย แต่ถ้าเสาเข็มยังไม่ได้ใช้แรงแบกทานที่ปลายเต็มที่ การหยั่งลึกลงไปอีกไม่กี่เมตรอาจได้กำลังเพิ่มมาก การติดเครื่องมือวัดในเสาเข็มทดสอบคือวิธีตอบคำถามนี้
Instrumented Static Load Test คืออะไร
Instrumented Static Load Test คือการทดสอบเสาเข็มแบบสถิตตามมาตรฐาน ASTM D1143 ที่เพิ่มเครื่องมือวัดความเครียดฝังไว้ในเนื้อเสาเข็มตามระดับความลึกต่าง ๆ ขั้นตอนการให้น้ำหนัก การคงน้ำหนักแต่ละขั้น และการอ่านการทรุดตัวยังเป็นไปตามมาตรฐานเดิมทุกประการ สิ่งที่เพิ่มเข้ามาคือข้อมูลชุดที่สองว่าแรงในเนื้อเสาเข็มที่แต่ละระดับเหลืออยู่เท่าไหร่
ต่างจาก Static Load Test ธรรมดาตรงไหน
| ประเด็น | Static Load Test ทั่วไป | Instrumented Static Load Test |
|---|---|---|
| สิ่งที่วัด | น้ำหนักที่กด และการทรุดตัวที่หัวเสาเข็ม | เพิ่มความเครียดในเนื้อเสาเข็มหลายระดับตามความลึก |
| ผลที่ได้ | กำลังรวมของเสาเข็มทั้งต้น | แยกแรงเสียดทานผิวรายชั้นดิน และแรงแบกทานที่ปลาย |
| ต้องเตรียมล่วงหน้า | ไม่ต้อง ทดสอบเสาเข็มที่มีอยู่ได้ | ต้องฝังเครื่องมือวัดก่อนหล่อหรือก่อนผลิตเสาเข็ม |
| ใช้กับเสาเข็มแบบใด | เสาเข็มทดสอบหรือเสาเข็มใช้งาน | เสาเข็มทดสอบที่วางแผนไว้ตั้งแต่ต้นเป็นหลัก |
| ประโยชน์ต่อการออกแบบ | ยืนยันว่ากำลังถึงเกณฑ์หรือไม่ | ปรับค่าพารามิเตอร์ดินและความยาวเสาเข็มของทั้งโครงการได้ |
สรุปสั้น ๆ คือการทดสอบทั่วไปตอบว่า “ผ่านไหม” ส่วนการทดสอบแบบติดเครื่องมือวัดตอบว่า “ผ่านเพราะอะไร” ซึ่งเป็นข้อมูลที่นำไปปรับการออกแบบเสาเข็มที่เหลือทั้งโครงการได้ ดูพื้นฐานของการทดสอบแบบสถิตได้ที่ Static Pile Load Test
สเตรนเกจวัดอะไร และแปลงเป็นแรงอย่างไร
เมื่อกดน้ำหนักลงบนหัวเสาเข็ม เนื้อเสาเข็มจะหดสั้นลงเล็กน้อย ค่าการหดสั้นต่อความยาวเดิมเรียกว่าความเครียด (Strain) สเตรนเกจที่ฝังอยู่ในคอนกรีตวัดค่านี้ที่ตำแหน่งของตัวเอง จากนั้นแปลงเป็นแรงในเนื้อเสาเข็มด้วยความสัมพันธ์พื้นฐานของวัสดุยืดหยุ่น
แรงในเนื้อเสาเข็มที่ระดับหนึ่ง = ความเครียดที่วัดได้ × โมดูลัสยืดหยุ่นของเสาเข็ม × พื้นที่หน้าตัดเสาเข็ม
จุดที่ต้องระวังคือค่าโมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีต ถ้าใช้ค่าผิด แรงที่คำนวณได้จะผิดตามไปทั้งชุด ในทางปฏิบัติจึงนิยมติดสเตรนเกจคู่หนึ่งไว้ที่ระดับบนสุดซึ่งอยู่เหนือระดับดิน เพราะระดับนั้นแรงในเสาเข็มยังเท่ากับน้ำหนักที่อ่านได้จากหัวเสาเข็ม เมื่อรู้ทั้งแรงและความเครียดที่ระดับเดียวกัน จึงย้อนหาโมดูลัสจริงของเสาเข็มต้นนั้นได้ แล้วใช้ค่านั้นกับเกจระดับล่าง ๆ ต่อไป
แยกแรงเสียดทานรายชั้นดินได้อย่างไร
หลักการคือดูว่าแรงในเนื้อเสาเข็มลดลงเท่าไหร่ระหว่างสองระดับที่อยู่ติดกัน ส่วนที่หายไปคือแรงที่ดินช่วงนั้นรับไว้ผ่านแรงเสียดทานผิว
แรงเสียดทานผิวเฉลี่ยของช่วง = (แรงที่ระดับบน − แรงที่ระดับล่าง) ÷ (เส้นรอบรูปเสาเข็ม × ความยาวช่วงนั้น)
ทำแบบนี้ไล่ลงไปทีละช่วงจนถึงเกจระดับล่างสุด แรงที่ยังเหลืออยู่ที่ระดับล่างสุดคือค่าประมาณของแรงแบกทานที่ปลายเข็ม โดยมีข้อแม้ว่าเกจล่างสุดต้องอยู่ใกล้ปลายเข็มพอสมควร ไม่เช่นนั้นค่าที่ได้จะยังรวมแรงเสียดทานของช่วงที่เหลืออยู่ด้วย
อ่าน Load Transfer Curve อย่างไร
กราฟการถ่ายน้ำหนักคือกราฟระหว่างแรงในเนื้อเสาเข็มกับความลึก เขียนหนึ่งเส้นต่อหนึ่งขั้นน้ำหนักที่ทดสอบ สิ่งที่วิศวกรดูมีสามอย่าง
- ความชันของเส้นในแต่ละช่วงความลึก ช่วงที่เส้นลาดลงเร็วคือชั้นดินที่ให้แรงเสียดทานสูง ช่วงที่เส้นเกือบตั้งตรงคือชั้นที่แทบไม่ให้แรงเสียดทาน เช่น ชั้นดินเหนียวอ่อนมากหรือช่วงที่มีการปลอกกันแรงเสียดทาน
- แรงที่เหลือถึงปลายเข็ม ถ้าเหลือน้อยมากแปลว่าเสาเข็มทำงานด้วยแรงเสียดทานเกือบทั้งหมด การเพิ่มความยาวจะได้ผลก็ต่อเมื่อชั้นดินที่ลึกลงไปยังให้แรงเสียดทานเพิ่มได้
- พฤติกรรมเมื่อน้ำหนักเพิ่มขึ้น แรงเสียดทานของดินมักถึงค่าสูงสุดที่การเคลื่อนตัวเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ส่วนแรงแบกทานที่ปลายต้องใช้การเคลื่อนตัวมากกว่าจึงจะพัฒนาเต็มที่ ในขั้นน้ำหนักสูง ๆ จึงมักเห็นสัดส่วนของแรงที่ปลายเข็มเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ
การอ่านกราฟการทรุดตัวที่หัวเสาเข็มยังใช้เกณฑ์เดิม เช่น เกณฑ์ Davisson ซึ่งอธิบายไว้ที่ Static Load Test อ่านผลยังไง
ต้องวางแผนอะไรบ้างก่อนหล่อเสาเข็ม
ข้อจำกัดสำคัญที่สุดของการทดสอบแบบนี้คือ ต้องตัดสินใจก่อนเสาเข็มเกิด สเตรนเกจต้องถูกผูกติดกับโครงเหล็กเสริมและหล่อฝังอยู่ในคอนกรีต พร้อมเดินสายสัญญาณขึ้นมาถึงระดับหัวเสาเข็ม สิ่งที่ต้องเตรียมล่วงหน้าประกอบด้วย
- เลือกเสาเข็มทดสอบให้อยู่ในตำแหน่งที่ชั้นดินเป็นตัวแทนของพื้นที่โครงการ โดยอ้างอิงจากผลเจาะสำรวจดิน
- กำหนดระดับติดตั้งสเตรนเกจให้คร่อมรอยต่อของชั้นดินที่สนใจ และมีระดับบนสุดอยู่เหนือดินสำหรับสอบเทียบโมดูลัส
- ป้องกันสายสัญญาณระหว่างการหย่อนโครงเหล็กและการเทคอนกรีต ซึ่งเป็นจุดที่เครื่องมือเสียหายบ่อยที่สุด
- บันทึกค่าเริ่มต้นของทุกเกจก่อนเริ่มให้น้ำหนัก เพื่อใช้เป็นฐานเทียบ
- รอให้คอนกรีตได้กำลังตามที่กำหนดก่อนทดสอบ ตามหลักเดียวกับการทดสอบแบบสถิตทั่วไป
เมื่อเสาเข็มถูกหล่อหรือผลิตเสร็จแล้ว จะเพิ่มเครื่องมือวัดภายในไม่ได้อีก การทดสอบแบบติดเครื่องมือวัดจึงต้องอยู่ในแผนงานตั้งแต่ขั้นออกแบบ ไม่ใช่สิ่งที่ตัดสินใจเพิ่มทีหลังตอนจะทดสอบ
คุ้มที่จะทำเมื่อไหร่
การติดเครื่องมือวัดเพิ่มทั้งเวลาเตรียมงานและค่าใช้จ่าย จึงไม่ได้ทำกับทุกโครงการ กรณีที่มักคุ้มค่าคือ
- โครงการที่มีเสาเข็มจำนวนมาก ข้อมูลจากเสาเข็มทดสอบไม่กี่ต้นอาจทำให้ปรับความยาวเสาเข็มที่เหลือทั้งโครงการได้ ซึ่งประหยัดกว่าค่าทดสอบมาก
- ชั้นดินซับซ้อนหรือมีข้อมูลน้อย เช่น พื้นที่ที่มีชั้นดินเหนียวอ่อนหนาสลับชั้นทราย ซึ่งค่าพารามิเตอร์ที่ใช้ออกแบบมีความไม่แน่นอนสูง
- เสาเข็มยาวหรือรับน้ำหนักสูง ที่การประมาณสัดส่วนแรงเสียดทานกับแรงแบกทานผิดพลาดแล้วมีผลต่อความปลอดภัยหรือค่าก่อสร้างมาก
- งานที่ต้องยืนยันสมมติฐานการออกแบบ เช่น โครงการที่ผู้ออกแบบใช้ค่าแรงเสียดทานสูงกว่าค่าที่ใช้กันทั่วไป และต้องมีข้อมูลสนามมายืนยัน
สำหรับงานทั่วไปที่ต้องการเพียงยืนยันว่าเสาเข็มรับน้ำหนักได้ตามที่ออกแบบ การทดสอบแบบสถิตทั่วไปหรือ Dynamic Load Test (PDA) ตาม ASTM D4945 และ มยผ.1252-51 ก็เพียงพอแล้ว การเลือกจำนวนและวิธีทดสอบดูเพิ่มได้ที่ ต้องทดสอบเสาเข็มกี่ต้น
เทียบกับ Bi-Directional (O-cell) Test
อีกวิธีที่ให้ข้อมูลการถ่ายน้ำหนักตามความลึกได้เหมือนกันคือการทดสอบแบบสองทิศทาง (Bi-Directional Load Test) ตาม ASTM D8169 ซึ่งใช้แม่แรงฝังอยู่ในตัวเสาเข็มดันขึ้นและลงพร้อมกัน
| ประเด็น | Instrumented SLT (ASTM D1143) | Bi-Directional / O-cell (ASTM D8169) |
|---|---|---|
| วิธีให้แรง | กดจากหัวเสาเข็มด้านบน | แม่แรงในตัวเสาเข็มดันขึ้นและลงพร้อมกัน |
| ระบบปฏิกิริยา | ต้องมีน้ำหนักถ่วงหรือเสาเข็มยึด | ใช้ตัวเสาเข็มเองเป็นปฏิกิริยา ไม่ต้องถ่วงน้ำหนัก |
| พื้นที่หน้างานที่ต้องใช้ | มาก เพราะต้องตั้งระบบถ่วงน้ำหนัก | น้อยกว่าอย่างชัดเจน |
| ข้อมูลแยกแรงตามความลึก | ได้ จากสเตรนเกจตามระดับ | ได้ จากการแยกแรงขึ้นและแรงลงของแม่แรง |
| ต้องเตรียมก่อนหล่อ | ต้อง | ต้อง |
รายละเอียดของวิธีสองทิศทางอยู่ที่ Bi-Directional (O-cell) Load Test
สรุป
Instrumented Static Load Test คือการทดสอบแบบสถิตตาม ASTM D1143 ที่เพิ่มสเตรนเกจฝังในเสาเข็มหลายระดับ ทำให้แยกได้ว่ากำลังที่วัดได้มาจากแรงเสียดทานผิวของดินชั้นใดบ้าง และเหลือถึงปลายเข็มเท่าไหร่ ข้อมูลนี้เปลี่ยนผลทดสอบจากคำตอบว่าผ่านหรือไม่ผ่าน ให้กลายเป็นข้อมูลที่ปรับการออกแบบเสาเข็มทั้งโครงการได้ ข้อแลกเปลี่ยนคือต้องวางแผนและติดตั้งเครื่องมือก่อนหล่อเสาเข็ม และมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าการทดสอบแบบธรรมดา จึงเหมาะกับโครงการที่มีเสาเข็มจำนวนมากหรือชั้นดินไม่แน่นอน
เนื้อหานี้เป็นความรู้ทั่วไปเพื่อความเข้าใจ ไม่ใช่คำแนะนำเชิงออกแบบสำหรับโครงการใดโครงการหนึ่ง จำนวนและตำแหน่งของเครื่องมือวัด ค่าพารามิเตอร์ดินที่จะนำไปใช้ และการตัดสินผล ต้องดำเนินการโดยวิศวกรผู้รับผิดชอบโครงการที่มีใบอนุญาต (กว.) สภาวิศวกร ประกอบข้อมูลชั้นดินและแบบก่อสร้างจริง