ในแบบฐานรากทั่วไป ฐานหนึ่งฐานมักมีเสาเข็มมากกว่าหนึ่งต้น คำถามที่ตามมาเสมอคือฐานที่มีเสาเข็ม 4 ต้นรับน้ำหนักได้ 4 เท่าของเสาเข็มต้นเดียวหรือไม่ คำตอบเชิงวิศวกรรมคือไม่จำเป็น และในดินเหนียวอ่อนแบบที่พบมากในกรุงเทพฯ และปริมณฑล มักได้น้อยกว่านั้น
ประสิทธิภาพเสาเข็มกลุ่ม (Group Efficiency) คืออะไร?
ประสิทธิภาพเสาเข็มกลุ่ม คืออัตราส่วนระหว่างกำลังรับน้ำหนักประลัยของกลุ่มเสาเข็มทั้งกลุ่ม กับผลรวมของกำลังรับน้ำหนักประลัยของเสาเข็มเดี่ยวแต่ละต้นที่อยู่ในกลุ่มนั้น เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า
ประสิทธิภาพกลุ่ม = กำลังประลัยของกลุ่มทั้งกลุ่ม ÷ (จำนวนเสาเข็ม × กำลังประลัยของเสาเข็มเดี่ยว)
ถ้าค่าที่ได้เท่ากับ 1 กลุ่มทำงานได้เต็มที่เหมือนเสาเข็มแต่ละต้นทำงานแยกกัน ถ้าน้อยกว่า 1 กลุ่มเสียกำลังไปเพราะเสาเข็มรบกวนกันเอง ถ้ามากกว่า 1 แปลว่าการติดตั้งช่วยปรับปรุงดินรอบข้างจนกลุ่มทำได้ดีกว่าผลบวก ซึ่งเกิดขึ้นได้จริงในบางกรณี
เมื่อจัดรูปสูตรใหม่ กำลังของกลุ่มจึงเท่ากับ ประสิทธิภาพกลุ่ม × จำนวนเสาเข็ม × กำลังของเสาเข็มเดี่ยว ตัวอย่างเช่น ถ้าประสิทธิภาพกลุ่มเท่ากับ 0.8 (ค่าสมมติเพื่ออธิบายเท่านั้น) ฐานรากเสาเข็ม 9 ต้นจะรับได้ประมาณ 7.2 เท่าของเสาเข็มต้นเดียว ไม่ใช่ 9 เท่า
ทำไมเสาเข็มที่อยู่ใกล้กันถึงรับน้ำหนักได้น้อยลง?
เสาเข็มที่อยู่ใกล้กันรับน้ำหนักได้น้อยลงเพราะใช้มวลดินก้อนเดียวกันรับแรง เสาเข็มแต่ละต้นถ่ายน้ำหนักลงดินสองทาง คือแรงเสียดทานผิวรอบตัวเสาเข็ม (Skin Friction) และแรงแบกทานที่ปลายเข็ม (End Bearing) ทั้งสองทางทำให้เกิดหน่วยแรงกระจายออกไปในมวลดินรอบเสาเข็ม เรียกกันว่ากระเปาะหน่วยแรง (Stress Bulb)
เมื่อเสาเข็มสองต้นอยู่ห่างกันมาก กระเปาะหน่วยแรงของแต่ละต้นแทบไม่ทับกัน ดินที่รองรับเสาเข็มต้นหนึ่งจึงไม่ถูกรบกวนจากอีกต้น แต่เมื่อเสาเข็มอยู่ชิดกัน กระเปาะหน่วยแรงซ้อนทับกัน ดินก้อนเดียวกันต้องรับแรงจากเสาเข็มหลายต้นพร้อมกัน หน่วยแรงในดินจึงสูงกว่าที่เสาเข็มเดี่ยวสร้างขึ้น ผลคือดินเข้าใกล้จุดวิบัติเร็วกว่า และทรุดตัวมากกว่าที่คำนวณจากเสาเข็มเดี่ยว
ภาพด้านล่างเทียบเสาเข็มที่ห่างกันประมาณ 4 เท่าของขนาดหน้าตัด (S ≈ 4D) กับที่ห่างกันประมาณ 2.5 เท่า (S ≈ 2.5D) ให้สังเกตว่ากระเปาะหน่วยแรงเริ่มซ้อนทับกันเมื่อระยะห่างลดลง
ระยะห่างเสาเข็มมีผลกับประสิทธิภาพกลุ่มแค่ไหน?
ระยะห่างเป็นตัวแปรที่มีผลมากที่สุดตัวเดียว ยิ่งเสาเข็มห่างกัน กระเปาะหน่วยแรงยิ่งซ้อนทับน้อย และประสิทธิภาพกลุ่มยิ่งเข้าใกล้ 1 ในทางปฏิบัติวิศวกรมักระบุระยะห่างเป็นจำนวนเท่าของขนาดหน้าตัดเสาเข็ม วัดจากศูนย์กลางถึงศูนย์กลาง ระยะที่พบบ่อยในแบบฐานรากทั่วไปคือประมาณ 2.5–3 เท่า
← เลื่อนดูตารางทั้งหมด →
| ระยะห่าง (เท่าของขนาดเสาเข็ม) | ระดับการซ้อนทับของหน่วยแรง | แนวโน้มประสิทธิภาพกลุ่ม | ข้อสังเกตหน้างาน |
|---|---|---|---|
| ต่ำกว่า 2.0 เท่า | ซ้อนทับมาก | ต่ำกว่า 1 ชัดเจน | เสี่ยงชนกันขณะติดตั้ง และเสี่ยงวิบัติแบบก้อนในดินเหนียว |
| 2.5–3.0 เท่า | ซ้อนทับปานกลาง | ต่ำกว่า 1 เล็กน้อยถึงใกล้ 1 | ช่วงที่พบมากที่สุดในแบบฐานรากทั่วไป |
| 3.0–4.0 เท่า | ซ้อนทับน้อย | เข้าใกล้ 1 | ฐานรากใหญ่ขึ้น ปริมาณคอนกรีตและเหล็กเพิ่ม |
| มากกว่า 4.0 เท่า | แทบไม่ซ้อนทับ | ประมาณ 1 | มักไม่คุ้มค่าก่อสร้าง ยกเว้นมีข้อจำกัดเฉพาะ |
ตารางนี้แสดงแนวโน้มเชิงหลักการเท่านั้น ค่าประสิทธิภาพกลุ่มที่ใช้ออกแบบจริงขึ้นกับชนิดดิน วิธีติดตั้ง จำนวนต้น และรูปแบบการจัดวางของแต่ละฐาน วิศวกรผู้ออกแบบต้องกำหนดค่านี้จากข้อมูลเจาะสำรวจดินของโครงการนั้นโดยตรง ไม่ใช่หยิบตัวเลขจากตารางไปใช้
มีสูตรเชิงประสบการณ์หลายสูตรที่ตำราใช้ประมาณค่าประสิทธิภาพกลุ่มจากระยะห่างและจำนวนแถว เช่น สูตร Converse-Labarre ซึ่งยังพบในบางสเปกและตำราเรียน แต่ปัจจุบันหลายแนวทางถือว่าสูตรกลุ่มนี้เป็นเพียงการประมาณอย่างหยาบ ไม่ได้แทนการวิเคราะห์ที่อ้างอิงข้อมูลดินจริง
การวิบัติแบบกลุ่ม (Block Failure) คืออะไร?
การวิบัติแบบกลุ่ม (Block Failure) คือกรณีที่เสาเข็มทั้งกลุ่มกับดินระหว่างเสาเข็มเคลื่อนลงพร้อมกันเป็นก้อนเดียว มักเกิดในดินเหนียวเมื่อเสาเข็มอยู่ชิดกันมากพอ ดินระหว่างเสาเข็มจะถูกยึดไว้จนเคลื่อนตัวไปพร้อมกับเสาเข็ม กลุ่มทั้งกลุ่มจึงมีพฤติกรรมเหมือนเสาเข็มขนาดใหญ่หนึ่งต้นที่มีหน้าตัดเท่ากับขอบนอกของกลุ่ม จึงเรียกอีกชื่อว่าการวิบัติแบบก้อน
เมื่อวิบัติในรูปแบบนี้ แรงต้านที่เหลืออยู่มีเพียงสองส่วน คือแรงเฉือนของดินรอบผิวด้านนอกของก้อน และแรงแบกทานของดินที่ฐานของก้อน แรงเสียดทานของผิวเสาเข็มแต่ละต้นที่อยู่ด้านในไม่ถูกใช้งาน เพราะดินด้านในเคลื่อนไปพร้อมกับเสาเข็มอยู่แล้ว
กำลังของก้อน (Block Capacity) = แรงเฉือนรอบผิวนอกของก้อน + แรงแบกทานที่ฐานของก้อน
แรงเฉือนรอบผิวนอก = เส้นรอบรูปของก้อน 2 × (Bg + Lg) × ความยาวเสาเข็ม L × กำลังรับแรงเฉือนเฉลี่ยของดินตลอดความยาว ส่วนแรงแบกทานที่ฐาน = พื้นที่ฐานก้อน Bg × Lg × กำลังแบกทานของดินที่ระดับปลายเข็ม โดย Bg และ Lg คือความกว้างและความยาวของขอบนอกกลุ่มเสาเข็ม
← เลื่อนดูตารางทั้งหมด →
| ประเด็น | วิบัติทีละต้น (Individual Failure) | วิบัติแบบก้อน (Block Failure) |
|---|---|---|
| รูปแบบการเคลื่อนตัว | เสาเข็มเลื่อนลงในดิน ดินระหว่างเสาเข็มอยู่กับที่ | เสาเข็ม ดินระหว่างเสาเข็ม และฐานราก เคลื่อนลงพร้อมกัน |
| ผิวที่ให้แรงต้าน | ผิวรอบเสาเข็มทุกต้น + ปลายเข็มทุกต้น | ผิวรอบนอกของก้อน + ฐานของก้อน |
| มักควบคุมเมื่อ | ระยะห่างมาก หรือเป็นเสาเข็มแบกทานปลายในชั้นแข็ง | ระยะห่างน้อย ในดินเหนียว และกลุ่มมีเสาเข็มหลายต้น |
| ผลต่อการออกแบบ | กำลังกลุ่มใกล้เคียงผลรวมของเสาเข็มเดี่ยว | กำลังกลุ่มอาจต่ำกว่าผลรวมอย่างมีนัยสำคัญ |
หลักปฏิบัติทางวิศวกรรมคือ ต้องตรวจทั้งสองกรณีแล้วใช้ค่าที่น้อยกว่าเป็นกำลังของกลุ่ม การมองข้ามกรณีวิบัติแบบก้อนเป็นความเสี่ยงสำคัญในดินเหนียวอ่อน ซึ่งเป็นชั้นดินหลักของกรุงเทพฯ และปริมณฑล อ่านลักษณะของชั้นดินอ่อนกรุงเทพฯ ได้ที่ ฐานรากบนชั้นดินอ่อนกรุงเทพฯ
ภาพแรกด้านล่างเป็นรูปตัด 2 มิติที่เทียบการวิบัติแบบก้อน (ช่อง ①) กับแนวคิดฐานรากเทียบเท่าที่ใช้ประเมินการทรุดตัว (ช่อง ②) ภาพที่สองเป็นแบบจำลอง 3 มิติของกลุ่มเสาเข็ม 3×3 ต้น ให้ดูกล่องสีแดงซึ่งแทนก้อนดินกับเสาเข็มที่เคลื่อนลงพร้อมกัน และขอบนอก Bg × Lg ที่ใช้ในสูตรด้านบน
เสาเข็มกลุ่มในดินทรายกับดินเหนียว ต่างกันอย่างไร?
ต่างกันได้ทั้งทิศทาง ไม่ใช่แค่ระดับ ในดินเหนียว ประสิทธิภาพกลุ่มมักต่ำกว่า 1 ส่วนเสาเข็มตอกในดินทรายหลวมอาจได้เท่ากับหรือมากกว่า 1
ในดินทรายหลวมที่ใช้เสาเข็มตอก การตอกเสาเข็มทำให้ทรายรอบข้างถูกอัดจนแน่นขึ้น เสาเข็มต้นที่ตอกทีหลังจึงอยู่ในดินที่มีสภาพดีกว่าตอนสำรวจ และเสาเข็มต้นที่ตอกไปแล้วก็ได้ประโยชน์จากดินที่แน่นขึ้นด้วย ในกรณีนี้ประสิทธิภาพกลุ่มอาจเท่ากับหรือมากกว่า 1 ได้ ผลนี้มาจากการอัดแน่นขณะตอก ซึ่งเป็นคนละเรื่องกับการที่กำลังเสาเข็มเปลี่ยนไปตามเวลาหลังตอก (Setup หรือ Relaxation) ที่ตรวจได้ด้วยการทดสอบซ้ำ อ่านเพิ่มได้ที่ Restrike Test และปรากฏการณ์ Setup
ในดินเหนียว การติดตั้งเสาเข็มไปรบกวนโครงสร้างของดินและทำให้เกิดแรงดันน้ำส่วนเกิน กำลังของดินจะค่อย ๆ คืนตัวตามเวลา แต่ไม่ได้ทำให้ดินแน่นขึ้นถาวรแบบทราย ประกอบกับความเสี่ยงการวิบัติแบบก้อน ทำให้ประสิทธิภาพกลุ่มในดินเหนียวมักต่ำกว่า 1 โดยเฉพาะเมื่อระยะห่างน้อย
เสาเข็มเจาะ ไม่ว่าจะอยู่ในทรายหรือดินเหนียว ไม่ได้ทำให้ดินรอบข้างแน่นขึ้นเหมือนเสาเข็มตอก จึงไม่ได้ประโยชน์จากการอัดแน่นของดิน และในบางกรณีการเจาะยังทำให้ดินรอบหลุมคลายตัวลงเล็กน้อยด้วย ความแตกต่างของทั้งสองระบบอธิบายไว้ที่ เสาเข็มเจาะกับเสาเข็มตอก ทดสอบต่างกันอย่างไร
ทำไมฐานรากเสาเข็มทรุดตัวมากกว่าเสาเข็มเดี่ยว?
เพราะหน่วยแรงจากกลุ่มเสาเข็มลงไปได้ลึกกว่าปลายเข็มมาก และไปกดชั้นดินอัดตัวได้ที่เสาเข็มเดี่ยวแทบไม่ส่งผลถึง ประเด็นนี้สำคัญกว่าเรื่องกำลังในหลายโครงการ เพราะฐานรากจำนวนมากถูกควบคุมด้วยเกณฑ์การทรุดตัว ไม่ใช่เกณฑ์กำลัง
เสาเข็มเดี่ยวสร้างหน่วยแรงลงดินเป็นกระเปาะเล็ก ๆ ที่มีขนาดประมาณไม่กี่เท่าของหน้าตัดเสาเข็ม แต่กลุ่มเสาเข็มที่มีหลายต้นทำให้กระเปาะแรงของทุกต้นรวมกันเป็นก้อนใหญ่ ความลึกที่หน่วยแรงยังมีนัยสำคัญจึงลงไปได้ลึกกว่าปลายเข็มมาก ถ้าใต้ปลายเข็มมีชั้นดินเหนียวอัดตัวได้ ชั้นนั้นจะถูกกดโดยกลุ่มทั้งที่เสาเข็มเดี่ยวแทบไม่ส่งผลถึง
ผลที่ตามมาคือ ผลการทดสอบการรับน้ำหนักของเสาเข็มต้นเดียวที่แสดงว่าทรุดตัวไม่กี่มิลลิเมตร ไม่ได้แปลว่าฐานรากทั้งฐานจะทรุดตัวเท่านั้น การประเมินการทรุดตัวของกลุ่มต้องทำแยกต่างหาก วิธีที่ใช้กันคือแนวคิดฐานรากเทียบเท่า (Equivalent Raft) ซึ่งสมมติว่าน้ำหนักทั้งหมดถ่ายลงเป็นฐานแผ่ขนาดเท่ากลุ่มเสาเข็มที่ระดับความลึกหนึ่ง แล้วคำนวณการอัดตัวของชั้นดินใต้ระดับนั้น (ดูช่อง ② ของภาพ 2 มิติด้านบน)
วิธีอ่านค่าการทรุดตัวจากผลทดสอบเสาเข็มต้นเดียว อธิบายไว้ที่ Static Load Test อ่านผลยังไง
ทดสอบเสาเข็มทีละต้น บอกพฤติกรรมของกลุ่มได้แค่ไหน?
การทดสอบเสาเข็มที่ใช้กันในโครงการทั่วไปเป็นการทดสอบทีละต้นทั้งหมด จึงบอกกำลังและพฤติกรรมของเสาเข็มเดี่ยว ไม่ได้บอกประสิทธิภาพกลุ่มโดยตรง ภาพรวมของวิธีทดสอบแต่ละแบบดูได้ที่หน้า บริการทดสอบเสาเข็ม
แต่ข้อมูลนี้ยังจำเป็นมาก เพราะการวิเคราะห์พฤติกรรมกลุ่มทุกวิธีต้องเริ่มจากกำลังและพฤติกรรมของเสาเข็มเดี่ยวที่เชื่อถือได้ก่อน ถ้าค่าเสาเข็มเดี่ยวยังไม่ยืนยัน การคูณหรือหารด้วยประสิทธิภาพกลุ่มก็ไม่มีความหมาย
- Static Load Test (ASTM D1143 และ มยผ. 1251) ให้ความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักกับการทรุดตัวของเสาเข็มเดี่ยวโดยตรง จึงเป็นข้อมูลตั้งต้นที่ตรงที่สุดสำหรับการวิเคราะห์กลุ่ม
- Dynamic Load Test (PDA) ตาม ASTM D4945 และ มยผ.1252-51 ให้ค่ากำลังและการกระจายแรงเสียดทานตามความลึกจากการวิเคราะห์ CAPWAP ซึ่งช่วยบอกว่าเสาเข็มพึ่งแรงเสียดทานหรือแรงแบกทานปลายเป็นหลัก จุดนี้สำคัญเพราะกลุ่มเสาเข็มที่พึ่งแรงเสียดทานได้รับผลกระทบจากการซ้อนทับของหน่วยแรงมากกว่า
- Seismic Integrity Test ตาม มยผ.1551-51 ตรวจความสมบูรณ์ของเนื้อเสาเข็ม ไม่ได้บอกกำลัง แต่ช่วยยืนยันว่าเสาเข็มในกลุ่มไม่มีต้นที่ชำรุดจนถ่ายน้ำหนักไปเพิ่มภาระให้ต้นข้างเคียง
ประเด็นสุดท้ายนี้มักถูกมองข้าม ในฐานรากที่มีเสาเข็มไม่กี่ต้น ถ้ามีต้นหนึ่งชำรุดจนรับน้ำหนักได้น้อยลง ภาระจะถ่ายไปยังต้นที่เหลือและอาจทำให้ฐานเอียง การสุ่มตรวจความสมบูรณ์จึงมีคุณค่าเชิงระบบ ไม่ใช่แค่ตรวจคุณภาพรายต้น ดูเกณฑ์การสุ่มทดสอบได้ที่ ต้องทดสอบเสาเข็มกี่ต้น
สรุป: เสาเข็มกลุ่มรับน้ำหนักได้เท่าไหร่?
กำลังของฐานรากเสาเข็มไม่ใช่การบวกกำลังของเสาเข็มแต่ละต้นตรง ๆ แต่เท่ากับประสิทธิภาพกลุ่ม × จำนวนต้น × กำลังของเสาเข็มเดี่ยว เพราะเสาเข็มที่อยู่ใกล้กันใช้มวลดินก้อนเดียวกันในการถ่ายน้ำหนัก ระยะห่างเป็นตัวแปรหลักที่ควบคุมเรื่องนี้ ในดินเหนียวต้องตรวจการวิบัติแบบก้อนเพิ่มแล้วใช้ค่าที่น้อยกว่า ส่วนเสาเข็มตอกในดินทรายหลวม การอัดแน่นของดินอาจทำให้กลุ่มทำได้ดีกว่าผลรวม นอกจากกำลังแล้ว การทรุดตัวของกลุ่มมักมากกว่าที่ประเมินจากเสาเข็มเดี่ยว จึงต้องประเมินแยกต่างหาก
สิ่งที่เจ้าของโครงการทำได้คือจัดหาข้อมูลตั้งต้นที่ดี ได้แก่ ข้อมูลเจาะสำรวจดินที่ครอบคลุมความลึกใต้ปลายเข็ม และผลทดสอบเสาเข็มที่ยืนยันกำลังของเสาเข็มเดี่ยวจริงหน้างาน สองอย่างนี้คือวัตถุดิบที่วิศวกรผู้ออกแบบต้องใช้ในการประเมินพฤติกรรมของกลุ่ม
เนื้อหาอธิบายหลักการของประสิทธิภาพเสาเข็มกลุ่มและการวิบัติแบบก้อนเพื่อความเข้าใจเบื้องต้นเท่านั้น ค่าประสิทธิภาพกลุ่ม ระยะห่างเสาเข็ม จำนวนต้นต่อฐาน และเกณฑ์การทรุดตัวที่ยอมรับได้ของแต่ละโครงการ ต้องกำหนดโดยวิศวกรผู้ออกแบบจากข้อมูลชั้นดินและน้ำหนักบรรทุกจริงของโครงการนั้น