คำถามว่า “ดินรับน้ำหนักได้เท่าไร” อยู่เบื้องหลังการออกแบบฐานรากทุกชนิด ตั้งแต่บ้านพักอาศัยไปจนถึงโรงงาน บทความนี้อธิบายแนวคิดสำคัญแบบไม่ต้องใช้สมการ พร้อมแผนภาพ 2 มิติและแบบจำลอง 3 มิติ เพื่อให้ทั้งเจ้าของโครงการและวิศวกรคุยกันด้วยภาษาเดียวกัน
ดิน "พัง" ได้อย่างไร? สองเงื่อนไขที่ฐานรากต้องผ่าน
เมื่อฐานรากกดน้ำหนักลงดิน มีความเสี่ยง 2 แบบที่วิศวกรต้องตรวจสอบเสมอ:
1. การวิบัติเฉือน (Shear Failure)
หากน้ำหนักมากเกินกำลังของดิน ดินใต้ฐานรากจะถูกเฉือนพังและทะลักออกด้านข้าง ทำให้ฐานรากจมลงทันที นี่คือขีดจำกัดที่เรียกว่า Ultimate Bearing Capacity — กำลังรับน้ำหนักประลัยของดิน
2. การทรุดตัวเกินพิกัด (Excessive Settlement)
ดินอาจไม่ถึงกับพัง แต่ค่อย ๆ ยุบตัวลงจนอาคารทรุด แตกร้าว หรือเอียง โดยเฉพาะการทรุดตัวต่างระดับ (Differential Settlement) ที่แต่ละจุดของอาคารทรุดไม่เท่ากัน ซึ่งอันตรายกว่าการทรุดทั้งหลังเท่า ๆ กัน ดินเหนียวอ่อนอย่างชั้นดินกรุงเทพฯ มักถูกควบคุมด้วยเงื่อนไขนี้มากกว่าการวิบัติเฉือน (สังเกตอาการอาคารที่เริ่มมีปัญหาได้ที่ สัญญาณฐานรากมีปัญหา)
การออกแบบฐานรากต้องผ่านทั้งสองเงื่อนไขพร้อมกัน — ดินไม่พัง และ ทรุดไม่เกินพิกัดที่ยอมรับได้ ผ่านข้อเดียวไม่พอ
ภาพด้านล่างสรุปสองเงื่อนไขข้างต้นเป็นแผนภาพ 2 มิติ ซ้ายคือกลไกการวิบัติเฉือนใต้ฐานราก ขวาคือการทรุดต่างระดับที่ทำให้อาคารร้าว และกราฟแรงกดกับการทรุดตัวที่แสดงว่าค่าที่ใช้ออกแบบมาจากเงื่อนไขที่น้อยกว่า
Ultimate กับ Allowable Bearing Capacity ต่างกันอย่างไร?
← เลื่อนดูตารางทั้งหมด →
| ศัพท์ | ความหมาย |
|---|---|
| Ultimate Bearing Capacity (qu) | น้ำหนักสูงสุดที่ดินรับได้ก่อนวิบัติเฉือน |
| Allowable / Safe Bearing Capacity (qa) | ค่าที่ใช้ออกแบบจริง ได้จากการนำค่าประลัยมาหารด้วยอัตราส่วนความปลอดภัย (Factor of Safety) และตรวจสอบเงื่อนไขการทรุดตัวแล้ว |
| Factor of Safety (FS) | ตัวหารเผื่อความไม่แน่นอนของดินและน้ำหนัก ฐานรากตื้นโดยทั่วไปราว 2.5–3 ส่วนเสาเข็มโดยทั่วไปราว 2.0–2.5 ค่าจริงเป็นดุลยพินิจของวิศวกรผู้ออกแบบ |
ค่าที่ปรากฏในรายงานเจาะดินหรือที่วิศวกรใช้คำนวณฐานรากคือ ค่าที่ยอมให้ (Allowable) ซึ่งต่ำกว่าค่าประลัยเสมอ เพื่อเผื่อความไม่แน่นอนของดินและน้ำหนักใช้งานจริง
ค่าที่ยอมให้คือค่าที่น้อยกว่าระหว่างสองเงื่อนไข คือค่าประลัยหารด้วย FS กับแรงกดที่ทำให้ดินทรุดถึงค่าที่ยอมรับได้ ในดินเหนียวอ่อน เงื่อนไขการทรุดตัวมักเป็นตัวคุมมากกว่า จึงไม่ควรดูเฉพาะตัวเลขกำลังรับน้ำหนักเพียงอย่างเดียว
อะไรทำให้กำลังรับน้ำหนักของดินแต่ละแปลงต่างกัน?
- ชนิดดิน — ทรายแน่นและดินเหนียวแข็งรับน้ำหนักได้ดี ดินเหนียวอ่อน ดินเลน หรือดินถมใหม่รับได้ต่ำ
- ความลึกของฐานราก — ฐานรากที่วางลึกลงไปมีดินกดทับด้านข้างช่วยมากขึ้น กำลังรับน้ำหนักจึงสูงขึ้น
- ขนาดและรูปร่างฐานราก — ฐานรากกว้างกระจายน้ำหนักต่างจากฐานรากแคบ และส่งอิทธิพลลงดินลึกกว่า
- ระดับน้ำใต้ดิน — น้ำใต้ดินสูงทำให้หน่วยน้ำหนักประสิทธิผลของดินลดลง กำลังรับน้ำหนักลดตาม (อ่านละเอียดที่ ระดับน้ำใต้ดินมีผลกับฐานรากอย่างไร)
- สภาพการรับน้ำหนัก — น้ำหนักคงที่ระยะยาวกับน้ำหนักกระทำชั่วคราวให้พฤติกรรมดินต่างกัน โดยเฉพาะในดินเหนียว
ครึ่งหนึ่งของตัวแปรเป็น "เรื่องของดิน" อีกครึ่งเป็น "เรื่องของฐานรากที่ออกแบบ" — นี่คือเหตุผลที่ค่ากำลังรับน้ำหนักดินต้องวิเคราะห์เป็นรายโครงการ ไม่สามารถลอกจากแปลงข้างเคียงได้ตรง ๆ และเป็นเหตุผลเดียวกับที่การใช้ค่าสมมติโดยไม่เจาะดินมีความเสี่ยง (อ่านเพิ่มที่ ไม่เจาะดินแล้วใช้ค่ากำลังรับน้ำหนักสมมติได้ไหม)
ค่ากำลังรับน้ำหนักดินหาได้จากการทดสอบอะไร?
จากการเจาะสำรวจดิน (Soil Boring)
- SPT N-value (ASTM D1586) — ค่าตอกทะลวงมาตรฐานที่เก็บทุกช่วงความลึก ใช้ประเมินความแน่นของทรายและความแข็งของดินเหนียว แล้วสัมพันธ์ไปหาพารามิเตอร์กำลังของดิน — รายละเอียดการแปลค่าอ่านได้ที่ SPT N-Value แปลผลอย่างไร
- Unconfined Compression Test (ASTM D2166) — หากำลังรับแรงเฉือนแบบไม่ระบายน้ำ (Su) ของดินเหนียว ใช้คำนวณกำลังรับน้ำหนักฐานรากและเสาเข็มในชั้นดินเหนียวโดยตรง
- Consolidation Test (ASTM D2435) — ใช้ตรวจสอบเงื่อนไขข้อสอง คือทำนายขนาดและระยะเวลาการทรุดตัว (ดูรายการทดสอบแล็บทั้งหมดที่ การทดสอบดินในห้องปฏิบัติการมีอะไรบ้าง)
จากการทดสอบภาคสนามโดยตรง
- Plate Bearing Test (ASTM D1195/D1196 · มยผ.1253-62) — กดแผ่นเหล็กบนดินหรือชั้นวัสดุถมจริง วัดความสัมพันธ์น้ำหนัก–การทรุดตัวโดยตรง นิยมใช้กับพื้นโรงงาน ลานวางสินค้า และงานถนน
- การทดสอบเสาเข็ม เช่น Static Load Test และ Dynamic Load Test (PDA) — พิสูจน์กำลังรับน้ำหนักของเสาเข็มที่ก่อสร้างจริง (Static อ้าง ASTM D1143 · มยผ. 1251 ส่วน Dynamic อ้าง มยผ.1252-51 · ASTM D4945)
แบบจำลอง 3 มิติด้านล่างรวมภาพว่าข้อมูลแต่ละชนิดมาจากส่วนไหนของหน้างาน และแต่ละค่าตอบเงื่อนไขข้อใด ก่อนที่วิศวกรจะสรุปค่ากำลังรับน้ำหนักที่ยอมให้ในรายงาน
กำลังรับน้ำหนักดินเกี่ยวอะไรกับการเลือกฐานรากแผ่หรือเสาเข็ม?
หลักคิดพื้นฐาน: ถ้าดินระดับตื้นมีกำลังรับน้ำหนักที่ยอมให้สูงพอและทรุดตัวไม่เกินพิกัด ก็อาจใช้ฐานรากแผ่ (Shallow Foundation) ได้ แต่ถ้าดินตื้นอ่อนเกินไป — เช่น ดินเหนียวอ่อนกรุงเทพฯ — ต้องใช้เสาเข็มถ่ายน้ำหนักลงไปยังชั้นดินแข็งหรือชั้นทรายแน่นด้านล่าง (เปรียบเทียบชนิดเสาเข็มได้ที่ เสาเข็มตอก เจาะ สปัน เลือกแบบไหน)
การจะรู้ว่าชั้นแข็งอยู่ลึกเท่าไร หนาแค่ไหน ตอบได้จากผลเจาะสำรวจดินเท่านั้น (ดูแนวทางกำหนดจำนวนหลุมและความลึกที่ เจาะดินกี่หลุม ลึกกี่เมตร) การตัดสินใจสุดท้ายเป็นหน้าที่ของวิศวกรผู้ออกแบบโดยอิงข้อมูลดินจริงของแปลงก่อสร้าง
สรุป: ดินรับน้ำหนักได้เท่าไร ตอบได้จากข้อมูลดินจริงเท่านั้น
Bearing Capacity คือคำตอบของคำถาม "ดินรับน้ำหนักได้เท่าไรโดยไม่พังและไม่ทรุดเกินพิกัด" เป็นค่าที่ขึ้นกับทั้งดินและฐานราก จึงต้องได้จากการเจาะสำรวจและทดสอบดินของแปลงก่อสร้างจริง ผ่านการวิเคราะห์และรับรองโดยวิศวกร ไม่ใช่ตัวเลขสำเร็จรูปที่หยิบใช้ข้ามแปลงได้
บทความนี้จัดทำเพื่อเป็นความรู้ทางวิศวกรรม การกำหนดค่ากำลังรับน้ำหนักที่ยอมให้และการเลือกระบบฐานราก เป็นหน้าที่ของวิศวกรผู้ออกแบบที่มีใบอนุญาต โดยอิงข้อมูลดินจริงของโครงการ