การคาดคะเนการรับน้ำหนักของเสาเข็มโดยสแตนดาร์ด เพเนเทรชั่น เทส ในดินกรุงเทพมหานคร

Abstract

หลักการออกแบบฐานรากแบบเสาเข็มให้ตั้งอยู่ได้โดยไม่เกิดการวิบัติและประหยัดค่าก่อสร้าง ผู้ออกแบบจะต้องคาดคะเนกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มให้ได้ใกล้เคียงกับความเป็นจริง ซึ่งส่วนใหญ่ค่าพารามิเตอร์กำลังเฉือนของดินที่ใช้คำนวณกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มด้วย static pile formula มักจะได้มาจากการเจาะสำรวจดินและเก็บตัวอย่างดินมาวัดค่ากำลังในห้องทดลองโดยใช้ unconfined compression test สำหรับชั้นดินแข็งในกรุงเทพฯ ส่วนใหญ่นิยมเก็บตัวอย่างที่ดินที่มีสภาพถูกรบกวน (disturbed sample) และทดสอบ SPT ไปด้สยในตัวเพื่อเป็นการประหยัดและไม่เสียเวลา เพื่อประหยัดเวลาในการออกแบบ ปัญหาที่ควรหาคำตอบคือจะประมาณค่ากำลังเฉือนของดินจากค่า SPT N value อย่างไรหรือจะประมาณกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มจากค่า SPT N value ได้อย่างไร เพื่อให้สามารถคาดคะเนกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มตอกในดินแข็งชั้นแรกของกรุงเทพฯ จากค่า N(SPT) ให้ใกล้เคียงกับความเป็นจริงยิ่งขึ้น ผู้เขียนจึงเก็บรวบรวมข้อมูลหลุมเจาะดิน และข้อมูลการทดสอบเสาเข็มตอกในบริเวณกรุงเทพฯ เอามาวิเคราะห์หาความสัมพันธ์ระหว่างค่า N(SPT) กับแรงต้านทานของเสาเข็มในส่วนที่เป็นดินแข็ง นอกจากนั้นแล้วยังได้ develop หาค่า adhesion factor ซึ่งมีความสัมพันธ์กับค่าแรงเฉือนจาก unconfined compression test เพื่อมีประโยชน์ในการออกแบบเสาเข็มคอนกรีตอัดแรงในชั้นดินเหนียวแข็งและชั้นทรายชั้นแรก โดยได้ทำการวิจัยตามขั้นตอนและผลการวิจัยสรุปได้ดังต่อไปนี้ (i) หาความสัมพันธ์ระหว่างค่า N(SPT) กับค่ากำลังของดินที่ได้จาก unconfined compression test ของดินเหนียวแข็งชั้นแรกในชั้นดินกรุงเทพฯ เพื่อให้ได้กำลังเฉือนของดินแบบอันเดรน (Su) เอาไปใช้ในการคำนวณกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มตอกในชั้นดินเหนียวแข็งตามวิธี total stress โดยทำการวิเคราะห์จากข้อมูลทั้งหมด 426 จุด และใช้หลักการของเส้นถดถอย (Regression analysis) ซึ่งพบว่า สามารถแยกความสัมพันธ์ระหว่างค่า N(SPT) กับ qu ตาม plasticity ของดินเป็นดิน CH (Inorganic clay of high plasticity) และดิน CL (Inorganic clay of low to medium plasticity) โดยพบว่าดินเหนียวแข็ง (CH) ของกรุงเทพฯ ให้ความสัมพันธ์ระหว่างค่า N กับ qu ใกล้เคียงกับที่เสนอโดย Terzaghi และ Peck (1948) ดินเหนียวแข็ง (CL) ได้ความสัมพันธ์ใกล้เคียงกับเสนอที่โดย Sowers (1961) ความลึกของชั้นดินเหนียวแข็งที่วิจัยอยู่ระหว่าง 14.0 เมตร ถึง 25.0 เมตร จากผิวดิน ค่า plasticity index อยู่ระหว่าง 10 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ Natural water content อยู่ระหว่าง 20 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ (ii) หาความสัมพันธ์แบบ empirical ระหว่างค่าตัวประกอบการยึดเกาะ (adhesion factor α) กับค่าเฉลี่ยกำลังเฉือนของดินเหนียวแข็ง โดยวิเคราะห์ได้จากข้อมูลการทดสอบเสาเข็มคอนกรีตอัดแรงตอกในบริเวณกรุงเทพฯ จำนวน 32 ต้นและเข็มเหล็ก 2 ต้น ความลึกของปลายเข็มอยู่ระหว่าง 18.5 เมตร ถึง 29.0 เมตรจากผิวดิน ได้ค่า α แปรตามค่าเฉลี่ยแรงเฉือนของดินเมื่อค่าเฉลี่ยแรงเฉือนของดินมากขึ้น ค่า α จะมีค่าน้อยลงและแนวโน้มของเส้น curve ความสัมพันธ์ของค่า α กับค่าเฉลี่ยแรงเฉือนของดินที่หาได้ใกล้เคียงกับเส้น curve ของ Peck (1958) ได้ค่า α มากกว่าค่าที่เสนอโดย Holmberg (1970) เมื่อเอาค่า α ไปคำนวณกำลังรับน้ำหนักบรรทุกประลัยของเสาเข็ม จะได้ค่าต่างไปจากผลการทดสอบในสนามไม่เกิน ±20 เปอร์เซนต์ (iii) วิเคราะห์หาความสัมพันธ์แบบ empirical ระหว่างค่า N(SPT) กับแรงต้านทานของเสาเข็มคอนกรีตอัดแรงชนิดเข็มตอก เฉพาะส่วนที่เป็นดินเหนียวแข็ง จากข้อมูลการทดสอบเสาเข็มจำนวน 34 ต้น และค่าN(SPT) กับแรงต้านทานของเสาเข็มคอนกรีตอัดแรงชนิดเข็มดอกเฉพาะส่วนที่เป็นดินทรายปนดินเหนียว (ค่า PI อยู่ระหว่าง 10 ถึง 20 เปอร์เซนต์ Wn อยู่ระหว่าง 15 ถึง 25 เปอร์เซนต์ และขนาดเม็ดดินผ่านตะแกรง เบอร์ 200 40 เปอร์เซนต์ โดยน้ำหนัก) ข้อมูลทดสอบเสาเข็มที่มีปลายเข็มจมอยู่ในดินทรายปนดินเหนียว จำนวน 9 ต้น ความลึกของปลายเข็ม อยู่ระหว่าง 20.0 เมตร ถึง 27.5 เมตร สมการความสัมพันธ์ระหว่างค่า N(SPT) กับแรงต้านทานของเสาเข็มในดินเหนียวแข็งมีดังนี้ Pu(stiff clay) = 5.75 NpAp + 0.28 N ̅SAS สมการที่ (1) เมื่อ Pu = ค่าแรงต้านทานสูงสุดของเสาเข็มเฉพาะในส่วนที่อยู่ในดินเหนียวแข็ง หน่วยเป็นตัน Ap = พื้นที่หน้าตัดที่ปลายเข็ม หน่วยเป็นตารางเมตร AS = พื้นที่ผิวประสิทธิผลของเสาเข็ม (คิดจากเส้นรอบรูปรอบเสาเข็มที่สั้นที่สุด) หน่วยเป็นตารางเมตร NP = ค่าเฉลี่ย N(SPT) ของดินเหนียวแข็งในช่วง ± หนึ่งเท่ากับของขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเข็มจากระดับปลายเข็ม หน่วยเป็น blows per foot N ̅S = ค่าเฉลี่ยของ N(SPT) ของชั้นดินแข็งตลอดความยาวของเสาเข็ม หน่วยเป็น blows per foot สมการนี้มีรูปแบบเหมือนกับสูตร empirical ที่เสนอโดย Meyerhof (1956 และ 1976) สมการความสัมพันธ์ระหว่างค่า N(SPT) กับแรงต้านทานของเสาเข็มเฉพาะส่วนที่จมอยู่ในดินทรายปนดินเหนียว มีดังนี้ Pu(clayey sand) = 0.007 q ̅vavg N ̅SAS + 0.394 q ̅vavg NPAP สมการที่ (2) เมื่อ Pu = ค่าแรงต้านทานสูงสุดของเสาเข็มเฉพาะส่วนที่อยู่ในชั้น clayey sand หน่วย เป็นตัน q ̅vavg = ค่าเฉลี่ยของค่าความเต้นประสิทธิผลในแนวดิ่งของดิน ( σ ̅VO) เฉพาะในชั้นดิน clayey sand ถึงระดับปลายเข็ม หน่วยเป็นตันต่อตารางเมตร N ̅S = ค่าเฉลี่ย N (SPT) ตลอดความหนาของชั้นดินclayey sand ถึงระดับปลายเข็ม หน่วยเป็น blows per foot (ไม่ต้องแก้ไขค่า N ที่วัดได้ในสนาม) Np = ค่าเฉลี่ย N (SPT) ของชั้นดินในช่วง ± หนึ่งเท่าของขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเสาเข็มจากระดับปลายเข็ม หน่วยเป็น blows per foot (ไม่ต้องแก้ไขค่า N ที่วัดได้ในสนาม) Ap = พื้นที่หน้าตัดที่ปลสยเข็ม หน่วยเป็นตารางเมตร AS = พื้นที่ผิวประสิทธิผลของเสาเข็ม หน่วยเป็นตารางเมตร สมการนี้ประกอบด้วยค่าเฉลี่ยของความเค้นประสิทธิภาพของดินในแนวดิ่งและค่า N (SPT) เมื่อทดสอบสูตร empirical ที่หาได้ โดยการคำนวณกำลังรับน้ำหนักบรรทุกประลัยของเสาเข็มทั้งหมด (รวมแรงเสียดทานของเสาเข็มในชั้นดินอ่อนและแข็งปานกลางชั้นบนและรวมทั้งแรงเสียดทานเนื่องมาจากดินแข็งชั้นบนในกรณีที่ปลายเข็มอยู่ใน clayey sand) เปรียบเทียบกับกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มที่ทดสอบได้ในสนาม (ค่าน้ำหนักบรรทุกประลัยจากการทดสอบ หาได้โดยใช้หลักการของ Vesic 1963) จะพบว่าค่ากำลังรับน้ำหนักบรรทุกประลัยของเสาเข็มในดินเหนียวแข็งจะมีค่าผิดพลาดไม่เกิด ±25 เปอร์เซนต์ และเสาเข็มที่มีปลายเข็มจมอยู่ในชั้นดินทรายบนดินเหนียว จะมีค่าผิดพลาดเกิดขึ้นไม่เกิด ±10 เปอร์เซนต์เท่านั้น