บทที่ 3 ฐานรากเสาเข็ม

3.1 บทนํา “เสาศิลา แปดศอก ตอกเปนหลัก ไปมาผลัก บอยคร้ัง เสายังไหว หูหนึ่งฟง หูหนึ่งย้ัง ช่ังใจไว จงเช่ือใจ เราดีกวา อยาเช่ือยุ” คําโคลงของ สุนทรภู คนไทยนั้นนําเสาเข็มมาใชเป นฐานรากรองรับโครงสรางเปนระยะเวลานานแลว ซึ่งจากเอกสารของ (สันต ิ

2547) ไดศึกษาชนิดของฐานราของโบราณสถานในประเทศไทย แบงเปนชวงไดดังนี ้

3.1.1 ในสมัยกรุงศรีอยุธยา • ไดแกฐานรากขององคพระปรางควัดอรุณราชวรารามวรมหาวิหาร เปนฐานรากแผที่รองรับไวดวยไมซ่ึง

มีลักษณะเหมือนเสาเข็ม และเปนที่นิยมกนัแพรหลายเนื่องจากช้ันดินเปนที่ราบลุมแมน้ําซ่ึงเปนดินออน

3.1.2 ในสมัยกรุงรัตนโกสินทร ในสมัยนี้ไดเร่ิมใชหลักการทางดานวิศวกรรมฐานรากมากขึ้นเนื่องจากตองส่ิงปลูกสรางสวนใหญอยูติดกับ

แมน้ําซ่ึงเป นดินออน ตัวอยางเชน • ปอมวิเชียรโชฎก จ. สมุทรปราการ ไดมีการใชเสาเข็มไมขนาดเสนผานศูนยกลางประมาณ 6 – 7

เซนติเมตร ตอกลึกประมาณ 1 เมตร เปนฐานรากของปอม เนื่องจากดินบริเวณชายฝงทะเลเปนดินที่คอนขางออนมาก

• ในสมัยรัชกาลที่ 1 ไดมีการสรางวังหนาทางดานตะวันออกของแมน้ําเจาพระยาโดยใชเสาเข็มไมเสนผานศูนยกลาง 12 เซนติเมตร ยาว 1.4 เมตร ตอกหางกันประมาณ 0.3 เมตร และอัดเศษปูน หิน กระทุงแนน แลวกอสรางอาคารสวนบน

• การสรางปอมพระสุเมรุ ไดม ีการตอกเข็มไมหลายขนาดเพื่อเปนฐานรากของปอมเพื่อเปนเข็มพืดปองกันดินไหลออก และมีการใชโองดินเปลาสูง 55 เซนติเมตรวางเหลือ่มลึกลงในดิน 7 ใบเพื่อลดน้ําหนักกดของดิน

• ภูเขาทองวัดสระเกศ ทําการสรางฐานรากโดยขุดดินลงไปถึงช้ันดินออนมาก แลวเอาหลักแพทั้งตนเปนเข็มหมลงไปจนเต็มแลวเอาไมซุงทําเปนเข็ม ปูเปนตารางแลวกอศิลาแลงขึ้นมาเกือบเสมอดิน

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

77

ในอดีตการกอสรางฐานรากที่ใชเสาเข็มมักจะกระทําตามประสบการณที่ชางกอสรางไดรับมาโดยอาจจะใชวิธีการลองผิดลองถูก แตในปจจุบันการออกแบบฐานรากจะใชวิธีการคํานวณกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มจากผลการเจาะสํารวจ หรือทําการกอสรางเสาเข็มจริงและทดสอบ ซึ่งไมตองใชวิธีลองผิดลองถูกเหมือนในอดีต

เสาเข็มนับวาเปนสวนสําคัญของโครงสรางที่สัมผัสดินโดยตรง เสาเข็มจะทําหนาที่ถายน้ําหนักของอาคารลงสูดินที่ระดับลึก กรณีที่จะตองใชเสาเข็มไดแก

• เมื่อช้ันดินระดับตื้นไมสามารถรับน้ําหนักของอาคารได หรือเกิดไดก็มีการทรุดตัวมากเกินไปเมื่อมีน้ําหนักของอาคารกดทับ จึงตองใชเสาเข็มในการถายน้ําหนักของอาคารลงสูช้ันดินแข็งที่อยูในระดับลึก ถาช้ันดินแข็งอยูลึกมากน้ําหนักจะถายลงสูดินในรูปของแรงเสียดทานที่ผ ิวของเสาเข็ม

ดินที่ไมถูกรบกวน

รูปท่ี 3.1 เปรียบเทียบระหวางหนวยแรงใตฐานรากตื้นกับหนวยแรงใตฐานรากเสาเข็ม (Tomlinson 1995)

• เมื่อโครงสรางจะตองรับแรงทางดานขาง หรือมีโมเมนตดัดจากโครงสรางสวนบน เสาเข็มอาจจะตองถูกออกแบบใหรับไดทั้งแรงในแนวดิ่งและโมเมนต ซ่ึงโครงสรางสวนใหญในกรณีนี้จะเปน กําแพงกันดิน (Retaining wall) หรือโครงสรางที่ตองรับแรงลม หรือแรงเนื่องจากแผนดินไหว

• เมื่อโครงสรางจะตองกอสรางบน Expansive soil หรือ Collapsible soil ซึ่งมีความหนามาก Expansive soil จะพองตัวเมื่อความช้ืนในดินเพิ่มขึ้น ถาใชฐานรากแบบตื้นจะทําใหโครงสรางเกิดความเสียหายได จึงตองใชเสาเข็มเพื่อถายน้ําหนักลงสูช้ันดินที่ไมมีการพองตัว

• ในกรณีที่โครงสรางมีแรงถอนเกิดขึ้นเชนโครงสรางเสาสงไฟฟาหรือ อาคารหองใตดินที่มีจมอยูใตระดับน้ําใตดินซึ่งจะมแีรงลอยตัวกระทํา ทําใหตองใชเสาเข็มยึดโครงสรางไวเพื่อตานทานแรงถอน

• เสาเข็มของสะพานซ่ึงการไหลของน้ําอาจกัดเซาะดินที่ท องน้ํา จึงตองใชเสาเข็มเพื่อถายน้ําหนักสะพานลงสูช้ันดินที่น้ํากัดเซาะลงไปไมถึง

วิศวกรรมฐานราก

78

รูปที่ 3.2 ความแตกตางของฐานรากตื้นแบบแผ และฐานรากเสาเข็ม

รูปที ่ 3.3 เสาเข็มกลุมซึ่งรับแรงในแนวแกน แรงทางดานขาง และโมเมนตดัดรวมกัน

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

79

รูปท่ี 3.4 เสาเข็มท่ีใชเปนรองรับโครงสรางสะพานขามแมนํ้า

3.2 การจําแนกชนิดของเสาเข็ม British Standard Code of Practice for Foundations (BS8001) ไดแบงเสาเข็มตามลักษณะการแทนที่ดินเปน 3

พวกคือ

3.2.1 เสาเข็มที่กอใหเกิดการเคล่ือนตัวของดินในปริมาณสูง (Large displacement pile) เปนเสาเข็มที่ตัน หรือเสาเข็มกลวงแตปดปลายไว ซ่ึงการติดตั้งทําไดโดยการตอกหรือกดลงในช้ันดิน ซ่ึง

ไดแกเสาเข็มตอกทุกชนิด

3.2.2 เสาเข็มที่กอใหเกิดการเคล่ือนตัวของดินในปริมาณต่ํา (Small displacement pile) เปนเสาเข็มที่ตองตอกหรือกดลงในดินเหมือนกัน แตจะมีพื้นที่หนาตัดนอยดังนั้นจึงมีปริมาตรดินที่ตองถูก

แทนที่นอยดวย ซ่ึงไดแกเสาเข็มเหล็ก Wide Flange

3.2.3 เสาเข็มขุดดินออกและเทคอนกรีตแทนที่ (Replacement pile) เปนเสาเข็มที่มีการเจาะใหเปนรูเพื่อเอาดินออกจากนั้นจึงเทคอนกรีตลงไปแทนที่ดินที่นําขึ้นมานั้น การเจาะ

จะใชปลอกเหล็กปองกันผนังหลุมเจาะพังทลาย และถาเจาะลึกมากในช้ันทรายที่อยูใตระดับน้ําใตดินจะใชสารละลายเบนโทไนทเติมลงในหลุมเจาะเพื่อปองกันมิใหหลุมเจาะพังเนื่องจากน้ําใตดินทะลักเขามา

3.2.4 วัสดุที่ใชเปนเสาเข็ม วัสดุที่ใชเปนเสาเข็มนั้นมีอยูหลายชนิด ในการเลือกใชขึ้นอยูกับน้ําหนักที่เสาเข็มจะตองรับ ผลจาก

สภาพแวดลอมตอเสาเข็ม ขอจํากัดในการกอสราง ความสําคัญของโครงสรางเปนตน ขอดีและขอดอยของเสาเข็มแตละชนิดสรุปไดดังตารางที ่3.1

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

80

ตารางที่ 3.1 ขอดีและขอดอยของเสาเข็มแตละชนิด (คัดลอกบางสวนจาก (Vesic 1977))

ชนิดของเสาเข็ม ขอดี ขอดอย เสาเข็มไม • ตัดหัวเข็มไดงาย

• ราคาถูก • หาไดงาย

• ผุงายเม่ืออยูเหนือระดับนํ้าใตดิน โดยเฉพาะในทะเล

• มีขนาดและกําลังรับนํ้าหนักใหเลือกไมมาก • มีโอกาสชํารุดเน่ืองจากการตอกมาก • ตอความยาวยาก • มีเสียงดังรบกวนเนื่องจากการตอก

เสาเข็มเหล็ก • ตัดและตอหัวเสาเข็มไดงาย • มีขนาดและความยาวใหเลือกหลาย

ขนาด • สามารถตอกทะลุชั้นดินแข็ง กรวด

ใหญ และหินท่ีมีความแข็งไมมากได • เชื่อมตอเขากับโครงสรางเหล็กได

งาย

• มีปญหาเร่ืองการผุจากสนิม ถาตองใชในทะเลตองมีการปองกัน

• ถาเสาเข็มมีหนาตัดเล็ก เวลาตอกอาจเบ่ียงไปจากแนวการตอกได

• เน้ือวัสดุมีราคาแพงเม่ือเทียบกับวัสดุชนิดอื่น • มีเสียงดังรบกวนเนื่องจากการตอก

เสาเข็ม คสล. หลอสําเร็จ (อัดแรง หรือไมอัดแรง)

• ทนทานตอการกัดกรอนไดดีในเกือบทุกสภาวะ

• เชื่อมตอเขากับโครงสราง คสล. ไดงาย

• การขนยายยุงยาก ถามีถนนแคบ หรือมีพื้นท่ีจํากัด

• การตอกยุงยาก • ยากในการตัดหัวเสาเข็มสวนเกิน • ยากในการตอหัวเสาเข็ม

เสาเข็ม คสล. หลอในท่ี (เสาเข็มเจาะ)

• ไมตองการพื้นที่ในการกองเก็บเสาเข็ม

• สามารถกําหนดระดับหัวเสาเข็มท่ีตองการได

• สามารถกอสรางไดกอนการขุดเปดหนาดินเพื่อทําหองใตดิน

• บางชนิดไมตองตอกโครงสรางใดๆลงในดิน ทําใหเหมาะกับพื้นท่ีซึ่งควบคุมการสั่นสะเทือน และควบคุมเสียง (พื้นท่ีในเมือง)

• ปญหาเร่ืองการไหลตัวของดินออนเขามาในรูเจาะ (แกไขโดยใชปลอกเหล็กชั่วคราว)

• ปญหาเน่ืองจากความตอเนื่องของคอนกรีต • ถาเจาะในชั้นทรายปญหาเนื่องจากนํ้าใตดินทํา

ใหหลุมเจาะพังทลาย

3.1 เสาเข็มไม ทําจากไมสน หรือไมเบญจพรรณมีขนาด 3 – 8 นิ้วยาว 3-8 เมตรใชกับโครงสรางขนาดเล็ก ขอดีของเสาเข็ม

ชนิดนี้ก็คือหาไดงาย สวนขอดอยก็คือมีกําลังรับน้ําหนักไมสูง และในบางคร้ังหาขนาดหนาตัดหรือความยาว

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

81

ตามที่ตองการไมได สวนในการนําไปใชงานจะตองคํานึงถึงการผุพังของเนื้อไมที่อยูเหนือระดับน้ําใตดินดวยซ่ึงถาเสาเข็มจมอยูใตระดับน้ําใตดินอยูตลอดเวลาจะปองกันการผุพังของเนื้อไมได

รูปท่ี 3.5 รูปตัดของเสาเข็มไม

3.2 เสาเข็มคอนกรีตสําเร็จรูป สวนใหญใชเปนเสาเข็มของอาคารขนาดปานกลางถึงใหญ และใชเปนเสาเข็มของสะพานขนาดกลาง ๆหรือ

เสาเข็มของทางดวน เปนตน เสาเข็มจะหลอในโรงงานและขนยายไปหนวยงานกอสรางจึงมักจะตองมีการอัดแรงในเสาเข็ม ความยาวมีความยาวตั้งแต 7-26 เมตร แตถาจําเปนจะตองใชความยาวมากหรือมีพื้นที่ในการขนยายจํากัด อาจจะแบงเปนสวน ๆ แลวนํามาเช่ือมกันในหนวยงานกอสรางได หนาตัดที่นิยมใชกันทั่วไปแสดงดังรูปที่ 3.6 และรูปแบบการเสริมเหล็กตามแนวยาวแสดงดังรูปที ่3.7

รูปท่ี 3.6 หนาตัดทั่วๆไปของเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็ก

รูปท่ี 3.7 ตัวอยางการเสริมเหล็กในเสาเข็มคอนกรีต

3. เสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็กแบบหลอในที่ เปนเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็กที่ใชดินเปนแบบหลอ มักจะใชเปนฐานรากของโครงการขนาดใหญ หรือใน

กรณีที่ใชเสาเข็มตอกแลวจะทําใหอาคารขางเคียงเกิดการชํารุดเสียหาย เสนผานศูนยกลางมีตั้งแต 0.35 เมตร ถึง 2.0 เมตร กําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มเจาะจะสูงมากเพราะสามารถเจาะใหมีความลึกไดถึงกวา 60 เมตร (ในโครงการกอสรางสะพานขามแมน้ําเจาพระยาในโครงการทางพิเศษสายบางพลี – สุขสวัสดิ์ ใชเสาเข็มเจาะขนาดเสนผานศูนยกลาง 2 เมตรลึก 64 เมตร) ราคาของเสาเข็มเจาะจะสูงกวาเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็กแตจะมีกําลังรับน้ําหนักตอตนสูงกวา

วิศวกรรมฐานราก

82

เหล็กยืนเหล็กปลอก

เสาเข็มเจาะหนาตัดกลม

เสาเข็มเจาะหนาตัดสี่เหล่ียม

เสาเข็มเจาะหนาตัดกากบาท

เสาเข็มเจาะรูปตัวที

รูปท่ี 3.8 หนาตัดเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็กแบบขุดและหลอโดยใชดินเปนแบบหลอ

4. เสาเข็มเหล็ก เปนเสาเข็มที่ทําจากเหล็กรูปพรรณเชน Wide Flange หรือทอเหล็ก เสาเข็มชนิดนี้สามารถรับแรงดึงและ

โมเมนตดัดไดด ีและสามารถตอกในช้ันดินแข็งได ในการกอสรางหองใตดินลึกมากในช้ันดินเหนียวออนมักจะถูกนํามาใชเปนเสาเข็มของสะพานช่ัวคราว ส่ิงที่ควรระวังในการใชเสาเข็มเหล็กเปนโครงสรางถาวรก็คือผุกรอนของเหล็กเนื่องจากสนิม ส่ิงที่ตองคํานึงถึงอีกประการหนึ่งก็คือราคาของเสาเข็มเหล็กเพราะเสาเข็มเหล็กจะมีราคาสูงกวาเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็ก

รูปท่ี 3.9 หนาตัดเสาเข็มเหล็กรูปพรรณ

3.3 เสาเข็มท่ีนิยมใชในประเทศไทย

3.3.1 เสาเข็มตอก การตอกเสาเข็มอาจทําไดโดยการใชแรงคนหรือเคร่ืองจักรในการตอก แตในงานกอสรางสวนใหญแลวจะใช

เคร่ืองจักรในการตอก ตัวอยางเคร่ืองจักรที่ใชในการตอกเสาเข็มแสดงดังรูปที ่3.10

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

83

รูปท่ี 3.10 หลักการทํางานของการตอกเสาเข็มดวยวิธีตางๆ (Vesic 1977)

ในที่นี้จะกลาวเฉพาะอุปกรณตอกเสาเข็มที่นิยมใชในประเทศไทย ซ่ึงไดแก

3.3.1.1 ปนจั่นแบบโครงเหล็กที่ใชลูกตุมตกอยางอิสระ (Drop hammer)

เปนเคร่ืองจักรตอกเสาเข็มที่นิยมใชกันมาก แทนตอกจะเปนโครงเหล็กสูง 8 เมตร – 30 เมตร ลูกตุมที่ใชตอกเปนเหล็ก ขั้นตอนในการตอกจะยกตุมเหล็กดวยรอกใหสูง 0.3 เมตร ถึง 1.2 เมตรแลวปลอยใหตกกระแทกหัวเสาเข็ม

(a)

(b)

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

84

รูปที ่3.11 (a) การตอกเสาเข็มโดยใชปนจ่ันแบบโครงเหล็ก (b) หมวกครอบหัวเสาเข็มและหมอนรอง

สวนประกอบของ Drop hammer • หมวกครอบหัวเสาเข็มทําหนาที่ถายแรงจากตุมสูเสาเข็ม และปองกันตัวเสาเข็มแตกราวเนื่องจากแรง

กระแทก • ไมรองหัวเสา และกระสอบจะทําหนาที่ดูดซับแรงกระแทกขณะที่ตุมกระทบเสาเข็ม กระสอบจะใชรอง

เสาเข็มกอนจะใสหมวกครอบ สวนไมรองมักจะใชไมหนาสามเรียงตอกันจนมีขนาดใกลเคียงกับหมวกครอบ

3.3.1.2 ปนจั่นแบบลูกตุมตอกที่ยกดวยระบบไฮโดรลิกส

เปนเคร่ืองจักรตอกเสาเข็มที่ติดตั้งบนรถเครน มีหลักการทํางานเหมือนปนจั่นโครงเหล็กคือตองยกลูกตุมแลวปลอยใหตกลงมากระแทกหัวเสาเข็มทําใหเสาเข็มจมลงในดิน เพียงแตการยกตุมตอกจะยกดวยระบบไฮดรอลิกส ระยะยกของตุมตอกจะถูกควบคุมไดดีกวาปนจั่นแบบโครงมาก

3.3.1.3 เคร่ืองมือตอกแบบอื่น ๆ เชน เคร่ืองตอกดวยระบบดีเซล เคร่ืองตอกระบบไอน้ํา แตมักจะไมเปนที่นิยมใชในประเทศไทย

รูปท่ี 3.12 เคร่ืองจักรตอกเสาเข็มแบบติดตั้งบนรถเครน

ในการตอกเสาเข็มจะไมใชตุมตอกลงบนหัวเสาเข็มโดยตรงเพราะจะทําใหหัวเสาเข็มชํารุด ในทางปฏิบัติจะใชวัสดุท ี่ยุบตัวไดเชนไมรองรับหัวเสาเข็มเพื่อถายแรงกระแทกลงไปที่หัวเสาเข็ม และจะมีการใชหมวกเหล็กรองรับอีกดวย

3.3.2 เสาเข็มเจาะ เสาเข็มเจาะสามารถแบงไดเปน 2 ประเภทคือเสาเข็มเจาะแบบแหงและเสาเข็มเจาะแบบเปยก

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

85

3.3.2.1 เสาเข็มเจาะแบบแหง (Dry process bored pile)

เสาเข็มเจาะระบบเจาะแหงสวนใหญจะเปนเสาเข็มเจาะในช้ันดินที่น้ําใตดินอยูลึกมากหรือเปนชั้นดินเหนียว เพราะถามีน้ําใตดินในช้ันทรายไหลเขามาในหลุมเจาะจะทําใหหลุมเจาะพังทลาย และจะทําใหกําลังรับน้ําหนักที่ปลายเข็มลดลงเนื่องจากมีดินหลวมอยูที่ปลายเสาเข็ม เคร่ืองมือเจาะที่ยังนิยมใชกันมีอยู 2 ประเภทคือ

1) เคร่ืองเจาะแบบสามขา เคร่ืองเจาะระบบนี้จะใชแรงงานคนเปนสวนใหญเหมาะกับโครงการที่มีเสาเข็มจํานวนนอยเพราะใชคาใชจายในการขนยายเคร่ืองมือไมมาก ตัวอยางงานที่ใชเคร่ืองเจาะสามขาไดแก งานเสาเข็มสะพานลอยคนเดินขาม, งานตอเติมบานพักอาศัย หรืองานกอสรางอาคารขนาดกลาง ความลึกในการเจาะไมควรเกิน 25 เมตรและมีขนาดตั้งแต 0.35 เมตร – 0.80 เมตร

รูปท่ี 3.13 เคร่ืองมือท่ีใชเจาะเสาเข็มเจาะแบบสามขา

รูปที่ 3.14 ขั้นตอนการกอสรางเสาเข็มเจาะแบบสามขา (1) เจาะหลุมโดยใชกระบอกเก็บดิน (2) ติดตั้งเหล็กเสริมและ

เตรียมกรวยเทคอนกรีต (3) เทคอนกรีตผานทอเท (4) หยุดเทคอนกรีตเม่ือถึงระดับท่ีตองการ (5) ถอนปลอกเหล็กออก (6) เสร็จการกอสราง

วิศวกรรมฐานราก

86

2) เคร่ืองเจาะแบบสวาน (Rotary drilling rig) เปนการเจาะแหงโดยใชสวานที่หมุนดวยเคร่ืองยนต (รูปที่ 3.15) วิธีการกอสรางโดยสังเขป คือ ลงปลอกเหล็กปองกันชั้นดินออนและใชเปนตัวนําตําแหนงของเสาเข็มดวยแลวเจาะดินภายในปลอกเหล็กออกโดยใชสวาน (Auger) จนไดระดับทีต่องการหลังจากนั้นลงเหล็กเสริมและเทคอนกรีตจนเต็มรูเจาะและถอนปลอกเหล็กออกเสาเข็มเจาะวิธีนี้จะเจาะไดเร็วมาก หากเข็มลึกไมเกิน 25 เมตรจะใชเวลาเจาะไมเกิน 1 ช่ัวโมง ระบบการเจาะโดยเคร่ืองจักรประเภทนี้ยังเปนที่นิยมอยางแพรหลายในปจจุบัน

รูปท่ี 3.15 เคร่ืองเจาะแบบสวานหมุน (Rotary drilling rig)

3.3.2.2 เคร่ืองมือที่ใชเจาะเสาเข็มระบบเจาะเปยก (Wet process bored pile)

เสาเข็มเจาะแบบเจาะเปยกระบบ Rotary drill เปนระบบที่แพรหลายทั่วโลก การกอสรางอาคารสูง สะพานลอย ฯลฯ ในกรุงเทพมหานครนิยมใชระบบเข็มเจาะชนิดนี้มาก ทั้งนี้เพราะสามารถกอสรางไดรวดเร็วกวาเสาเข็มเจาะระบบอื่นๆ อีกสามารถกอสรางใหมีขนาดใหญและลึก ใหสามารถรับน้ําหนักไดสูงและคลองตัวกวาเสาเข็มเจาะประเภทอื่นๆ เคร่ืองมือเจาะดินระบบ Rotary drill นี้จะติดตั้งบนรถเครน ซ่ึงมี 2 ประเภท ประเภทแรกเปนการนําหัวเจาะไปติดตั้งบนรถเครนตีนตะขาบแบบไมตายตัว เมื่อเลิกใชสามารถถอดออกได (รูปที่ 3.16-a)อีกประเภทหนึ่งเปนเคร่ืองเจาะประเภทติดตั้งตายตัวบนรถเครนตีนตะขาบ ไมสามารถถอดแยกสวนได (รูปที่ 3.16-b) ที่ไดช่ือวาเปนเสาเข็มระบบเจาะเปยกเนื่องจากเสาเข็มชนิดนี้ตองใชสารละลายเบนโทไนทเพื่อปองกันมิใหหลุมเจาะพังทลาย หัวเจาะดินที่ใชจะขึ้นอยูกับสภาพดินดังแสดงดัง สําหรับขั้นตอนการเจาะแสดงดัง

เสาเข็มชนิดนี้เหมาะสําหรับเปนฐานรากของอาคารที่มีน้ําหนักสูง สําหรับสารละลายซ่ึงตองใสไวในหลมุเพื่อปองกันหลุมเจาะพังเนื่องจากแรงดันน้ําใตดินนั้นสวนใหญจะใชเบนโทไนท แตในปจจุบันไดมีการนําเอาสารละลายโพลีเมอรเขามาใชแทนสารละลายเบนโทไนทกันมากขึ้นเนื่องจากไมเปนน้ําโคลนจึงมีความสะอาดกวา และโพลีเมอรยังทําใหแรงเสียดทานของผิวของเสาเข็มเพิ่มขึ้นอีกดวย หลักการปองกันดินพังของเบนโทไนทและโพลีเมอรแสดงดังรูปที ่3.19

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

87

(b)

SEAFCO

(b)

รูปท่ี 3.16 เคร่ืองจักรเจาะเสาเข็มท่ีติดตั้งไวบนรถเครน (a) แบบแยกสวนได (b) แบบแยกสวนไมได

(a)

(b)

(c)

(d)

รูปท่ี 3.17 หัวเจาะดินสําหรับกอสรางเสาเข็มเจาะ (a) หัวเจาะดินแบบสวาน (b) หัวเจาะหินแบบสวาน (c) หัวเจาะดินแบบถังสําหรับเจาะใตสารละลายเบนโทไนท (c) หัวเจาะหินแบบ Core barrel

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

88

รูปท่ี 3.18 ข้ันตอนการกอสรางเสาเข็มเจาะระบบเจาะเปยก (1) ตอกปลอกเหล็กกันดินโดยใช Vibro hammer (2) เจาะ

ดินเหนียวโดยใชสวาน และเจาะใตเบนโทไทนโดยใช bucket (3) หยอนเหล็กเสริมลงในหลุม (4) เทคอนกรีตใตนํ้าใหดันเบนโทไนทขึ้นมา (5) เม่ือคอนกรีตถึงระดับที่ตองการแลวจึงถอนปลอกเหล็กข้ึน

(a)

เจลโพลีเมอร

เสนใยโพลีเมอร

เสนใยโพลีเมอร เพิ่มcohesion ของดิน

เจลโพลีเมอรอุดชองวางในดิน

(b)

รูปที่ 3.19 สารละลายท่ีใชกันหลุมเจาะพังในการกอสรางเสาเข็มเจาะระบบเจาะเปยก (a) เบนโทไนท (b) โพลีเมอร

3.3.3 ปจจัยที่มีผลกระทบตอกําลังรับนํ้าหนักของเสาเข็ม 3.3.3.1 กรรมวิธีการกอสราง

ในการคํานวณกําลังรับน้ําหนักบรรทุกของเสาเข็มส่ิงที่ตองพิจารณาประกอบดวยคือ ลักษณะการกอสรางซ่ึงจะมีผลกระทบตอกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มอยางมาก ตัวอยางเชน การตอกเข็มในหลุมทีม่ีการเจาะนําไวกอน อาจทําใหแรงเสียดทานของเสาเข็มลดลง

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

89

ตารางท่ี 3.2 คาของ Coefficient of lateral earth pressure, K ของเสาเข็ม

ขั้นตอนการติดตั้ง เสาเข็มเจาะทําใหดินรอบเสาเข็มหลวม เข็มตอกทําใหดินรอบเสาเข็มแนน กอนการติดตั้งเสาเข็ม

หลังการติดตั้งเสาเข็ม

3.3.3.2 ความขรุขระของผิวเสาเข็ม

เนื่องจากเสาเข็มตอกนั้นจะทําการผลติเสาเข็มโดยการควบคุมคุณภาพกอนทําการติดตั้ง ดังนั้นผิวของเสาเข็มจึงมีความเรียบมากกวากรณีของเสาเข็มเจาะซึ่งใชดินเปนแบบหลอคอนกรีต ซ่ึงจากการศึกษาของ Flemming et al. พบวาเมื่อเสาเข็มมีความขรุขระกําลังของเสาเข็มจะสูงขึ้นดังรูปที่ 3.20

hσ ′

sf

ระยะทรุดตัวของเสาเข็ม

รูปท่ี 3.20 แรงเสียดทานผิวเสาเข็มเม่ือเสาเข็มมีผิวขรุขระ (Flemming and Sliwinski 1977)

3.3.3.3 เนื่องจากเบนโทไทนปองกันหลุมเจาะพังทลาย

เสาเข็มเจาะที่เจาะดวยวิธีเจาะแบบเปยกและเจาะแบบแหงจะใหผลในการรับแรงไมเหมือนกัน โดยที่เสาเข็มที่กอสรางโดยใชเบนโทไนทจะมีกําลังรับแรงที่ต่ํากวา แตตองพึงระวังวาในการเจาะแบบเจาะแหงนั้นจะกระทําไดในกรณีที่ไมม ีปญหาเร่ืองระดับน้ําใตดินเทานั้น ถาช้ันดินเปนช้ันดินทรายที่มีระดับน้ําใตดินอยูสูง จําเปนจะตองใชน้ําโคลนเบนโทไนทเพื่อปองกันหลุมเจาะพังทลายดังหัวขอที่ 3.3.2.2 และจากการทดสอบเสาเข็ม

วิศวกรรมฐานราก

90

เปรียบเทียบระหวางเสาเข็มเจาะที่ใชเบนโทไนทกับเสาเข็มเจาะที่ไมใชเบนโทไนทพบวา เสาเข็มเจาะที่ไมใชเบนโทไนทจะใชกําลังรับแรงกดสูงกวาเสาเข็มเจาะที่ใชเบนโทไนทดังรูปที ่3.21

ระยะทรุดตัวของหัวเสาเข็ม

(m

m)

รูปท่ี 3.21 เปรียบเทียบกราฟการทรุดตัวกับแรงกดของเสาเข็มเจาะท่ีใชเบนโทไนทกับเสาเข็มเจาะที่ไมใชเบนโท

ไนท (Flemming and Sliwinski 1977)

3.3.3.4 ผลเนื่องจากอายุของเสาเข็มหลังจากกอสรางเสร็จ

อีกปจจัยหนึ่งที่มีผลตอกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มก็คือ เวลา ตัวอยางเชนเสาเข็มที่ตอกเมื่อเวลาผานไปจะมีกําลังรับแรงสูงขึ้นดังรูปที่ 3.22

เวลาหลังจากตอกเสาเข็มเสร็จ (วัน)

1 5 50 100 500 1000

Bear

ing

capa

city

in k

N

300

250

200

150

100

50

0

200 215mm เสาเข็มคอนกรีต(Gothenburg)

300 125mm เสาเข็มรูปตัวไอ(Gothenburg)

150mm เสาเข็มทอเหล็ก(San Francisco)

350 150mm เสาเข ็มไมปลายสอบ(Drammen)

รูปท่ี 3.22 กําลังของเสาเข็มตอกท่ีเพิ่มขึ้นเ ม่ืออายุของเสาเข็มมากขึ้น (Tomlinson 1995)

3.3.3.5 ผลเนื่องจากชนิดของช้ันดินที่ปลายเสาเข็ม

ชนิดของดินที่ปลายเสาเข็มมีผลตอกําลังรับน้ําหนักของดินเนื่องจากดินทรายจะมีหนวยแรงตานที่ปลายเข็มสูงกวาดินเหนียว ดังนั้นในการเลือกความลึกของเสาเข็มมักจะเลือกใหปลายเสาเข็มวางอยูบนช้ันทรายแนน ขอควรระวังอีกประการหนึ่งคือ ปลายเข็มที่อยูในชั้นทรายแตม ีช้ันดินเหนียวอยูใตปลายเข็มลงไปอีกซ่ึงเมื่อช้ันดินเหนียวนี้ม ีEffective stress เพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงกดจากเสาเข็มจะทําใหเกิดการทรุดตัวเนื่องจาก Consolidation การเปรียบเทียบกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มสองตนที่วางอยูในช้ันดนิเหนียวและช้ันดินทรายแสดงดังรูปที่ 3.24

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

91

ซ่ึงจะเห็นไดวาเสาเข็ม A มีปลายอยูในช้ันดินเหนียวและเสาเข็ม B มีปลายอยูในช้ันดินทรายโดยเสาเข็ม B สั้นกวาเสาเข็ม A แตเมื่อทดสอบกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มพบวาเสาเข็มที่มีปลายวางอยูในช้ันทรายแนนจะมีกําลังรับน้ําหนักสูงกวาและเมื่อรับแรงกดเทากันจะมีการทรุดตัวที่นอยกวาดวย

รูปท่ี 3.23 ปลายของเสาเข็มมีผลตอกําลังรับนํ้าหนักของเสาเข็ม

3.3.3.6 ผลเนื่องจากการอัดฉีดน้ําปูนที่ปลายเสาเข็ม

จากการศึกษากําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มที่ม ีปลายเสาเข็มอยูในช้ันทรายและทําการอัดฉีดน้ําปูนที่ปลายเสาเข็มพบวาเสาเข็มที่มีการอัดฉีดน้ําปูนจะมีกําลังรับแรงกดสูงขึ้นกวาเสาเข็มที่ไมม ีการอัดฉีดน้ําป ูนที่ปลายเสาเข็ม (รูปที่ 3.24) การอัดฉีดน้ําป ูนจะปมน้ําปูนผานทอซ่ึงเตรียมไวในระหวางกอสรางเสาเข็มไปยังปลายของเสาเข็ม

การท

รุดตัวของหัวเสาเข็ม

(มิลลิเมตร

)

ความลึก

(เมตร

)

รูปที่ 3.24 กําลังรับแรงของเสาเข็มที่อัดฉ ีดน้ําปูนที่ปลายเสาเข็ม

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

92

3.4 กลไกการรับน้ําหนักของเสาเข็มท่ีรับแรงในแนวแกน เสาเข็มก็เหมือนกับฐานรากตื้นที่อยูในระดับลึกมาก ไดม ีผูเสนอรูปแบบการวิบัติของดินที่ปลายเสาเข็มไว

หลายรูปแบบดวยกัน แตในที่นี้จะยกตัวอยางเฉพาะของ Terzaghi และ Meyerhof มาเปรียบเทียบกันเทานั้น

รูปที่ 3.25 กลไกการวิบัติทีสมมุติขึ้นสําหรับพัฒนาสมการ Bearing capacity ของ Terzaghi (a) ฐานรากตื้น (b) ฐาน

รากลึก

B5.3≈

B

รูปท่ี 3.26 กลไกการวิบัติทีสมมุติข้ึนสําหรับพัฒนาสมการ Bearing capacity ของ Meyerhof (a) ฐานรากตื้น (b) ฐาน

รากลึก

3.5 พฤติกรรมการรับแรงของเสาเข็ม เมื่อมีแรงกดกระทําที่หัวเสาเข็มแรงที่หัวเสาเข็มจะถายผานเสาเข็มไปสูดิน ซ่ึงสามารถวัดแรงนี้ไดทางออม

โดยการวัด Strain โดยใชอุปกรณที่เรียกวา strain gauge ซ่ึงติดตั้งไวในเสาเข็มดังรูปที ่3.27 จากคา strain ที่ไดนํามาแปลงเปนแรงที่เกิดขึ้นในเสาเข็มซ่ึงจะทําใหสามารถศึกษาถึงพฤติกรรมการรับแรงของเสาเข็มได

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

93

ความลึก

(เมตร)

20.5

6.0

10.5

7.5

3.5

รูปท่ี 3.27 แรงในเสาเข็มท่ีวัดไดโดยการใช Strain gauge

จากแรงที่วัดไดในเสาเข็มถาจําแนกแรงที่เกิดขึ้นเปนสองสวนคือแรงเสียดทานที่ผิวเสาเข็มและแรงตานที่ปลายเข็มและนํามาเขียนกราฟความสัมพันธระหวางระยะยุบตัวของหัวเสาเข็มกับแรงที่เกิดขึ้นในเสาเข็มจะไดดังรูปที่ 3.30

แรงในเสาเข็ม

(ตัน

)

= 38

2 ตัน

= 11

18ตัน = 1

500 ตัน

รูปที่ 3.28 Load settlement curve ของเสาเข็มยาว (Friction pile)

จากกราฟรูปที่ 3.28 จะเห็นวาสวนของแรงเสียดทานจะเกิดขึ้นเต็มที่เมื่อระยะยุบตัวของหัวเสาเข็มเทากับ 20 มิลลิเมตรซ่ึงมีคาประมาณ 2% ของเสนผาศูนยกลางของเสาเข็ม สวนของแรงตานปลายเข็มจะเกิดเต็มที่เมื่อระยะยุบตัวของหัวเสาเข็มมีคาเทากับ 80 มิลลิเมตร ซึ่งมีคาประมาณ 8 % ของเสนผานศูนยกลางของเสาเข็ม

วิศวกรรมฐานราก

94

ในการคํานวณแรงที่เกิดขึ้นในเสาเข็มนั้น เราจะพิจารณาเสาเข็มใหเปนวัสดุท ี่เปนแทงยาวในวิชากลศาสตรวัสดุ แตเสาเข็มจะมีสภาพที่เปน Indeterminate ที่ม ีตัวแปรไมทราบคาเปนจํานวนมาก นั่นคือถามีแรงกระทําที่ปลายเสาเข็มเราจะไมสามารถระบุไดวาเสาเข็มมีการกระจายของแรงตามความยาวเสาเข็มเปนอยางไร

1L

2L

3L

P

1p

2p

3p

4p

5p

6p

7p

8p

9p

10p

11p

(b)(a) รูปที่ 3.29 ปญหาการรับแรงกดของเสาเข็มเปนปญหา Statically indeterminate ท่ีมีตัวไมทราบคาเปนจํานวนมาก

ในการคํานวณกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มที่มีตัวไมทราบคาเปนจํานวนมานีจ้ําเปนจะตองใชทฤษฎีทางปฐพีกลศาสตรเขามาชวย โดยมีขั้นตอนดังนี้

• คํานวณหนวยแรงตานประลัยที่ผ ิวเสาเข็มและที่ปลายเสาเข็ม • คํานวณแรงตานประลัยที่ผิวเสาเข็มและปลายเสาเข็ม • รวมแรงประลัยที่ผิวเสาเข็มและที่ปลายเสาเข็มเขาดวยกัน

1L

2L

3L

( ) ( ) ( )111 pLfQ ss =

( )( )bbb AqQ =

ultQP =ultQ

( ) ( ) ( )321 sss QQQ ++( ) ( ) ( )222 pLfQ ss =

( ) ( ) ( )333 pLfQ ss =

bQ

รูปท่ี 3.30 การคํานวณแรงตานทานตอการกดของเสาเข็ม

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

95

จากรูปที่ 3.30 (b) จะเห็นไดวาถามีแรงกดที่หัวเสาเข็มเทากับ P จะมีแรงตานทานจากแรงเสียดทานระหวางผิวเสาเข็มกับดินเทากับ 101 pp K และมีแรงตานที่ปลายเข็มเทากับ 11p ซ่ึงเราไมสามารถคํานวณแรงเหลานี้ดวยวิธีสถิตยศาสตรอยางตรงไปตรงมาไดเนื่องจากเปนปญหาแบบ indeterminate ที่มีตัว redundant เปนจํานวนมาก ดังนั้นการคํานวณจึงเปนการคํานวณหนวยแรงประลัยขึ้นมากอนแลวจึงคํานวณแรงประลัย ดังรูปที่ 3.30 (a) เสร็จแลวจึงนําแรงเสียดทานผิวและแรงตานที่ปลายมารวมกันดวยวิธีสถิตยศาสตร

คํานวณแรงเสียดทานผิวของชั้นดินจํานวน n ชั้นไดจาก

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )nnssss pLfpLfpLfQ +++= K2211 (3.1)

คํานวณแรงตานปลายเข็มจากสมการ

( )( )bbb AqQ = (3.2)

แรงตานทานตอการกดคือผลรวมของแรงเสียดทานผิวและแรงตานที่ปลายเข็ม

WQQQ bsult −+= (3.3)

โดยปกติแลวน้ําหนักของเสาเข็มจะนอยมากเมื่อเทียบกับกําลังรับน้ําหนักประลัยของเสาเข็ม ดังนั้นสวนใหญเราจะไมคํานึงถึงน้ําหนักของเสาเข็ม เนื่องจากหนวยน้ําหนักของวัสดุที่ใชทําเสาเข็มจะมากกวาหนวยน้ําหนักดินที่ถูกแทนที่ไมมากนักโดยปกติแลวน้ําหนักของเสาเข็มจะนอยมากเมื่อเทียบกับ ultQ สวนใหญการคํานวณมักจะไมคํานึงถึงน้ําหนักของเสาเขม็ เพราะหนวยน้ําหนักของวัสดุที่ใชทําเสาเข็มจะมากกวาหนวยน้ําหนักดินที่ถูกแทนที่ไมมากนัก โดยทั่วไปกําลังรับน้ําหนักประลัยของเสาเข็มไดจากสมการ

bsult QQQ += (3.4)

สําหรับกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มที่มีหนาตัดเปนรูปตันนั้นพื้นที่หนาตัดสําหรับ

PP

รูปท่ี 3.31 แรงท่ีเกิดขึ้นในเสาเข็มเด่ียวที่มีหนาตัดตัน

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

96

P P P

รูปที่ 3.32 แรงท่ีเกิดในเสาเข็มเดี่ยวท่ีมีหนาตัดเปด

3.5.1 หนวยแรงเสียดทานผิวเสาเข็มและแรงตานปลายเข็มประลัยจากแหลงอางอิง ตารางที ่สรุปวิธีที่นิยมใชในการคํานวณแรงเสียดทานที่ผิวของเสาเข็ม จากผลการทดสอบกําลังรับแรงเฉือน

ในหองปฏิบัติการ สําหรับเสาเข็มตอกและเสาเข็มเจาะ การคํานวณโดยใชหลักการหนวยแรงประสิทธิผล (Effective stress) จะใชไดกับทั้งดินเหนียวและดินทราย แตการคํานวณโดยใชหลักการหนวยแรงรวม (Total stress) มักจะใชกับเสาเข็มที่อยูในชั้นดินเหนียว พารามิเตอร α และ β จะไดมาจากความสัมพันธเชิงประสบการณ (Empirical correlations)

รูปท่ี 3.33 กลไกการเกิดแรงเสียดทานท่ีผิวของเสาเข็ม

ตารางท่ี 3.3 วิธีการคํานวณแรงเสียดทานผิวของเสาเข็มตอกซึ่งใชผลการทดสอบจากหองปฏิบัติการ (Poulos, 1989)

ชนิดของดิน สมการ หมายเหต ุ อางอิงจาก ดินเหนียว us sf α= )kPa 25(0.1 ≤= usα

)kPa 70(5.0 ≥= usα ระหวางสองคาใชความสัมพันธแบบเสนตรง

API (1984)

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

97

)kPa 35(0.1 ≤= usα )kPa 80(5.0 ≥= usα

ระหวางสองคาใชความสัมพันธแบบเสนตรง ถา 50/ >dL ตองใชแฟคเตอรคูณความยาวดวย

Semple and Rigden (1984)

5.05.0 −

′

′

=v

u

ncv

u ssσσ

α เม่ือ 1≤′v

usσ

25.05.0 −

′

′

=v

u

ncv

u ssσσ

α เ ม่ือ 1≥′v

usσ

Flemming et al. (1985)

vsf σβ ′= ( )( ) ϕϕβ ′′−= tanOCRsin1 5.0 Burland (1973) Meyerhof (1976)

ทรายซิลิกา vsf σβ ′= 35.015.0 −=β (เสารับแรงอัด) 24.010.0 −=β (เสารับแรงดึง)

McClelland (1974)

44.0=β เ ม่ือ o28=′ϕ 75.0=β เ ม่ือ o35=′ϕ 2.1=β เม่ือ o37=′ϕ

Meyerhof (1976)

( ) ( )( )ϕδϕβ /tan/ 00 KKK= ϕδ / ข้ึนกับความขรุขระของเสาเข็ม ( ϕδ / =0.5 -1.0)

0/ KK ข้ึนกับวิธีการกอสราง ( 0/ KK = 0.5- 2.0) ϕsin10 −=K

Stas and Kulhawy (1984)

Uncemented calcareous sand

vsf σβ ′= 1.005.0 −=β Poulos (1988d)

ตารางท่ี 3.4 การคํานวณแรงเสียดทานผิวของเสาเข็มเจาะซึ่งใชผลการทดสอบจากหองปฏิบัติการ (Poulos, 1989)

ชนิดของดิน สมการ หมายเหต ุ อางอิงจาก ดินเหนียว us sf α= 45.0=α (London clay)

7.0=α เทาของคา α ของเสาเข็มตอกแบบแทนท่ีดิน Skempton (1959)

( ) vs Kf σδ ′= tan ใชคา K ที่นอยกวาระหวาง 0K และ ( )015.0 K+

3/2/ 0 =KK ถึง 1.0 δ ขึ้นอยูกับชนิดของผิวสัมผัส

Flemming et al. (1985) Stas and Kulhawy (1984)

ทรายซิลิกา vsf σβ ′= 1.0=β เม่ือ o33=′ϕ 2.0=β เม่ือ o35=′ϕ 35.0=β เ ม่ือ o37=′ϕ

Meyerhof (1976)

วิศวกรรมฐานราก

98

( )o5tan −′= ϕβ F 7.0=F (เสาเข็มรับแรงอัด) 5.0=F (เสาเข็มรับแรงดึง)

Kraft and Lyons (1974)

Uncemented calcareous sand

vsf σβ ′= ≤sf ( )limsf

8.05.0 −=β ( ) kPa 10060lim −=sf

Poulos (1988d)

ตารางท่ี 3.5 แรงตานที่ปลายเข็ม ซึ่งคํานวณโดยใชผลการทดสอบจากหองปฏิบัติการ (Poulos, 1989)

ชนิดของดิน สมการ หมายเหตุ อางอิงจาก ดินเหนียว ( )bucb sNf = 9=cN สําหรับ 3/ ≥dL

( )bus ตรงตําแหนงปลายเสาเข็ม Skempton (1959)

ทรายซิลิกา vqb Nf σ ′= ซึ่ง ( )limbb ff ≤

40=qN ใชกราฟความสัมพันธระหวาง qN กับ ϕ ′ ใชกราฟความสัมพันธระหวาง qN กับ ϕ ′ และความแนนสัมพัทธ และหนวยแรงประสิทธิผล หาคา

qN จากทฤษฎี Cavity expansion ซึ่งเปนฟงกชั่นของ ϕ ′ และ Volume compressibility

API (1984) Berezantzev et al. (1961) Flemming et al. (1985) Vesic (1972)

Uncemented calcareous sand

vqb Nf σ ′= ซึ่ง ( )limbb ff ≤

20=qN คาปกติของ

qN อยูระหวาง 8 - 20

qN ไดมาจากคา ϕ ′ ท่ีลดคาแลว

Datta et al. (1980) Poulos (1988d) Dutt and Ingram (1984)

3.5.2 หนวยแรงเสียดทานผิวประลัยและหนวยแรงตานปลายเข็มประลัยที่ใชในประเทศไทย จากหัวขอ 3.5.1 จะเห็นวาคาในตารางตางๆเปนคาที่ไดมาจากประสบการณจากตางประเทศทั้งหมด สําหรับ

ในประเทศไทยไดม ีการสรางความสัมพันธเพื่อหาคาแรงเสียดทานผิวประลัยและแรงตานปลายเข็มประลัยจากผลการทดสอบเสาเข็มที่ติดตั้งเคร่ืองมือวัดไว ดังที่กลาวแลวกอนหนานี ้

3.5.2.1 สําหรับเสาเข็มตอก

หนวยแรงเสียดทานผิวประลัยของเสาเข็มตอกในกรณีดินเหนียวคํานวณไดจากสมการ us Sf α= โดยคา α ไดจากกราฟความสัมพันธเชิงประสบการณในรูปที่ 3.34

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

99

รูปท่ี 3.34 ความสัมพันธระหวางคา Adhesion factor กับคา Undrained shear strength สําหรับเสาเข็มตอก

หนวยแรงเสียดทานผิวประลัยของของเสาเข็มตอกในกรณีดินทรายคํานวณไดจากสมการ

δσ tansvs Kf ′= (3.5)

โดยคา sK ขึ้นอยูกับวิธีการกอสรางเสาเข็ม (ดูตารางที ่3.6) สวนคา δ ขึ้นอยูกับชนิดของผิวสัมผัสระหวางเสาเข็มกับดินดังตารางที ่3.7

ตารางท่ี 3.6 คาของสัมประสิทธ์ิแรงดันดินดานขาง sK ซึ่งขึ้นอยูกับวิธีการกอสราง –Kulhawy (Tomlinson 1995) – สําหรับคา 0K ใชสมการของ Jaky ϕsin10 −=K

วิธีการกอสราง 0/ KK s เสาเข็มตอก ดินถูกแทนท่ีมาก 1 ถึง2 เสาเข็มตอก ดินถูกแทนท่ีนอย 0.75 ถึง 1.75 เสาเข็มเจาะ และหลอคอนกรีตในที่ 0.70 ถึง 1

ตารางท่ี 3.7 คาของมุมเสียดทานระหวางเสาเข็มกับดิน δ ซึ่งขึ้นอยูกับลักษณะพื้นผิว (Kulhawy)

Pile/soil interface condition Angle of pile/soil friction (δ) ผิวเรียบ - ผิวเหล็กเรียบกับทราย 0.5ϕ′ ถึง 0.7 ϕ′ ผิวขรุขระ - ผิวเหล็กลอนลูกฟูกกับทราย 0.7 ϕ ′ ถึง 0.9 ϕ ′ ผิวเสาเข็ม คสล. สําเร็จรูป กับทราย 0.8ϕ ′ ถึง 1.0 ϕ ′

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

100

ผิวเสาเข็มเจาะและหลอคอนกรีตในท่ีกับทราย 1.0 ϕ ′ ผิวเสาเข็มไมกับทราย 0.8ϕ′ ถึง 0.9 ϕ′

หนวยแรงตานปลายเข็มประลัยนั้นคํานวณไดจาก Bearing capacity equation ในกรณีของดินทราย

vqb Nq σ ′= สําหรับคา qN นั้นหาไดจากความสัมพันธกับ friction angle ซ่ึงมีผ ูเสนอความสัมพันธไวดังรูปที่ 3.35 ซ่ึงจะเห็นไดวาคาที่ไดจากกราฟมีความแตกตางกันมาก ตัวอยางเชนที ่ o35=ϕ คา qN จะมีคาตั้งแต 40 ถึง 300 ดังนั้นในการวิเคราะหเพื่อประมาณกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มในที่นีจ้ะเลือกใชกราฟรูปที่ 3.36 ซ่ึงเสนอโดย Peck et al. (1974) โดยอางอิงคา qN มาจากงานของ Terzaghi

3025 35 40 45 50

Friction angle,

10

50

100

500

1000

2000

Terzaghi (1

943) L

ocal s

hear

De B

eer (

1945

)

Terz

aghi (1

943)

Gen

eral she

ar

ตัวเลขแสดงถึงความลึกตอความกวาง ( )

Ves

ić (1

943)

Berezant se

v ( 1961)

Mey

erho

f (19

53) D

riven

pile

Mey

erho

f (19

53) B

ored

pile

Caq

uot-K

erisel

(195

6)

100 2233

6137

41

4737

28

57

35

31

รูปท่ี 3.35 ความสัมพันธระหวาง Bearing capacity factor qN กับคา friction angle จากหลายทฤษฎี (Fellenius 1999)

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

101

N

N

Nq

รูปท่ี 3.36 ความสัมพันธระหวางคา SPT-N กับ Angle of shearing resistance, ϕ และ Bearing capacity factor

(Peck, Hanson and Thornburn, 1974) – คัดลอกจาก (Whitaker 1976)

จากสมการจะเห็นไดวาคา bq ที่มุม ϕ คาหนึ่งจะเพิ่มขึ้นตามคา vσ ′ แตในความเปนจริงแลวคา bq ของทรายจะเพิ่มขึ้นจนถึงคาสูงที่สุดที่ความลึกของปลายเสาเข็มคาหนึ่งซ่ึงเรียกวา Critical embedment ratio ( )crb DL / คา ( )crb DL / หาไดจากกราฟที่เสนอโดย Meyerhof (1976) ในรูปที่ 3.37

qN

cN

() cr

bD

L

ความลึกตอความกวาง

DL

/ ( )crDL /

limitqqb =

รูปท่ี 3.37 ความสัมพันธระหวาง Critical embedment ratio กับมุม ϕ ซึ่งถาความลึกมากกวา Critical embedment

ratio แลวคา bq จะไมเพิ่มขึ้นตามความลึกอีก (Meyerhof, 1976) – คัดลอกจาก (Das 1995)

วิศวกรรมฐานราก

102

สําหรับเสาเข็มโดยปกติที่ใชกันอยูในประเทศไทยจะมีความลึกมากวาความกวางมาก เชนเสาเข็มขนาด 0.6 เมตรลึก 20 เมตรวางอยูบนชั้นดินที่มีคา 030=ϕ จะมี ( ) 336.0/20/ ==crb DL ซ่ึงมากกวา ( )crb DL /

สําหรับดินเหนียวนั้นคาหนวยแรงตานประลัยที่ปลายเข็มคํานวณไดจาก cb cNq = โดยหาคา cN ไดจากกราฟรูปที่ 3.38

∗∗

qc

NN

an

d

cN

qN

รูปท่ี 3.38 ความสัมพันธระหวาง Bearing capacity factor กับ friction angle เม่ือปลายเสาเข็มฝงอยูในระดับลึก

Meyerhof (1976) – คัดลอกจาก (Das 1995)

เมื่อเสาเข็มมีความลึกมากกวา 3 เทาของหนากวางเสาเข็มคา cN จะไมเพิ่มขึ้นตามความลึกอีกซึ่งในทางปฏิบ ัติ 9=cN ดังนั้นในกรณีของหนวยแรงตานที่ปลายเสาเข็มประลัยสําหรับดินเหนียวคือ

ub Sq 9= (3.6)

3.5.2.2 เสาเข็มเจาะ

พารามิเตอรที่ใชคํานวณกําลังรับน้ําหนักบรรทุกประลัยของเสาเข็มเจาะนั้นไดมาจากสมการเชิงประสบการณทั้งส้ิน และแตกตางจากเสาเข็มเจาะมากดังแสดงในรูปที ่3.39 และรูปที่ 3.40

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

103

Undrained shear strength, su (T/m2)

Adh

esio

n fa

ctor

,

50 10 15 20 250

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Chiruppapa, 1968Suwanaku, 1969Bandekar, 1980Suebsak, 1981CalculatedDriven pile, Tomlinson (1957)

Driven pile, Holmberg (1970) For Bangkok clay

Bored pile for Bangkok clay

รูปท่ี 3.39ความสัมพันธระหวาง Adhesion factor, ϕ กับคา Undrained shear strength ของดินเหนียวของเสาเข็ม

เจาะ (Ng 1982)

รูปท่ี 3.40 ความสัมพันธระหวาง Angle of shearing resistance, ϕ กับ Bearing capacity factor, qN สําหรับเสาเข็ม

เจาะ (Ng 1982)

ในการออกแบบกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มนั้นจะเปนการประมาณกําลังรับน้ําหนักประลัยจากทฤษฎีพื้นฐานทางปฐพีกลศาสตรผนวกกับวิธีสถิตศาสตร การคํานวณใหไดกําลังรับน้ําหนักที่ถูกตองนั้นเปนไปไดยากหรือเปนไปไมไดเลย เนื่องจากความแปรปรวนของช้ันดินซ่ึงถึงแมวาช้ันดินมีความสม่ําเสมอแตในความเปนจริงแลวก็ยังมีความแปรปรวน

สรุปสมการที่ใชในการคํานวณหนวยแรงเฉือนและหนวยแรงตานปลายเข็มประลัยของดินเหนียวและดินทราย

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

104

หนวยแรงเสียดทานผิวประลัยของดินเหนียว

us Sf α= (3.7)

หนวยแรงตานปลายเข็มประลัยของดินเหนียว

ub sq 9= (3.8)

หนวยแรงเสียดทานผิวประลัยของดินทราย

δσ tansvi Kfs ′= (3.9)

หนวยแรงตานปลายเข็มประลัยของดินทราย

vqb Nq σ ′= (3.10)

3.5.3 สัดสวนปลอดภัยสําหรับเสาเข็ม 3.5.3.1 กําลังรับน้ําหนักที่ยอมให Allowable pile capacity and factor of safety

ในการออกแบบเสาเข็มจะคํานวณกําลังรับแรงกดวิบัติ หรือแรงที่ท ําใหแรงตานทานของเสาเข็มเกิดขึ้นเต็มที่ แตในทางวิศวกรรมการวิบัติของโครงสรางที่วางอยูบนเข็มอาจเกิดขึ้นกอนที่จะแรงในเสาเข็มจะเกิดขึ้นเต็มที ่เนื่องจากมีการทรุดตัวที่มากเกินไป ในการออกแบบเสาเข็มสวนใหญจึงคํานวณกําลังรับน้ําหนักบรรทุกประลัยของเสาเข็มแลวหารดวย Factor of safety ซ่ึงจะทําใหไดน้ําหนักบรรทุกปลอดภัยที่สัมพันธกับการทรุดตัวที่ยอมรับไดสําหรับโครงสราง จากขั้นตอนการคํานวณกําลังรับน้ําหนักบรรทุกประลัยของเสาเข็มขางตน เราสามารถคํานวณกําลังรับน้ําหนักบรรทุกปลอดภัย (Allowable pile capacity) ไดจาก

..SF

QQ ultallow = (3.11)

3.5.3.2 เหตุผลของการใช Factor of Safety

• เนื่องจากความไมแนนอนของสภาพดินธรรมชาติ ในดานกําลัง และการยุบตัว • เนื่องจากความไมแนนอนในวิธีการคํานวณ ซ่ึงปกติจะใช Empirical method • เพื่อใหแนใจไดวาหนวยแรงที่เกิดขึ้นในเสาเข็มอยูในเกณฑที่ปลอดภัย • เพื่อใหแนใจวาการทรุดตัวของเสาเข็มเดี่ยวหรือกลุมเสาเข็มอยูในชวงที่ยอมรับได โดยที่ไมเกิดการทรุด

ตัวมากเกินไปจนโครงสรางชํารุด จากประสบการณการออกแบบและทดสอบเสาเข็มเปนจํานวนมาก (Tomlinson 1995) พบวาถาใชสัดสวน

ปลอดภัยเทากับ 2.5 เมื่อเสาเข็มรับน้ําหนักใชงานแลวจะมีการทรุดตัวที่ไมเกินกวา 10 มิลลิเมตร ซ่ึงไมกอใหเกิดปญหาสําหรับอาคารสวนใหญอยางไรก็ตาม การคํานวณกําลังรับน้ําหนักประลัยของเสาเข็มนั้นเปนคาที่ประมาณจากความสัมพันธเ ชิงประสบการณ และในบางคร้ังพารามิ เตอรของดินก็ไดจากสมการเชิงประสบการณดวย ดังนั้นจึงจําเปนจะตองทําการทดสอบกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มที่มขีนาดหนาตัดและความ

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

105

ยาวที่ไดออกแบบไว กรณีที่ไมตองทดสอบเสาเข็มคือกรณีที่วิศวกรทราบพฤติกรรมของเสาเข็มในช้ันดินที่กอสรางเสาเข็มเพียงพอแลว ตารางที ่3.8 เปนคาสัดสวนปลอดภัยสําหรับจําแนกตามลักษณะโครงสราง

ตารางท่ี 3.8 สัดสวนปลอดภัยสําหรับเสาเข็ม

โครงสรางและลักษณะการรับแรง สัดสวนปลอดภัย โครงสรางถาวร- รับแรงกด >2.5 โครงสรางถาวร- รับแรงดึง >3.0

โครงสรางชั่วคราวท่ีไมตองคํานึงถึงการทรุดตัว 1.5 ถึง 2.0

3.5.4 ขอมูลที่ใชในการออกแบบกําลังรับนํ้าหนักบรรทุกของเสาเข็ม ในการออกแบบเสาเข็มขอมูลที่ม ีจะไดมาจากการเจาะสํารวจดิน ซ่ึงจะอยูในรูปของรายงานผลการเจาะ

สํารวจ (Soil Investigation report) ขอมูลจากการเก็บตัวอยางมาทดสอบใน Laboratory • Soil Classification (USCS) • Soil Description (Coarse, Fine, Stiff, Soft, Hard) • Physical properties and Index (Liquid Limit, Plastic Limit, Natural water content, Plasticity index, Unit

Weight) • Shear Strength (Unconfined compressive strength, Unconsolidated Undrained Triaxial test)

ขอมูลจากการทดสอบในสนาม • Standard Penetration Test (SPT) • Field Vane Shear Test • Cone Penetration test

โดยปกติแลวการเก็บตัวอยา งดิน เหนียวแข็งแบบ Undisturbed ในระดับลึก เพื่อนํามาทดสอบในหองปฏิบัติการทําไดคอนขางยาก ดังนั้นจึงไดมีการสรางความสัมพันธระหวาคา Undrained shear strength กับคา SPT, N-Value ซ่ึงไดแสดงดังรูปที่ 3.41 และ รูปที่ 3.42 ซ่ึงจะเห็นไดวาความสัมพันธที่ไดม ีความแปรปรวนอยูพอสมควร ดังนั้นการใชความสัมพันธนี้ในการออกแบบตองตระหนักถึงความแปรปรวนของผลการคํานวณออกแบบดวย

วิศวกรรมฐานราก

106

, t/m

2

รูปท่ี 3.41 ความสัมพันธระหวางคา SPT, N-Value กับคา uq ของดินเหนียวท่ีมีความเปนพลาสติกสูง (Pitupakorn,

1982)

รูปท่ี 3.42 ความสัมพันธระหวางคา SPT, N-Value กับคา uq ของดินเหนียวท่ีมีความเปนพลาสติกตํ่า (Pitupakorn,

1982)

3.5.5 ขั้นตอนในการคํานวณกําลังรับนํ้าหนักของเสาเข็ม • เขียนรูปตัดชั้นดินที่ไดจากรายงานการทดสอบดิน โดยระบุวาเปนช้ันดินเหนียวหรือช้ันดินทราย พรอม

ทั้งระบุพารามิเตอรของดินช้ันนั้นประกอบไวดวย สําหรับพารามิเตอรที่นํามาใชในการคํานวณจะใชคาเฉลี่ยของช้ันดิน (ดังรูปที่ 3.43)

• กําหนดปลายของเสาเข็มโดยทีป่ลายเสาเข็มควรจะวางอยูบนช้ันดินทีม่ีหนวยแรงตานปลายเข็มประลัยสูง ไดแกช้ันทรายแนน (dense sand)

• คํานวณหนวยแรงเสียดทานผิวประลัยของดินแตละชั้น เมื่อคูณกับพื้นที่ผิวเสาเข็มจะไดแรงเสียดทานผิวประลัย

• คํานวณหนวยแรงตานปลายเข็มประลัย เมื่อคูณกับพื้นที่หนาตัดเสาเข็มจะไดแรงตานปลายเข็มประลัย • กําลังรับน้ําหนักบรรทุกประลัยของเสาเข็ม • ในการคํานวณออกแบบมักจะตองมีการทดลองเลือกความยาวของปลายเสาเข็ม ดังนั้นจะเปนการสะดวก

กวาถาทําการคํานวณในรูปของตาราง โดยทั่วไปแลวมักจะทําการคํานวณในโปรแกรมตารางคํานวณ EXCEL เปนตน ซ่ึงเมื่อการคํานวณอยูในรูปของตารางจะทําใหงายตอการตรวจทานซ่ึงจะทําใหลดขอผิดพลาดจากการคํานวณลงไปได

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

107

รูปท่ี 3.43 การเลือกใชพารามิเตอรของดินจากขอมูลการเจาะสํารวจและทดสอบดิน

ตัวอยางที ่3.1 – การคํานวณอยางงายเสาเข็มตอกในชั้นดินทรายลวน จงประมาณกําลังรับน้ําหนักปลอดภัยของเสาเข็มตอกในช้ันดินทรายดังรูป

0.00

10.00

o30=ϕ

0=c3 t/m8.1=tγ

Sand

รูปที ่3.44 รูปสําหรับตัวอยางที ่3.1

1. หนวยแรงเสียดทานผิวประลัยของดินทราย – คํานวณที่กึ่งกลางชั้นดิน ( )( ) ( )( ) 2 t/m450.158.1 =−=′vσ

เสาเข็มตอกคา 05.1 KK s = (ตารางที ่3.6) ( )( ) 75.030sin15.1 0 =−=sK และไดคา ϕδ 9.0= ( )( ) ( ) 2 t/m5.1309.0tan75.04 =×= o

sf

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

108

( )( )( ) t2.131022.045.1 =×=sQ 2. หนวยแรงตานปลายเข็มประลัยของดินทราย – คํานวณที่ปลายเข็ม

( )( ) ( )( ) 2 t/m8100.1108.1 =−=′vσ สําหรับเสาเข็มตอก 030=ϕ ไดคา 5.9=qN (รูปที่ 3.36)

( )( ) 2 t/m7685.9 ==bq ( )( ) 2 t/m7.322.022.076 =×=bQ t9.167.32.13 =+=ultQ

t6.75.29.16 ==allowQ

ตัวอยางที ่3.2 –การคํานวณอยางงายสําหรับเสาเข็มตอกในชั้นดินเหนียว จงประมาณกําลังรับน้ําหนักปลอดภัยของเสาเข็มตอกส่ีเหลี่ยมจัตุรัสขนาดกวาง 0.22 เมตรในช้ันดินเหนียว

ดังรูป 0.00

10.00

2 t/m6=us

2 t/m8.1=tγ

0=ϕ

Clay

รูปที ่3.45 รูปสําหรับตัวอยางที่ 3.2

1. หนวยแรงเสียดทานผิวประลัยของดินเหนียว - ไมขึ้นกับหนวยแรงประสิทธิผล เสาเข็มตอกคา 2 t/m5=us ไดคา 47.0=α (รูปที่ 3.39)

( )( ) 2 t/m35.2547.0 ==sf ( )( )( ) t7.201022.0435.2 =×=sQ

2. หนวยแรงตานปลายเข็มประลัยของดินเหนียว – ไมขึ้นกับหนวยแรงประสิทธิผล ( ) 2 t/m4559 ==bq ( )( ) t2.222.022.045 =×=bQ

3. กําลังรับน้ําหนักประลัย

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

109

t9.222.27.20 =+=ultQ

t95.29.22

==allowQ

ตัวอยางที ่3.3 - การประมาณกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มตอก จากขอมูลช้ันดินดังรูป จงคํานวณหากําลังรับน้ําหนักบรรทุกปลอดภัยของเสาเข็มตอกตนนี ้(ใหใช Factor of

Safety = 2.5)

soft clay (CH)

stiff clay (CL)

dense sand (SW)

0.00

12.00

16.00

ปลายเสาเข็ม 22.00

su = 1.8 t/m2

t = 1.7 t/m3

SPT-N = 15 blows/ftt = 1.8 t/m3

SPT-N = 25 blows/ftt = 1.9 t/m3

1

2

3

0.4 m

0.4 m

0.4 m

0.4 m

0.4 m

0.4 m

รูปท่ี 3.46 รูปตัดชั้นดินสําหรับตัวอยางท่ี 3.3

1. เขียนรูปตัดช้ันดิน แลวระบุพารามิเตอรที่เกี่ยวของลงในรูปตัดช้ันดิน 2. จากโจทยกําหนดใหคํานวณกําลังรับน้ําหนักของเข็มตอก ซ่ึงมีปลายที่ -22 เมตรจากระดับผิวดิน 3. คํานวณหนวยแรงเสียดทานผิวของเสาเข็ม 3.1 ช้ันดิน Soft clay มีคา 2 t/m8.1=us ( ) uis Sf α= หาคา α จาก us ได 0.1=α - รูปที่ 3.34 ( ) ( )( ) 2

1 t/m8.18.10.1 ==sf 3.2 ช้ันดิน Stiff clay มีคา SPT, N = 15 blows/ft แตเราตองการคา us หาคาความสัมพันธไดจาก (รูปที่ 3.42) ดินเปน Low plasticity clay, ( )Nsu 52.0=

( ) 2 t/m8.71552.0 ==us หาคา α จา us ได 4.0=α - รูปที่ 3.34

วิศวกรรมฐานราก

110

( ) ( )( ) 22 t/m1.38.74.0 ==sf

3.3 ช้ันดิน Dense sand มีคา SPT-N = 25 blows/ft เราตองการคามุม δ ซ่ึงคํานวณจากคามุม ϕ 3.3.1 คํานวณ effective stress ที่จุดกึ่งกลางช้ันทราย (ความลึก = 19m)

uvv −=′ σσ ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) 2

3layer mid t/m3.14190.10.39.10.48.10.127.1 =×−×+×+×=′vσ 3.3.2 ตองปรับแกคา SPT เนื่องจากน้ําหนักกดทับ โดยใชสมการ ( )vNC σ ′= /76.9 จากคา 2 t/m3.14=′vσ จากสมการจะไดคา ( ) 83.03.14/76.9 ==NC

NCN N=′ ( )( ) blows/ft 212583.0 ==′N

3.3.3 หาคามุม ϕ จากคา SPT คา N′ = 21 blows/ft ไดคา o33=ϕ - รูปที่ 3.36 3.3.4 หาคา sK ตารางที่ 3.6 เนื่องจากเปนเสาเข็มตอกเปนเสาเข็มที่ดินถูกแทนที่ในปริมาณมาก 5.1/ 0 =KK s = 1 ถึง 2 เลือกใช

คา 5.1/ 0 =KK s และคา 0K คํานวณจากสมการ Empirical ของ Jaky ϕsin10 −=K ( ) 46.033sin10 =−= oK

คํานวณคา sK ( )( ) 69.05.146.0 ==sK

3.3.4 ความสัมพันธของคา δ กับชนิดของเสาเข็ม กรณีของเสาเข็มคอนกรีตสําเร็จรูปกับดินทราย ϕδ 9.0= - ตารางที ่3.7 3.3.5 คํานวณหนวยแรงเสียดทานผิวของช้ัน dense sand

( ) )tan(3 δσ vss Kf ′= ( ) ( )( ) 2

3 t/m63.5)339.0tan(3.1469.0 =×= osf

3.4 คํานวณหนวยแรงตานที่ปลายเข็ม 3.4.1 คํานวณ effective stress ที่ปลายของเสาเข็ม

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) 2 t/m17220.10.69.10.48.10.127.1 =×−×+×+×=′ basevσ 3.4.2 หาคา qN จากคามุม ϕ เมื่อมุม o33=ϕ ไดคา 6.18=qN - รูปที่ 3.36

vqb Nq σ ′= ( )( ) 2 t/m2.316176.18 ==bq

3.5 จากหนวยแรงเสียดทานผิว และหนวยแรงตานปลายเข็ม นํามาคํานวณเปนแรงเสียดทานและแรงตานที่ปลายเข็ม จากนั้นรวมกันเปนกําลังรับน้ําหนักประลัยจาก แรงเสียดทานผิว = Σ(หนวยแรงเสียดทานผิว × พท. ผิว)

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

111

( )( ) ( )( ) ( )( ) tons4.10864.0463.544.041.3124.048.1 =××+××+××=sQ แรงตานที่ปลายเข็ม = หนวยแรงตานที่ปลายเข็ม × พท. หนาตัด

( )( ) tons6.504.04.02.316 =×=bQ กําลังรับน้ําหนักประลัย

bult QQQ += s tons1596.504.108 =+=ultQ

กําลังรับน้ําหนักปลอดภัย

..ult

SFQ

Qallow =

tons6.635.2

159==allowQ → 63 tons

• สําหรับเสาเข็มตอก จะตองพิจารณาถึงปจจัยอื่นๆ ประกอบดวย ตัวอยางเชน • ผลความส่ันสะเทือนเนื่องจากการตอกเสาเข็มตอโครงสรางใกลเคียง • ความยาวของเสาเข็มที่สามารถขนสงได ถาเสาเข็มที่ออกแบบไวยาวเกินไปอาจจะตองใชเสาเข็มมากกวา

หนึ่งทอนมาเช่ือตอกัน • ลําดับของการตอกเสาเข็มเพื่อปองกันดินที่ถ ูกเสาเข็มแทนที่ไปดันเสาเข็มหัก • ในการออกแบบเสาเข็มมักจะสรุปผลการคํานวณใหอยูในรูปของตารางเพื่อใหงายตอการตรวจสอบ ซ่ึง

ตารางคํานวณอาจจะใชโปรแกรม MS Excel ซ่ึงจะทําใหการคํานวณทําไดอยางรวดเร็ว ตารางท่ี 3.9 ตารางสรุปผลการคํานวณสําหรับตัวอยางที ่3.3

ชนิดดิน L∆ m

N bls/f

N ′ bls/f

us t/m2

α

( )midvσ ′ t/m2

ϕ deg

sf t/m2

sQ tons

bq t/m2

1 Soft clay (CH) 12 - - 1.8 1.0 - - 1.8 34.6 2 Stiff clay (CL) 4 15 - 7.8 0.4 - - 3.1 19.8 3 Dense sand

(SW) 6 25 21 - - 14.3 33 5.63 54.0

End bearing 17.0 33 - - 316.2 =Σ isQ )( 108.4 tons =bQ 50.6 tons =ultQ 159 tons =allowQ 63 tons

ตัวอยางที ่3.4 การประมาณกําลังรับน้ําหนักของเสาเขม็เจาะ

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

112

จากขอมูลช้ันดินดังรูป จงคํานวณหากําลังรับน้ําหนักบรรทุกปลอดภัยของเสาเข็มเจาะแบบเจาะเปยกตนนี ้(ใหใช Factor of Safety = 2.5)

soft clay (CH)

stiff clay (CL)

dense sand (SW)

hard clay (CL)

dense sand (SW)

0.00

12.00

16.00

25.00

30.00

34.00

= 1.8 t/m2

t = 1.7 t/m3

SPT = 15 blows/ftt = 1.8 t/m3

SPT = 25 blows/ftt = 1.9 t/m3

SPT = 35 blows/ftt = 2.0 t/m3

SPT = 45 blows/ftt = 2.1 t/m3

1.0 m

1

2

3

4

5

รูปที่ 3.47 รูปตัดชั้นดินสําหรับตัวอยางการออกแบบเสาเข็มเจาะแบบเจาะเปยก

1. เขียนรูปตัดช้ันดิน แลวระบุพารามิเตอรที่เกี่ยวของลงในรูปตัดช้ันดิน 2. จากโจทยกําหนดใหคํานวณกําลังรับน้ําหนักของเข็มเจาะ ซ่ึงมีปลายที่ -32 เมตรจากระดับผิวดิน 3. คํานวณหนวยแรงเสียดทานที่ผิวที่เกิดขึ้นรอบเสาเข็มของดินแตละช้ัน ในกรณีนี้มีช้ันดินที่กอใหเกิดแรง

เสียดทานจากช้ันดิน 5 ช้ัน 3.1 ช้ันดินที่ 1- Soft clay หาคา α จากคา us คา 2 t/m8.1=us คา 82.0=α - รูปที่ 3.39

( ) ( )( ) 21 t/m5.18.182.0 ==sf

3.2 ช้ันดินที่ 2- Stiff clay หาคา us จากคา SPT สําหรับ low plasticity clay - รูปที่ 3.42

( )( ) 2 t/m7.81552.052.0 ==×= Nsu หาคา α จากคา us ใชกราฟของ Bored pile ไดคา 49.0=α - รูปที ่3.39

( ) ( )( ) 22 t/m8.38.749.0 ==sf

3.3 ช้ันดินที่ 3- Dense sand คํานวณ Effective stress ที่จุดกึ่งกลางชั้นดิน (ความลึก = 20.5m)

( ) ( ) ( )( ) ( ) 2 t/m65.515.200.15.49.141.8127.1 =×−×+×+×=′vσ

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

113

ปรับแกคา SPT โดยคา ( ) 79.065.15/76.9 ==NC ( )( ) blows/ft 20250.79 ==′N

หาคามุม ϕ จาก N ′จากไดคามุม o33=ϕ - รูปที่ 3.40 คํานวณคา 0K โดยใชสมการของ Jaky

46.0)33sin(1sin10 =−=−= oϕK หาคา sK จากคา 0/ KK s สําหรับเสาเขม็เจาะและหลอคอนกรีตในที ่= 0.7 ถึง 1 เลือกใช 0.85 (ตารางที่ 3.6)

( )( ) 39.046.085.0 ==sK หาคา δ สําหรับเสาเข็มหลอในที่กับทรายคา o33==ϕδ (ตารางที ่3.7)

( ) ( )( ) 23 t/m68.4)33tan(46.065.15tan ==′= oδσ svs Kf

3.4 ช้ันดินที่ 4- Hard clay (CL) หาคา us จากคา SPT สําหรับ low plasticity clay (รูปที่ 3.42)

( )( ) 2 t/m2.183552.052.0 ==×= Nsu หาคา α จากคา us ไดคา 35.0=α - รูปที่ 3.39

( ) ( )( ) 24 t/m37.62.1835.0 === us sf α

3.5 ช้ันดินที่ 5 - Dense sand (SW) คํานวณที่กึ่งกลางชั้นดิน คํานวณ Effective stress ที่จุดกึ่งกลางชั้นดิน (ความลึก = 32 m)

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) 2t/m9.26320.10.21.20.50.299.141.8127.1 =×−×+×+×+×+×=′vσ ปรับแกคา SPT โดยคา ( ) 6.09.26/76.9 ==NC

( )( ) blows/ft 72450.6 ==′N หาคามุม ϕ จาก N ′ ไดคามุม o1.35=ϕ - รูปที่ 3.40 คํานวณคา

0K 42.0)1.35sin(1sin10 =−=−= oϕK

คา 085.0 KK s = สําหรับเสาเข็มเจาะและหลอคอนกรีตในที ่- จากตารางที ่3.6 ( )( ) 36.042.085.0 ==sK

หาคา δ สําหรับเสาเข็มหลอในที่กับทรายคา o1.35== ϕδ - ตารางที ่3.7 ( ) ( )( ) 2

5 t/m49.7)1.35tan(36.06.29 == osf

4. คํานวณหนวยแรงตานที่ปลายเข็ม คํานวณ Effective stress ที่ปลายของเสาเข็ม

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) 2 t/m1.29340.141.250.299.148.1127.1 =×−×+×+×+×+×=′ basevσ หาคา

qN จากคามุม ϕ ใชกราฟของ Bored pile มุม o1.35=ϕ ไดคา 9.15=qN - รูปที่ 3.40

วิศวกรรมฐานราก

114

คํานวณหนวยแรงตานที่ปลายเข็ม vqb Nq σ ′= ( )( ) 2t/m7.4621.299.15 ==bq 3.6 จากหนวยแรงเสียดทานผิว และหนวยแรงตานปลายเข็ม นํามาคํานวณเปนแรงเสียดทานและแรงตานที่

ปลายเข็ม จากนั้นรวมกันเปนกําลังรับน้ําหนักประลัย โดยที่ แรงเสียดทานผิว = Σ(หนวยแรงเสียดทานผิว × พท. ผิว) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( ) tons1.137449.7537.6968.448.3125.1 ppppppQs =×+×+×+×+×= 141.3)1( === ππDp ( )( ) tons430.63.141137.1 ==sQ

แรงตานที่ปลายเข็ม = หนวยแรงตานที่ปลายเข็ม × พท. หนาตัด ( ) tons4.3631

47.462 2 =

= π

bQ

กําลังรับน้ําหนักประลัยของเสาเข็มเจาะตนนี้คือ bult QQQ += s tons7944.3636.430 =+=ultQ

กําลังรับน้ําหนักปลอดภัยเมื่อใชสัดสวนปลอดภัยเทากับ 2.5

..ult

SFQQallow =

tons3185.2

794 ==allowQ

3.7 ตรวจสอบหนวยแรงที่เกิดขึ้นจริงในเนื้อคอนกรีต

( ) ksc 4010025.01000318

2=×=

πcf

จะเห็นไดวาหนวยแรงที่เกิดขึ้นในเสาเข็มนั้นนอยมากในการทําเสาเข็มจะใชคอนกรีตที่ม ี ksc 280=′cf

และจากสมการคํานวณกําลงัรับแรงกดที่ยอมใหของเสาส้ันจะใชคา ( ) ksc 4.5028018.018.0 ==′= cc ff

ซ่ึงมากกวาหนวยแรงที่เกิดขึ้นจริงดังนั้นเหล็ก เสริมในเสาเข็มเจาะสวนใหญจึงสามารถใชเพียง 0.5 เปอรเซ็นตไดตามมาตรฐาน ACI (ดูคําอธิบายในหัวขอ 3.6)

คําแนะนํา • ในการออกแบบเสาเข็มใหไดกําลังรับน้ําหนักตามที่ตองการ ตองใชวิธีทดลองเปลี่ยนความยาวของ

เสาเข็มเพื่อใหไดกําลังรับน้ําหนักตามที่ตองการ ซ่ึงถาจะตองทําการคํานวณหลายคร้ังอาจจะทําใหเกิดความผิดพลาดไดดังนั้นในการออกแบบเสาเข็มโดยทั่วไปมักจะใชคอมพิวเตอรเขามาชวยในการคํานวณ โปรแกรมที่นิยมใชไดแกโปรแกรม Microsoft Excel

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

115

• ในการออกแบบในทางปฏิบัติแลวปลายของเสาเข็มจะตองฝงอยูในชั้นดินแนนเชนชั้นดินทรายแนนไมนอยกวา 3 เทาของความกวางของหนาตัดเสาเข็ม (คิดเสนผานศูนยกลางเปนความกวางในกรณีของเสาเข็มหนาตัดกลม)

3.6 เหล็กเสริมในเสาเข็มเจาะท่ีรับแรงตามแนวแกน เหล็กเสริมในเสาเข็มเจาะและหลอในที่ซ่ึงรับแรงตามแนวแกนจะไมมีความจําเปนเสาเข็มนั้นไมไดรับแรงดึง

ซ่ึงอาจเกิดจากการพองตัวหรือหดตัวของดิน ในกรณีที่เสาเข็มสวนบนตองรับโมเมนตดัดบางถาเกิดการเย้ืองศูนยของแรงที่กระทํา หรือโมเมนตดัดที่ถ ายจากคานคอดินลงสูเสาเข็ม ส่ิงที่ควรคํานึงถึงอีกประการหนึ่งก็คือระยะหางของเหล็กเสริมจะตองเพียงพอที่คอนกรีตจะไหลผานไดโดยสะดวก (คัดจาก Tomlinson p 44)

โดยทั่วไปแลวการโกงเดาะของเสาเข็มมักจะไมเกิดขึ้นเนื่องจากดินรอบๆเสาเข็มจะทําหนาที่เปนค้ํายันดานขางใหกับตัวเสาเข็ม ถึงแมวาดินจะเปนดินออนมากก็ตาม ดังนั้นความชะลูดของเสาที่นํามาพิจารณากําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มจึงนอยมากจนจัดไดวาเปนเสาส้ัน (Short column) ซ่ึงในการออกแบบอาจจะตองใชเปอรเซ็นตเหล็กเสริมมากกวาเปอรเซ็นตเหล็กเสริมนอยที่สุดเพื่อปองกันแรงที่ไมไดคาดคิดเชน แรงลม หรือแรงถอนเนื่องจากการบวมตัวของดิน เปนตน สําหรับปริมาณเหล็กเสริมนอยที่สุดในเสาเข็มเจาะนั้น พิจารณาจากมาตรฐาน ACI และมาตรฐาน ว.ส.ท. ซ่ึงในสวน 10.9.1 ของมาตรฐาน ACI ระบุวาพื้นที่หนาตดัเหล็กยืนของเสาจะตองไมนอยกวา 1 เปอรเซ็นตของพื้นที่หนาตัดทั้งหมดของคอนกรีต แตถาพื้นที่หนาตัดของเสานั้นมีขนาดเกินกวาหนาตัดที่ตองการก็สามารถลดขนาดพื้นที่หนาตัดในการคิดปริมาณเหล็กเสริมลง แตทั้งนี้จะตองไมนอยกวาคร่ึงหนึ่งของพื้นที่หนาตัดของเสาเข็มทั้งหมด นั่นหมายความวาถาเสาเข็มมีกําลังรับแรงในแนวแกนมากเกินกวาที่ตองการหนาตัดที่ใชคํานวณปริมาณเหล็กเสริมจะลดลงไดมากที่สุดคร่ึงหนึ่ง ดังนั้นเหล็กเสริมยืนนอยที่สุดที่จะตองใชก็จะลดลงเหลือ 0.5 เปอรเซ็นตของหนาตัดคอนกรีตทั้งหมด (Drill shaft, ADSC) ซ่ึงเสาเข็มที่ใชปริมาณเหล็กยืน 0.5 เปอรเซ็นตของหนาตัดนี้สามารถมีระยะเย้ืองศูนยไดถึง 12 เปอรเซ็นตของเสนผาศูนยกลางของเสาเข็ม ซ่ึงสามารถพิสูจนไดดังแสดง โดยให gA คือพื้นที่หนาตัดของเสาเข็ม, R คือรัศมีของเสาเข็ม, gp คือเปอรเซ็นตของเหล็กยืนคิดเทียบกับหนาตัด gA , และ sA คือพื้นที่หนาตัดของเหล็กยืน ซ่ึงจะสมมุติใหเหล็กยืนเรียงกันกันแหวนซึ่งมีความหนาเปน t เม ื่อ a คือระยะหุมคอนกรีต

( ) ( )aR

pRaR

At gs

−=

−=

22

2

π

Section modulus ของเสาเข็มเสริมเหล็กคือ

( ) ( ) ( )

−−+=−−+= gg p

RaRnRAtaRnRS 121

411

423 ππ

ถาเสาเข็มถูกออกแบบใหรับแรงกด aQ โดยไมมีการเย้ืองศูนย

218.0 RfQ ca π′=

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

116

ตามวิธีการคํานวณของ ACI 318

1=+b

b

a

a

Ff

Ff

โดยที่

ca

a fA

Qf ′== 18.0

gscg

ssca pff

AAffF +′=+′= 18.018.0

( )

−

−+

′==

gg

gcb

pR

aRnRA

eAfS

Pef121

41

18.0

cb fF ′= 45.0

จัดรูปสมการใหมจะได

( )

c

sg

csg

g

c

sg f

fp

ffp

pR

aRn

ff

pRe

′≈

′+

−

−+

′= 74.1

55.51

12147.3 (3.12)

ถา gp = 0.005 และ cf ′= 210 กก./ซม.2 และ sf = 1400 กก./ซม2 จะไดวา 06.0=Re หรือ 12.0=De ซ่ึงสรุปไดวาถาใชเหล็กเสริมยืน 0.5 เปอรเซ็นตเสาเข็มจะมีระยะ

เย้ืองศูนยได 12 เปอรเซ็นตของเสนผาศูนยกลางเสาเข็มโดยที่หนวยแรงไมเกินหนวยแรงที่ยอมให เสาเข็มเจาะอาจจะรับโมเมนตดัดจากโครงสรางสวนบนซ่ึงอาจเปนสวนที่ตอจากเสาซ่ึงรับแรงกระทํา

ดานขางซึ่งอาจเปนแรงลมหรืออาจจะเกิดจากการที่เสาเข็มเย้ืองศูนย ในการออกแบบเสาเข็มเพื่อใหรับโมเมนตดัดไดบางสวนนั้นเนื่องจากการกอสรางมิสามารถสรางใหตําแหนงศูนยกลางเสาเข็มตรงตามตําแหนงที่ระบุไวเสมอไป ซ่ึงถาผูออกแบบไมไดกําหนดระยะเผื่อไว อาจจะทําใหคากอสรางโดยรวมสูงขึ้นเกินกวาคากอสรางที่คาดไวเนื่องจากจะตองมีการแกไขที่ไมจําเปนเกิดขึ้น ดังนั้นในการออกแบบจะตองเผื่อคาเย้ืองศูนยของเสาเข็มออกไปจากแบบที่ยอมใหของหัวเสาเข็มไว โดยมีผูเสนอไวหลายแนวทางแตในที่นี้จะยกมาจาก General specification for Civil Engineering Works (ตารางที ่3.10) (Hong Kong Government, 1992a)

ตารางท่ี 3.10 ตําแหนงที่ยอมใหของเสาเข็มที่ตอกหรือเจาะแลว (GEO_Publication_No1_96 1996)

รายละเอียด คาท่ียอมให

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

117

เสาเข็มบนบก เสาเข็มในทะเล ระยะเย้ืองศูนยจากท่ีระบุไวในแบบโดยวัดจากระดับตัดหัวเข็ม 75 mm 150 mm การเบ่ียงเบนออกจากแนวดิ่ง 1 ตอ 75 1 ตอ 25 การเบ่ียงออกจากแนวเอียงท่ีออกแบบไวของเสาเข็มท่ีตอกแบบเอียง 1 ตอ 25 ระยะเย้ืองศูนยจากท่ีระบุไวในแบบโดยวัดจากระดับตัดหัวเข็ม 25 mm

3.6.1 เหล็กเสริมในเสาเข็มตอก เหล็กเสริมในเสาเข็มตอกจะตองคํานึงถึงกรรมวิธีในการยกเสาเข็ม ตําแหนงของหูยก การขนยาย การยก

เสาเข็มขึ้นเพื่อการตอก และการตอก โดยปริมาณเหล็กเสริมที่ตองการในกรณีเหลานี้อาจมากกวาเหล็กเสริมที่ตองการสําหรับการรับน้ําหนักของเสาเข็มขณะใชงาน ในมาตรฐานผลิตภัณฑอุตสาหกรรม (มอก. 396-2524) ระบุโมเมนตดัดที่ออกแบบคือ โมเมนตที่คํานวณโดยคิดน้ําหนักของตัวเสาเข็มรวมกับน้ําหนักแผสม่ําเสมออีก 30 เปอรเซ็นต โดยกระทําตอเสาเข็มในขณะยกหรือขนสง

L

5L

4L

4L

5L

3L

8

2

maxwLM =

32

2

maxwL

M =

18

2

maxwL

M =

L

L32

รูปท่ี 3.48 การยกเสาเข็มเพื่อเคลื่อนยาย และการยกขึ้นเพื่อทําการตอก

ตารางท่ี 3.11 ความยาวเข็มมากท่ีสุดสําหรับหนาตัดเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็กสี่เหล่ียมจัตุรัส (Tomlinson 1995)

ขนาดเข็ม เหล็กยืน ความยาวมากท่ีสุดเม่ือจุดยกอยูท่ี (เมตร) เหล็กปลอก

วิศวกรรมฐานราก

118

หัวหรือปลาย L33.0 จากหัว

L2.0 จากหัวและปลาย

หัวและปลาย กลางเสาเข็ม

300×300 4-DB20 4-DB25

9.0 11.0

13.5 16.5

20.5 25.0

RB6@40mm RB6@130mm

350×350 4-DB20 4-DB25 4-DB32

8.5 10.5 13.0

13.0 16.0 20.0

19.5 24.0 30.0

RB8@70mm RB8@175mm

400×400 4-DB25 4-DB32 4-DB40

10.0 12.5 15.5

15.0 19.0 23.0

22.5 28.0 34.5

RB10@100mm RB8@200mm

450×450 4-DB25 4-DB32 4-DB40

9.5 12.0 15.0

14.5 18.0 22.5

22.0 27.0 33.5

RB10@90mm RB10@225mm

ออกแบบโดยใชมาตรฐาน BS8110 และ BS8004 กําลังของเหล็กเสริมจํากัดที่ 250 N/mm2, ระยะหุมคอนกรีต= 40 มม., กําลังของคอนกรีต=40 N/mm2

3.7 สูตรการตอกเสาเข็ม (Pile driving formula) เปนการประมาณกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มในขณะที่ทําการตอกโดยใชขอมูลจากการตอกเสาเข็มไดแก

น้ําหนักของตุม, ความสูงที่ยก และระยะที่เสาเข็มจมลงเมื่อตอก วัสดุรองหัวเสาเข็ม ในการทํางานจะวัดระยะที่เสาเข็มจมลงเมื่อตอกสิบคร้ัง แลวนําคามาเฉลี่ยเพื่อหาคาที่จมตวัตอการตอกหนึ่งคร้ัง การใชสูตรการตอกเสาเข็มจะใชในการ

• ควบคุมการตอกเสาเข็มใหถึงช้ันทรายโดยจะใชสูตรเสาเข็มคํานวณหาระยะจมของเสาเข็มตอการตอก 10คร้ังสุดทาย เพื่อใชในเปนเกณฑในการควบคุมการตอกเสาเข็ม

• ใชควบคุมการตอกมิใหหนวยแรงในเสาเข็มไมใหสูงจนกระทั่งจนกระทั่งเสาเข็มชํารุด จะใชควบคุมจํานวนคร้ังของการตอกตอระยะจมที่แนนอนเชน 30 ซม. ในกรณีที่ม ีช้ันดินแข็งมากแทรกอยูจะทําใหตอกไมลงซ่ึงจะสังเกตไดจากจํานวนคร้ังของการตอกเพิ่มสูงขึ้น

ตารางที่ 3.12 คาจํากัดท่ีใชควบคุมการตอกเสาเข็ม (Bowles 1996)

ชนิดของเสาเข็ม จํากัดหนวยแรงท่ีเกิดข้ึน จํากัดจํานวนคร้ังของการ

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

119

จากการตอกใหไมเกิน ตอก (คร้ังตอ 25 มิลลิเมตร)

เสาเข็มไม uf7.0 4 - 5 เสาเข็มคอนกรีต cf ′6.0 6 - 8 เสาเข็มเหล็ก yf85.0 12 - 14

• ใชตรวจสอบช้ันดินที่ปลายเข็มในขณะตอก ในการตอกเสาเข็มจะตองใชจํานวนคร้ังของการตอกเพิ่มขึ้น

ตามระยะเสาเข็มที่จมลงเนื่องจากจะตองเอาชนะแรงเสียดทานผิวและแรงตานปลายเข็ม แตถาจํานวนคร้ังของการตอกเพิ่มขึ้นมากอยางทันทีแสดงวาปลายเข็มเคลื่อนเขาสูช้ันดินที่แข็งกวา และถาจํานวนคร้ังของการตอกลดลงอยางรวดเร็วอาจเกิดจากปลายเสาเข็มเคลื่อนเขาสู ช้ันดินออนหรือเสาเข็มอาจหัก

รูปท่ี 3.49 กลไกการตอกเสาเข็ม (a) กอนลูกตุมกระแทกหัวเข็ม (b) ขณะท่ีลูกตุมกระแทกหัวเข็ม (c) ลูกตุมกระดอน

กลับเล็กนอยกอนจะวางน่ิงบนหัวเข็ม

สมมุติฐานคือความตานทานตอการตอก (Dynamic resistance to driving) จะเทากับกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มแบบ Static

lossEWh −=head pile tonsferedEnergy tra (3.13)

W = น้ําหนักของลูกตุม h = ระยะยกของลูกตุม

lossE = พลังงานสูญเสีย (energy loss) ซ่ึงอาจสูญเสียไปในรูปของ ความรอน, การสะทอนกลับของลูกตุม, การเสียรูปของเสาเข็ม เปนตน

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

120

3.7.1 The engineering news formula การใช The engineering news formula เพื่อคํานวณกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มตอก (Engineering news,

1888) พิจารณาถึงผลของ Energy loss จาก Temporary compression (Cp) เนื่องจากการยุบตัวแบบอิลาสติก (elastic compression) ของเสาเข็ม หลักการพื้นฐานที่ใชในการสรางสมการ เร่ิมมาจากแนวคิดที่วาพลังงานไมมีการสูญเสียไปไหน

รูปท่ี 3.50 ความสัมพันธระหวางแรงตานทานของการตอกกับการทรุดตัวของหัวเสาเข็ม

พลังงานใชในการทําใหเสาเข็มจมเปนระยะ OC (พ.ท. OABC) = sR × พลังงานอิลาสติคซ่ึงทําใหเสาเข็มคืนตัวเปนระย CD (พ.ท. BCD) = ( ) cR ×2/1 รวมพลังงานทั้งหมดเขาดวยกันซ่ึงเทากับพื้นที่ OABD = ( )2/cRsR ×+× ซ่ึงพลังงานทั้งหมดนี้จะเทากับพลังงานที่ไดจากการตอก = hW × เมื่อยายขางของสมการ และ uQR = จะได

( )25+

⋅=s

hWQu (3.14)

ultQ = Ultimate pile capacity (ตัน) W = น้ําหนักของลูกตุม (ตัน) H = ระยะยกลูกตุมสูงจากหัวเสาเข็ม (มิลลเิมตร) s = ระยะที่เสาเข็มจมตัวตอการตอก 1 คร้ังโดยคิดเฉลี่ยจากการตอก 10 คร้ังสุดทาย (มิลลิเมตร) (รูปที่ 3.51 )

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

121

รูปท่ี 3.51 วิธีการตรวจสอบระยะท่ีเสาเข็มจมตัวตอการตอกหน่ึงคร้ัง โดยคิดเฉล่ียจากการตอกสิบคร้ังสุดทาย (a) วาง

ดินสอไวบนเฟรมอางอิง ในขณะตอกดินสอจะทํารอยไวบนกระดาษ (b) กระดาษท่ีบันทึกผลการตอกสามคร้ังตอเน่ืองกัน

สมการนี้ม ักจะเปนที่นิยมใชตรวจสอบกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มเมื่อตอกถึงระดับที่ตองการแลว คาที่ไดจะ

เปนคาโดยประมาณเทานั้น

ตัวอยางที ่3.5 - การคํานวณโดยใชสูตรของ Engineering News คํานวณหากําลังรับน้ําหนักประลัยของเสาเข็มตอกซึ่งใชตุมหนัก 3.5 ตัน ระยะยก 60 ซม. เมื่อตอก 10 คร้ัง

สุดทายไดการทรุดตัวเปน 34 มม. การทรุดตัวตอการตอก 1 คร้ัง = 34/10 = 3.4 mm

( )( )( )mm 25mm 4.3

mm 60 tons5.3+

=uQ

ton73=uQ กําลังรับนํ้าหนักประลัยโดยประมาณของเข็มตนน้ี = 73 ตัน

เนื่องจากในขณะทําการตอกจะทําใหเกิดแรงดันน้ําในดินเพิ่มขึ้น ดังนั้นเมื่อทิ้งเสาเข็มไวหลักจากตอกซักระยะแรงดันน้ําในดินลดลงซึ่งจะทําใหหนวยแรงประสิทธิผลของดินเพิ่มขึ้น กําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มก็จะเพิ่มขึ้นดวย หลักการพื้นฐานของวิธีประมาณกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มตอกมีเพียงเทานี้ แตก็มีผูพัฒนาสมการใหคลอบคลุมปจจัยอื่นๆที่มีผลกระทบตอการสูญเสียพลังงานดวย ตัวอยางเชน พลังงานจะเสียไปในหมอนรองเสาเข็ม หรือ ประสิทธิภาพของการตอก เปนตน

วิศวกรรมฐานราก

122

รูปท่ี 3.52ไมหมอนรองเสาเข็ม และกระสอบรองเสาเข็ม

3.7.2 The Hiley formula สูตรที่ใชประมาณกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มตอกในขณะทําการตอกมีอีกหลายสิบสูตร สวนใหญจะมี

พื้นฐานจากกฎการอนุรักษพลังงานดังสมการ

Applied energy = Useful work + Loss in impact + Loss in pile cap + Loss in pile + Loss in soil

ซ่ึงสมการของ Engineering News ไมคิดถึงน้ําหนักของเสาเข็มดังนั้นจะทําใหประมาณแรงตานของเสาเข็มผิดพลาดถาใหพลังงานในการตอกนอย และบางสมการไมไดคํานึงถึงพลังงานที่ถ ูกดูดซับโดยเสาเข็มดังนั้นถาตองตอกเสาเข็มขนาดใหญดวยลูกตุมขนาดเล็กระยะจมตอการตอกหนึ่งคร้ังจะนอยมากจนอาจทําใหประมาณแรงตานของเสาเข็มผิดพลาดได ในที่นี้จะยกมาเฉพาะสูตรของ Hiley ซ่ึงเปนสูตรที่นิยมใชในประเทศไทยในการประมาณกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็ม

+

+

+++

=PWPnW

cccs

WHePqpc

hu

2

2

(3.15)

uP = กําลังรับน้ําหนักประลัยของเสาเข็ม he = ประสิทธิภาพของปนจั่น (ดูตารางที่ 3.13)

n = coefficient of restitution อาจใชคา 0.5 สําหรับ drop hammer รองหัวเข็มดวยกระสอบ (ดตูารางที ่3.14) cc = elastic compression of capblock and pile cap (ดูตารางที ่3.15) pc = elastic compression of pile ( AELPu /= ) qc = elastic compression of soil, also termed quake for wave equation analysis

= 0.0 สําหรับดินแข็ง (หิน, ทรายแนนมาก และกรวด) (Bowles 1996) = 2.5 – 5 มิลลิเมตร (Bowles 1996)

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

123

s = ระยะที่หัวเสาเข็มยุบตัวตอการตอกหนึ่งคร้ังโดยคิดเฉลีย่จากการตอก 10 คร้ังสุดทาย W = น้ําหนักลูกตุม H = ระยะยก P = น้ําหนักเสาเข็ม A = พื้นที่หนาตัดเสาเข็ม L = ความยาวเสาเข็ม

ตารางที ่3.13 ประสิทธิภาพของการตอก (Bowles 1996) (ในกรณีท่ีไมทราบคาประสิทธิภาพจริง คาในตารางใชสําหรับเคร่ืองมือตอกท่ีอยูในสภาพด ีและการตอกสภาพปกติ)

ชนิดของการตอก ประสิทธิภาพของการตอก he Drop hammer 0.75 – 1.00 Single-acting hammer 0.75 – 0.85 Double-acting hammer 0.85 Diesel hammer 0.85-1.00

ตารางที่ 3.14 คาคงท่ีของวัสดุรองหัวเสาเข็ม (coefficient of restitution) สําหรับใชในสูตรการตอกเสาเข็ม (Bowles

1996)

วัสดุเสาเข็ม n Broomed wood 0 Wood pile (nondeteriorated end) 0.25 Compact wood cushion on steel pile 0.32 Compact wood cushion over steel pile 0.40 Steel-on-steel anvil on either steel or concrete pile 0.50 Cast-iron hammer on concrete pile without cap 0.40

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

124

ตารางท่ี 3.15 Temporary elastic compression of pile head and cap (ถา driving stress มากกวา 14 MPa ใหใช คา cc ในชองสุดทาย)

Driving stress on pile head or cap, (MPa) วัสดุเสาเข็ม 3.5 7.0 10.5 14

cc Steel piling or pipe Directly on head Directly on head of timber pile

0

1.0

0

2.0

0

3.0

0

5.0 Precast concrete pile with 75-100 mm packing inside cap 3.0 6.0 9.0 12.5 Steel-covered cap containing wood packing for steel HPile or pipe piling 1.0 2.0 3.0 4.0 5 mm fiber disk between two 10-mm steel plates 0.5 1.0 1.5 2.0

ตัวอยางที ่3.6 - การประมาณโดยใชสูตรของ Hiley จะตองตอกเสาเข็ม Spun pile ที่มีเสนผานศูนยกลางภายนอก 600 mm เสนผานศูนยกลางภายใน 360 mm ยาว

23 เมตรใหมีระยะยุบตัวเปนเทาใดจึงจะไดแรงตานของเสาเข็มเทากับ 210 ตันโดยมีขอมูลการตอกเสาเข็มดังนี ้ใชวิธีตอกแบบ Drop hammer น้ําหนักลูกตุม 9 ตัน ระยะยก 900 มิลลิเมตร หมวกครอบหัวเสาเข็มเปนเหล็ก

รองดวยไม กําหนดให ksc 350=′cf , ( )26 t/m102.85 ksc 284553 ×==cE 1. พื้นที่หนาตัดเสาเข็ม

( ) 222 cm 5.1809366025.0 =−= πA ( )( )( ) tons9.94.223105.1809 4 =×= −P tons210=ultP ( ) MPa 61.11

101101000105.1809/210/ 6

4 =

×××= −APult

หาคา cc , pc , qc , he , n • จากตารางที ่3.15 คา MPa 61.11/ =APult ใชวิธี Interpolate ระหวางคา 10.5 และ 14 โดยเสาเข็มเปน

เสาเข็มคอนกรีตที่มีวัสดุรอง 75-100 มิลลิเมตรใตหมวกตอกเข็ม (Precast concrete pile with 75-100 mm packing inside cap) จะไดคา mm 10=cc

• ( )( )( )( ) 9.37mm 1000

1085.2105.180923210)/( 64 =×

××== −AELPc ultp

• mm 5.2=qc (ดูสมการที่ 3.15) • 75.0=he (ตารางที ่3.13 – โดยปนจั่นเปนแบบ drop hammer) • 5.0=n (ตารางที ่3.14 – ลูกตุมเหล็กตกกระแทกเสาเข็มคอนกรีต- Steel-on-steel anvil on either steel or

concrete pile) แทนคาในสมการจะได

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

125

( )( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )

+

+

+++

=9.99

95.09

25.238.910

900975.0 2

sPu

แกสมการเพื่อหาคา s จะได mm/blows 6.6=s หรือ blows mm/10 7.65=s

จะเห็นวาจะตองตอกใหเสาเข็มมีการทรุดตัวตอ 10 คร้ังสุดทายเทากับ 66 มิลลิเมตรจึงจะไดแรงตานทานการตอก 210 ตัน เม ื่อจะนําคาไปใชในการควบคุมการตอกเสาเข็มมักจะกําหนดเปนจํานวนคร้ังของการตอกตอ 30 เซนติเมตร ซึ่งจะเทากับ 456.6/300 = คร้ังตอระยะ 30 เซนติเมตร

3.8 การตรวจสอบความสมบูรณของเสาเข็ม โครงสรางที่อยูเหนือดินเชนเสาอาคารคอนกรีตนั้นเราสามารถตรวจสอบวาเสาคอนกรีตเอียง ปูด คอด หรือ

คอนกรีตไมไดคุณภาพไดดวยตาเปลา แตเสาเข็มเปนสวนสําคัญของโครงสรางที่เมื่อกอสรางเสร็จแลวจะไมสามารถตรวจสอบไดโดยใชประสาทสัมผัสเนื่องจากเสาเข็มสวนใหญจะอยูใตผ ิวดินลงไป ดังนั้นจึงจําเปนจะตองมีเคร่ืองมือซ่ึงนํามาชวยในการตรวจสอบเสาเข็ม

การตรวจสอบคุณภาพเสาเข็มที่ถ ูกฝงอยูในดินที่นิยมใชในประเทศไทยมีอยูหลายวิธี ซ่ึงสวนใหญจะใชหลักการของการเดินทางของคลื่นผานเนื้อคอนกรีตเสาเข็ม การทดสอบความสมบูรณนี้จะไมบงบอกถึงกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็ม จะบอกไดแตเพียงลักษณะทางกายภาพของเสาเข็มเทานั้น

3.8.1 ตรวจสอบสภาพหลุมเจาะของเสาเข็มเจาะ การตรวจสอบสภาพของหลุมเจาะจะกระทําเมื่อเจาะหลุมเจาะเสร็จแลว โดยจะใชเคร่ืองมือที่เรียกวา Drilling

monitoring ดังแสดงในรูปที่ 3.53 เคร่ือง drilling monitoring จะมีระบบรอกที่ทําหนาที่ปลอยหัวสงและรับสัญญาณลงในหลุมเจาะที่มีตัวกลางซ่ึงโดยปกติจะเปนของเหลวที่ใชปองกันหลุมเจาะพังเชน เบนโทไนทหรือโพลีเมอร ในการทดสอบเคร่ืองควบคุมที่อยูบนดินจะสงหัวทดสอบลงในหลุมเจาะ หัวทดสอบจะสงคลื่นอัลตราโซนิคไปยังผนังหลุมเจาะและรับคลื่นสะทอนกลับและสงขอมูลขึ้นมาที่ผิวดิน เคร่ืองที่ผ ิวดินจะแสดงผลออกมาเปนรูปรางของผนังหลุมเจาะ โดยปกติการทดสอบจะกระทําสองคร้ังในทิศทางตั้งฉากกันเพื่อดูแนวเอียงของเสาเข็มในสองแกน ตัวอยางผลที่ไดจากการทดสอบแสดงดังรูปที ่3.55

วิศวกรรมฐานราก

126

รูปที่ 3.53 การทดสอบสภาพหลุมเจาะดวยเคร่ือง Drilling monitoring

รูปท่ี 3.54 ตัวอยางผลการตรวจสอบหลุมเจาะของเสาเข็มขนาดเสนผานศูนยกลาง 1.5 เมตร ลึก 50 เมตร แสดงให

เห็นวาเสาเข็มเจาะ A1 มีสภาพหลุมเจาะปกติความเอียงของหลุมเจาะไมเกินคาท่ียอมให แตเสาเข็มเจาะ A2 มีความเอียงของหลุมเจาะสูงถึง 0.4 ในแกน Y-Y′ เมตรที่ความลึก 38 เมตร

บทที่ 3 ฐานรากเสาเขม็

127

0.6 m

ผนังหลุมเจาะพัง

ปากหลุม

รูปท่ี 3.55 ตัวอยางผลการทดสอบหลุมเจาะกวาง 0.6 เมตรยาว 6 เมตร ลึก 18 เมตร ดวยเคร่ือง Drilling monitoring

แสดงใหเห็นแนวการพังทลายของหลุมเจาะท่ีความลึก 5 ถึง 8 เมตร และดินท่ีพ ังทลายไดตกลงสูกนหลุมเจาะทําใหความลึกเหลือเพียง 12 เมตร

3.8.2 การทดสอบความสมบูรณของเสาเข็มหลังจากกอสรางเสร็จแลว 3.8.2.1 การทดสอบโดยใชคลื่นเสียง (Sonic integrity test)

การทดสอบดวยวิธีนี้เปนการทดสอบแบบไมท ําลาย (Non-destructive tests) หลักการพื้นฐานของวิธีนี้คือการสังเกตการณสะทอนกลับของคลื่นที่เดินทางในหัวเสาเข็ม โดยการทดสอบจะใชคอนขนาดเล็กเคาะที่หัวเสาเข็มเพื่อเปนแหลงกําเนิดคลื่นและเมื่อคลื่นเดินทางในหัวเสาเข็มไปกระทบกับขนาดหนาตัด หรือสติฟเนสที่เปลี่ยนแปลงไปจะทําใหเกิดการสะทอนกลับของคลื่น ซึ่งคลื่นที่สะทอนกลับจะถูกตรวจจับโดย Accelerometer ซ่ึงวางอยูบนหัวเสาเข็ม

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

128

ความเร็วป

รากฏ

ที่หัวเสาเข็ม

cLt 2=

L

รูปท่ี 3.56 หลักการ Seismic test (ณรงค 2548)

รูปที่ 3.57 การทํา Sonic integrity test

สําหรับตัวอยางผลการทดสอบแสดงในรูปที ่3.58 ในรูป (ก) ผลการทดสอบแสดงวาเสาเข็มปกติมีความสม่ําเสมอ และพบปลายเสาเข็มอยูที่ความลึกประมาณ 18 เมตร รูป (ข) แสดงถึงเสาเข็มที่มีความบกพรองโดยที่ความบกพรองนี้เปนชนิดที่หนาตัดของเสาเข็มมีขนาดเล็กลงซ่ึงอาจเกิดจากรอยราวในเสาเข็มหรือคอนกรีตในเสาเข็มมีคุณภาพไมดีก็ได ซ่ึงถาตองการผลทางกายภาพอาจจะตองเจาะแทงคอนกรีตขึ้นมาดูตัวอยางการเจาะแทงคอนกรีตแสดงดังรูปที่ 3.59 รูป (ค) แสดงสัญญาณที่พบความผิดปกติบริเวณหัวเสาเข็ม

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

129

0 4 8 12 16 20 (m)

0 4 8 12 16 20 (m)

0 4 8 12 16 20 (m)

คลื่นสัญญานแสดงถึงความผิดปกติ

แสดงวาเสาเข็มหักใกลหัวเสาเข็ม

(ก)

(ข)

(ค) รูปที่ 3.58 ตัวอยางผลการทดสอบ Seismic

สําหรับตัวอยางรอยราวในเสาเข็มนั้นจะเห็นไดอยางชัดเจนในรูปที ่ซึ่งรอยราวนี้อาจเกิดไดจากหลายสาเหตุดวยกันตัวอยางเชนเกิดจากการไมระมัดระวังในการขุดดินทําใหรถขุดดินดันเสาเข็มดานขางซ่ึงทําใหเกิดโมเมนตดดัในปริมาณสูงจนกระทั่งเสาเข็มหัก ในกรณีที่ตองการยืนยันวาเสาเข็มหักจริงหรือไมจะตองเจาะแทงคอนกรีตขึ้นมาดู ซ่ึงการเจาะแทงคอนกรีตนี้จะเสียคาใชจายสูงมาก ดังนั้นในการกอสรางเสาเข็มจึงควรจะใหความใสใจกับการกอสรางแทนที่จะละเลยและมาแกปญหาภายหลัง

รูปท่ี 3.59 แทงคอนกรีตในเสาเข็มท่ีถูกเจาะข้ึนมาพบวาคอนกรีตแยกตัวจากหิน

วิศวกรรมฐานราก

130

3.9 การทดสอบคุณภาพคอนกรีตเสาเข็มดวยวิธี Sonic logging การทดสอบชนิดนี้เปนการทดสอบคุณภาพคอนกรีตเสาเข็มซ่ึงพัฒนาขึ้นในฝร่ังเศสในชวงปลายป ค.ศ. 1960

หลักการของวิธีนี้คือการจับเวลาที่คลื่นเดินทางระหวางจุดสองจุดที่ทราบระยะ ในการทดสอบจะหยอนหัวสงสัญญาณ (Emitter) และหัวรับสัญญาณ (Receiver) ลงในทอบรรจุน้ําซ่ึงฝงอยูในเสาเข็มดังรูปที ่3.60 หัวสงสัญญาณจะปลอยคลื่นเสียงผานคอนกรีตไปยังหัวรับสัญญาณ ถาคอนกรีตตอเนื่องเปนเนื้อเดียวกันลักษณะสัญญาณที่อ านไดจากหัวรับจะสมบูรณด ีแตถาคอนกรีตมีดินหรือวัตถุเจือปนหรือคอนกรีตแยกตัวจะมีผลตอการสงผานสัญญาณ ซ่ึงตัวอยางผลการทดสอบของเสาเข็มที่ผ ิดปกตแิละสาเหตขุองความผิดปกติแสดงดังตารางที่ 3.16

(a)

(b)

รูปท่ี 3.60 การทดสอบดวยเคร่ืองมือ Sonic logging (a) รูปตัดดานขางของการทดสอบ Cross-hole sonic logging (b) รูปตัดแสดงตําแหนงของทอสําหรับหยอนหัวสงสัญญาณและหัวรับสัญญาณ โดยการตรวจสอบจะมีผลเฉพาะสวนท่ีแร

เงา

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

131

ตารางที่ 3.16 ตัวอยางผลการทดสอบคุณภาพคอนกรีตเสาเข็มเจาะขนาดเสนผาศูนยกลาง 1.20 เมตร ความลึก 41 เมตร ดวย Sonic logging test (ศรีวรรณวิทย_ภัคพงศ, จรุง et al. 2542)

ผลการทดสอบที่ผิดปกติ สาเหตุของปญหา

Sonic Logging Profile แสดงคล่ืนสัญญาณผิดปกติโดยสัญญาณขาดแหวงบริเวณดานบนของเสาเข็มท่ีระดับ 3 เมตร เ ม่ือทําการขุดดินจนถึงระดับคอนกรีต ในระดับน้ันพบกอนดินแทรกตัวอยู

Sonic Logging Profile แสดงคลื่นสัญญาณผิดปกติบริเวณหัวเข็มเม่ือทําการขุดดินถึงระดับ พบวาคอนกรีตเปนปูนทราย (mortar) เน่ืองจากคอนกรีต Bleeding

Sonic Logging Profile แสดงคล่ืนสัญญาณผิดปกติท่ีระดับ 3 ถึง 7 เมตร เม่ือขุดดินถึงระดับดังกลาวเพื่อซอมแซม พบคอนกรีตกําลังตํ่ามีตะกอนเบนโทไนทปน

Sonic Logging Profile แสดงคล่ืนสัญญาณผิดปกติโดยขาดหายไปที่ระดับ 12.5 ถึง 13.0 เมตรเม่ือทําการเจาะ Coring เก็บตัวอยางคอนกรีตท่ีระดับดังกลาว พบวามีตะกอนดินปนเปอนเบนโทไนท

Sonic Logging Profile แสดงคล่ืนสัญญาณขาดหายไปที่บริเวณกนหลุมเจาะ (ลึกประมาณ 41 เมตร) เน่ืองจากกนหลุมมีตะกอนมาก คอนกรีตท่ีเทลงไปไมสามารถแทนที่ตะกอนกนหลุมไดหมด และคอนกรีตผสมกับสารละลายเบนโทไนทเต็มหนาตัด ทําใหคอนกรีตมีกําลังต่ํา จากผล coring พบคอนกรีตแยกตัวผสมเบนโทไนทที่ปลายเสาเข็ม

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

132

3.10 การทดสอบกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็ม การทดสอบกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มจะตางจากการตรวจสอบความสมบูรณของเสาเข็มตรงที่การทดสอบ

กําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มจะทราบพฤติกรรมของเสาเข็มเมื่อรับแรงกระทํา โดยปกติแลวการทดสอบเสาเข็มจะเปนการทดสอบการรับแรงกดตามแกน ซ่ึงการทดสอบจะเปนการยืนยันวาเสาเข็มที่ทดสอบนั้นสามารถรับแรงกดตามที่ไดออกแบบไวได โดยปกติแลวจะทําการทดสอบเสาเข็มตนที่ใชงานจริงดังรูปที่ 3.61

132 m

132 m

เสาเข็มทดสอบ 1

เสาเข็มทดสอบ 2

เสาเข็มสมอ

เสาเข็มสมอ

รูปท่ี 3.61 ตําแหนงของเสาเข็มใชงานท่ีใชทดสอบกําลังรับนํ้าหนักบรรทุก

3.10.1 การทดสอบดวยวิธีสถิตยศาสตร (Static pile load test) ในการทดสอบเสาเข็มสวนใหญจะอางอิงมาตรฐาน ASTM ซ่ึงจําแนกตามลักษณะของแรงกระทําตอเสาเข็ม

ได 3 ประเภทไดแก • ASTM D 1143-81 มาตรฐานสําหรับการทดสอบเสาเข็มดวยแรงกด • ASTM D 3689-83 มาตรฐานสําหรับการทดสอบเสาเข็มดวยแรงดึง • ASTM D 3966-81 มาตรฐานสําหรับการทดสอบเสาเข็มดวยแรงดันดานขาง

ในการทดสอบเสาเข็มจะมีคําท ี่ใชเรียกเสาเข็มดังตารางที ่3.17

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

133

ตารางท่ี 3.17 คําท่ีใชในการทดสอบเสาเข็ม

ชื่อเรียก ความหมาย Test pile เสาเข็มท่ีถูกทดสอบโดยใหแรงกระทําตอเสาเข็ม Working pile เสาเข็มใชงานท่ีเปนสวนรองรับโครงสราง Preliminary pile/ Pilot pile เสาเข็มทดสอบท่ีถูกสรางขึน้มากอนการกอสรางเสาเข็มจริง เสาเข็มชนิดน้ีจะไมใช

เสาเข็มใชงานท่ีรับโครงสรางแตจะใชเพื่อการทดสอบเทาน้ัน โดยตําแหนงของเสาเข็มชนิดน้ีควรจะทดสอบไมหางจากเสาเข็มใชงาน

Specified Working Load แรงท่ีกระทําตอหัวเสาเข็มซึ่งระบุไวในขอกําหนดของแบบโครงสราง Proof Load (แรงทดสอบพิสูจน) แรงท่ีกําระทําตอเสาเข็มใชงาน (Working pile) เพื่อท่ียืนยันวาเสาเข็มน้ันสามารถรับ

แรงกระทําไดโดยมีการทรุดตัวตามท่ีระบ ุ การทดสอบดวยวิธีสถิตยศาสตร คือการทดสอบเสาเข็มโดยการเพิ่มแรงกระทําตอหัวเสาเข็มอยางชาๆ มี

ลักษณะการทดสอบอยู 2 ชนิดคือ • วิธี Constant Rate of Penetration (CRP) - เปนการทดสอบโดยเพิ่มแรงกดอยางตอเนื่องดวยอัตราการกด

ที่คงที่จนกระทั่งถึงจุดวิบัต ิอัตราการกดอาจเทากับ 0.75 mm/min สําหรับ friction pile ในดินเหนียว และ 1.55 mm/min สําหรับ end bearing pile ในดินทราย

• วิธี Maintained load (ML) test - เปนการเพิ่มแรงกดทดสอบเปนขั้น จนแรงกดสุดทายมีคาเทากับ 1.5 - 2 เทาของน้ําหนักบรรทุกใชงาน (Working load) ในการทําการทดสอบจะบันทึกคาทรุดตัวของเสาเข็มตอเวลาไวทุกขั้นการเพิ่มแรงกด กอนการเพิ่มแรงกดขั้นตอไปตองรอจนกระทั่งอัตราการทรุดตัวนอยกวา 0.25mm/hr การทดสอบนี้อาจจะทดสอบจนถึงจุดวิบัติก็ได วิธีการทดสอบนี้เหมาะกับการทดสอบตามสัญญาโดยเฉพาะการทดสอบ proof load กับเสาเข็มที่เป นเสาเข็มใชงาน (working pile)

ในการเพิ่มแรงกดจะใชแมแรงดันหัวเสาเข็ม ซ่ึงในการทดสอบจําเปนจะตองสรางแรงกดทับแมแรงเอาไวเพื่อเปนแรงปฏิกิริยา วิธีที่ใชกันก็คือการใช (1) น้ําหนักกดทับและ (2) วิธีใชเสาเข็มสมอเพื่อสรางแรงตานที่เป นแรงดึง การทดสอบจะวัดระยะยุบตัวของหัวเสาเข็มเนื่องจากแรงกด ผลการทดสอบจะแสดงอยูในรูปของกราฟระยะทรุดของหัวเสาเข็มที่สัมพันธกับน้ําหนักกดทดสอบ และระยะทรุดของหัวเสาเข็มกับเวลา จากกราฟจะสามารถระบุถึงกําลังประลัยของเสาเข็มได แตในบางกรณีที่ไมสามารถระบุกําลังประลัยของเข็มไดอยางชัดเจน อาจจะตองใชวิธีเชิงประสบการณในการหากําลังประลัยของเสาเข็ม ตัวอยางวิธีท ี่งายที่สุดถือการหาจุดตัดของเสนตรงสองเสนที่ลากสัมผัสกราฟการทดสอบเสาเข็มดังรูปที่ 3.64 ผลการทดสอบจะแสดงความสัมพันธระหวางน้ําหนักกดกับระยะทรุดของหัวเสาเข็ม สําหรับวิธีอื่นๆในการหากําลังประลัยของเสาเข็มไดแกวิธีเกณฑของ Vesic et al. (1977-1) ซ่ึงเปนทีย่อมรับกันไดโดยทั่วไป เกณฑนี้ระบุวากําลังประลัยของเสาเข็ม ultQ คือน้ําหนักกดที่ทําใหเกิดการทรุดตัว 10 เปอรเซ็นตของความกวางเสาเข็มในกรณีของเสาเข็มตอกและ 25 เปอรเซ็นตของความกวางเสาเข็มในกรณีของเสาเข็มเจาะ

วิศวกรรมฐานราก

134

รูปท่ี 3.62 การทดสอบเสาเข็มโดยใชแรงตานเปนเสาเข็มสมอ

รูปท่ี 3.63 การทดสอบเสาเข็ม

แรงกดทดสอบ

รูปท่ี 3.64 ตัวอยางวิธีการหากําลังรับนํ้าหนักประลยัของเสาเข็มดวยวิธีอยางงาย (Budhu 2000)

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

135

ส่ิงที่ตองระวังในการระบุกําลังประลัยของเสาเข็มจากผลการทดสอบก็คือสัดสวนของกราฟ รูปที่ 3.65 แสดง

กราฟสองรูปที่เขียนขึ้นมาจากขอมูลการทดสอบชุดเดียวกัน แตใชสัดสวนตางกันจะมีผลตอการระบุกําลังประลัยของเสาเข็ม ดังนั้นจึงไดมีการใชกฎทางคณิตศาสตรมาชวยในการระบุกําลังประลัยของสาเข็มจากผลการทดสอบ ซ่ึงจะทําใหการวิเคราะหผลเพื่อระบุกําลังประลัยไมขึ้นกับสัดสวนของกราฟ และไมขึ้นกับผูวิเคราะหดวย สําหรับวิธีการวิเคราะหจะไมกลาวในที่นี้ผูสนใจจะศึกษาตอสามารถศึกษาไดจากบทความของ Fellenius (Fellenius 1980; Fellenius 1990)

แรงกดท

ดสอบ

รูปที่ 3.65 กราฟรูปเดียวกันที่มีสัดสวนไมเทากัน จะมีผลตอการระบุกําลังประลัยของเสาเข็ม

3.10.2 การทดสอบดวยวิธีพลศาสตร (Dynamic pile load test) การทดสอบดวยวิธีนี้เปนการทดสอบที่ทําใหทราบกําลังของเสาเข็มโดยการไมทําลายเสาเข็ม การทดสอบ

ดวยวิธีนี้มีราคาต่ํากวา Static pile load test เนื่องจากใชเวลาการทดสอบส้ัน ไมตองการน้ําหนักกดทับ รูปที่ 3.66 แสดงการจัดเตรียมเคร่ืองมือที่ใชทดสอบ การทดสอบกระทําไดท ั้งในระหวางการตอกเสาเข็มซ่ึงเรียกวา Initial driving test หรือการทดสอบหลังจากที่ตอกเสาเข็มเสร็จและทิ้งไวจนกระทั่งแรงดันที่เกิดขึ้นจากการกอสรางเสาเข็มกลับสูสภาพปกติ (Restrike test) กอนการทดสอบจะตองจัดเตรียมหัวเสาเข็มใหเรียบ ในการทดสอบจะวัดความเครียดที่เกิดขึ้นดวย Strain transducer และวัดความเรงที่เกิดขึ้นดวย Accelerometer ในการทดสอบจะยกตุมทดสอบดวยระยะความสูง 3-4 คาโดยคร้ังแรกสูงประมาณ 20-50 ซม. และปลอยใหตกกระแทกหัวเสาเข็ม ผลการทดสอบจะไดจากการนําขอมูลจาก Strain transducer และ Accelerometer ไปวิเคราะหดวยโปรแกรมคอมพิวเตอร ตัวอยางผลการทดสอบเสาเข็มดวยวิธี Dynamic load test เปรียบเทียบกับผลการทดสอบดวยวิธี Static load test แสดงในรูปที่ 3.67

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

136

0.8m

1.5B

-2.0

B

ลูกตุมเหล็ก

Accelerometer

เสาเข็มทดสอบ

SOIL4SUT

Strain transducer

รูปท่ี 3.66 การเตรียมเคร่ืองมือเพื่อทํา Dynamic load test

0

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000 1200แรงกด (ตัน )

ระยะยุบตัวข

องหัวเสาเข็ม

( มิลล

ิเมตร)

Static Pile Load Test (1.0 dia.)Dynamic Pile Load Test (1.0 dia.)

รูปที่ 3.67 ผลการทดสอบดวยวิธีพลศาสตรเทียบกับผลการทดสอบดวยวิธีสถิตยศาสตร

3.11 ปญหาท่ีเกิดข้ึนหลังการติดต้ังเสาเข็ม

3.11.1 การเยื้องศูนยของเสาเข็ม สําหรับระยะเย้ืองศูนยของเสาเข็มนี้ New York Building Code ยอมใหหัวเสาเข็มเย้ืองศูนยได 75 มม. โดยไม

ตองลดกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มกลุม แตถาเสาเข็มเย้ืองศูนยมากกวานี ้จะตองคํานวณกําลังรับน้ําหนักของเสาเข็มโดยใชคาตําแหนงของเสาเข็มที่เย้ืองศูนยมาทําการคํานวณแรงที่ถายลงเสาเข็ม ซ่ึงถาแรงที่ถายลงเสาเข็มตนใดเกินกวา 110 เปอรเซ็นตของกําลังที่ยอมใหของเสาเข็มจะตองทําการแกไขโดยอาจเพิ่มเสาเข็มเขาไปในกลุมเสาเข็มเดิมหรือใชวิธีอื่นๆในการกระจายน้ําหนักลงหัวเสาเข็มที่จะทําใหน้ําหนักที่ถายลงเสาเข็มไมเกินกวา 110 เปอรเซ็นต (Tomlinson 1995)

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

137

3.11.2 การชํารุดของเสาเข็มหลังจากตอกหรือเจาะเสร็จแลว เมื่อกอสรางเสร็จแลวจะตองกอสรางฐานรากเพื่อรองรับโครงสรางสวนบนตอไป ในขั้นตอนนี้เสาเข็มอาจ

ชํารุดเนื่องจากแรงภายนอกที่ไมไดคํานึงถึงตัวอยางเชน แรงทางดานขางเนื่องจากเคร่ืองจักร แรงถอนขึ้นเนื่องจากดินกนบอขุดบวมตัวขึ้น หรือแรงดานขางที่เกิดขึ้นเนื่องจากเสถียรภาพของลาดคันดินไมเพียงพอ ดังรูปที่ 3.68 สาเหตุเนื่องจากเสาเข็มสวนใหญจะถูกออกแบบใหรับแรงกดในแนวดิ่งเป นหลัก ถามีแรงกระทําดานขางหรือแรงถอนกระทําตอเสาเข็มอาจจะทําใหเสาเข็มชํารุดได

รูปท่ี 3.68 ลักษณะการชํารุดของเสาเข็มเน่ืองจากการกอสราง (a) แรงดานขางเน่ืองจากเคร่ืองจักร (b) แรงถอนข้ึนเน่ืองจากแรงกดทับลดลงทําใหดินปูดขึ้น (c) แรงดันดานขางเน่ืองจากเสถียรภาพของลาดคันดินไมเพียงพอ

3.12 เสาเข็มกลุม (Pile group) การใชเสาเข็มเดี่ยวอาจเกิดปญหาเนื่องจากโมเมนตที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเย้ืองศูนยของเสาเข็ม ซึ่งอาจ

แกปญหาไดโดย ใชคานยึดหัวเสาเข็มไว คานจะทําหนาที่กระจายโมเมนตที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเย้ืองศูนย หรือ ใชเสาเข็ม 2 ตนตอกลุมและ ทําคานยึดดานที่อ อนกวาไว ใชเสาเข็ม 3 ตนหรือมากกวารับเสาของอาคารการเย้ืองศูนยของเสาเข็มกลุมจะลดลงทําใหไมตองใชคานยึด

วิศวกรรมฐานราก

138

แรงลม

นน.โ ครงสราง

แรงกด แรงดึง

นน.โ ครงสราง

(a) (b)

แรงลม

รูปที่ 3.69 การถายแรงกดและโมเมนตดัดลงสูเสาเข็ม (a) เสาเข็มกลุม (b) เสาเข็มเดี่ยว (FHA 1988)

รูปท่ี 3.70 ฐานรากเสาเข็มแบบตางๆ

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

139

3.12.1 การคํานวณนํ้าหนักจากเสาที่รับแรงดัด แรงดานขาง และแรงอัด ลงเสาเข็ม

จุดศูนยถวงของกลุมเสาเข็ม

dx dx

d yd y

(a)

(b)

รูปท่ี 3.71 การถายโมเมนตดัด และแรงในแนวแกนจากเสาลงสูฐานรากท่ีใชเสาเข็มกลุม

แรงกดลงเสาเข็มมากที่สุด

22maxx

xy

y

yx

ddM

ddM

nVP

Σ+

Σ+= (3.16)

แรงกดลงเสาเข็มนอยที่สุด

22minx

xy

y

yx

ddM

ddM

nVP

Σ−

Σ−= (3.17)

แรงกดลงเสาเข็มตําแหนงใดๆ

22x

y

y

x

dxM

dyM

nVP

Σ±

Σ±= (3.18)

ดังนั้นเราจึงตองคํานึงถึงระยะหางที่เหมาะสมของเสาเข็มดวยเนื่องจากถาใหระยะหางระหวางเสาเข็มมากเกินไปจะทําใหเกิดโมเมนตดดัในฐานคลุมหัวเสาเข็มเพิ่มขึ้น ซ่ึงจําเปนจะตองเพิ่มขนาดและเหล็กเสริมในฐานราก แนวทางในการตัดสินใจเลือกระยะหางระหวางเสาเข็มแสดงดังตาราง

ในกรณีของเสาเข็มกลุมแบบที่มีแรงเสียดทานเปนหลัก (friction pile) ถาเสาเข็มมีระยะหางระหวางเสาเข็มมากผลเนื่องจากการซอนทับของหนวยแรง (stress overlap) ก็จะนอย ซึ่งถาเสาเข็มอยูใกลกันจน stress overlap มีผลกระทบมากก็จะทําใหกําลังของเสาเข็มลดลง

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

140

รูปท่ี 3.72 (a) หนวยแรงท่ีเกิดข้ึนเน่ืองจากเสาเข็มเดี่ยว (b) หนวยแรงที่เกิดขึน้เน่ืองจากกลุมของเสาเข็ม (c) การวิบัติ

ของเสาเข็มกลุม

ตารางท่ี 3.18 ระยะหางระหวางเสาเข็มท่ีทําใหราคาของ pile cap นอยท่ีสุด

หนาท่ีของเสาเข็ม ระยะหางของจุดศนูยกลางเสา ปลายเข็มวางอยูบนชั้นดินแข็ง (กําลังสวนใหญเกิดจากปลายเข็ม) 2D - 2.5D ปลายเข็มวางอยูบนชั้นหิน (กําลังสวนใหญเกิดจากปลายเข็ม) 2D เสาเข็มที่มีกําลังสวนใหญจากแรงเสียดทานผิว 3D – 5D

ตัวอยางที ่3.7 จงคํานวณแรงตามแนวแกนของเสาเข็มแตละตน เมื่อฐานรากเปนเสาเข็มกลุมดังรูปรับแรงใน

แนวดิ่งจากเสาโครงสราง = 900 ตัน โมเมนตดัดรอบแกน x = 50 ตัน-เมตรโมเมนตดัดรอบแกน y = 200 ตัน-เมตร

1.80

1.80

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 222222 m 6.487.237.239.039.03 =−++−+=Σ dx ( ) ( ) ( ) ( ) 22222 m 92.25048.148.14 =+−+=Σ dy

กรณีที ่1 แรงในแนวดิ่งจากเสาโครงสราง = 900 ตัน

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

141

น้ําหนักลงเสาเข็มแตละตน = tons7512/900 = กรณีที่ 2 โมเมนตดัดรอบแกน x = 50 ตัน-เมตร

แรงตามแนวแกนสําหรับแถวนอกสุด (เสาเข็มหมายเลข 3, 6, 9, 12) เปนแรงอัด

( )( )( )

( ) tons47.3m 92.25

m 81m- t5022 ==

Σ=

.dy

dyMP x

แรงตามแนวแกนสําหรับแถวนอกสุด (เสาเข็มหมายเลข 1, 4, 7, 10) เปนแรงดึง ( )( )

( ) tons47.3m 92.25

m 81m- t502 −==

.P

เสาเข็มที่อยูบนแกน x มีแรงเทากับศูนย

กรณีที ่3 โมเมนตดัดรอบแกน y = 200 ตัน-เมตร

แรงตามแนวแกนสําหรับเสาเข็มหมายเลข 1, 2, 3 เปนแรงดึง

( )( )( )

( ) tons11.11m 8.64

m .72m- t00222 −=

−=

Σ=

dxdxM

P y

แรงตามแนวแกนสําหรับเสาเข็มหมายเลข 4, 5, 6 เปนแรงดึง

วิศวกรรมฐานราก

142

( )( )( ) tons7.3

m 8.64m .90m- t002

2 −=−

=P

แรงตามแนวแกนสําหรับเสาเข็มหมายเลข 7, 8, 9 เปนแรงอัด ( )( )

( ) tons7.3m 8.64

m .90m- t0022 ==P

แรงตามแนวแกนสําหรับเสาเข็มหมายเลข 10, 11, 12 เปนแรงอัด ( )( )

( ) tons11.11m 8.64

m .72m- t0022 ==P

เมื่อรวมแรงทั้ง 3 กรณี เขาดวยกัน หมายเลขเสาเข็ม

P = 900 ตัน Mx = 50 t-m My = 200 t-m แรงรวม

1 75.0 -3.47 -11.11 60.42 2 75.0 0.00 -11.11 63.89 3 75.0 3.47 -11.11 67.36 4 75.0 -3.47 -3.70 67.83 5 75.0 0.00 -3.70 71.30 6 75.0 3.47 -3.70 74.77 7 75.0 -3.47 3.70 75.23 8 75.0 0.00 3.70 78.70 9 75.0 3.47 3.70 82.17 10 75.0 -3.47 11.11 82.64 11 75.0 0.00 11.11 86.11 12 75.0 3.47 11.11 89.58

จะเห็นวาแรงที่เสาเข็มหมายเลข 12 จะมีคาสูงที่สุด = 89.58 ตัน เนื่องจากเราพิจารณากําลังรับน้ําหนักที่ยอมใหของเสาเข็ม ดังนั้นจึงไมตองคูณตัวเพิ่มเขาไปกับแรงอัดและ

โมเมนตดัด (คิดเปนแรงรวมที่ไมไดคูณตัวคูณเพิ่ม) • เข็มใกลกันมาก ประสิทธิภาพในการรับน้ําหนักลดลง • เข็มหางกันมาก เกิด Bending moment สูง • ประสิทธิภาพของเสาเข็มเมื่อรวมกันเปนกลุม (group efficiency)

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

143

3.13 แรงเสียดทานผิวท่ีเปนลบ (Negative skin friction) กลไกการเกิดแรงเสียดทานผิวที่เปนลบเกิดขึ้นเนื่องจากการที่ดินรอบผิวเสาเข็มเคลื่อนที่ลงในทิศทางเดียวกับ

แรงกระทําทําใหแรงในเสาเข็มเพิ่มขึ้น การทรุดตัวในทิศทางเดียวกับแรงกระทําเสาเข็มนั้นอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการทรุดตัวเนื่องจาก Consolidation หรือการทรุดตัวเนื่องจากการบดอัดดินไมพอเพียง ตัวอยางการทรุดตัวที่กอใหเกิด negative skin friction แสดงดังรูปที่ 3.73

(a)

(b)

รูปท่ี 3.73 การทรุดตัวที่ตอใหเกิด negative skin friction ตอฐานรากแบบปลอง (a) หลังจากกอสรางเสร็จ (b) หลังจากกอสรางเสร็จและดินรอบฐานรากทรุดตัว

สําหรับกลไกการเกิดแรงเสียดทานผิว จะพิจารณาไดจาก Free body diagram ดังรูปทีรู่ปที่ 3.74 ซ่ึงจะเห็นไดวาแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในช้ันดินทีท่รุดตัวมากกวาเสาเข็มจะมีทิศทางเดียวกับแรงกดที่กระทําตอเสาเข็มซ่ึงลักษณะเชนนี้จะทําใหวัสดุเสาเข็มรับแรงกดเพิ่มขึ้น ซ่ึง (Fellenius 2006) ไดสรุปวาการเคลื่อนที่สัมพัทธของดินเพียงไมกี่ม ิลลิเมตรกอใหเกิดหนวยแรงเสียดทานผิวประลัย ทั้งแรงตานและแรงฉุด

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

144

Qult Qult

แรงเสียดทานเปนแรงกด

ชั้นดินแข็ง

ชั้นดินเหนียว

ดินถม

การทรุดตัวเน่ืองจากConsolidation

เสาเข็มทรุดตัวนอยกวาดินรอบๆเนื่องจากมีปลายอยูในช้ันดินแข็ง

แรงเสียดทานเปนแรงตาน

รูปท่ี 3.74 กลไกการเกิดแรงเสียดทานผิวท่ีเปนลบ

จากการศึกษาโดย (Fellenius 2006) สรุปประเด็นที่เกี่ยวของกับการออกแบบเสาเข็มที่ตองคํานึงถึง Negative skin friction ไวดังนี้

• แรงฉุดลงที่เกิดจาก Negative skin friction ไมมีผลตอ Ultimate bearing capacity ของเสาเข็ม นั่นคือเสาเข็มจะม ีbearing capacity เทากันไมวาน้ําหนักที่กระทําตอเสาเข็มจะเทาไรก็ตาม ในกรณีที่เสาเข็มใกลจะวิบัติจะไมม ีNegative skin friction เกิดขึ้น bearing capacity จะเกิดจากแรงเสียดทานผิวที่เปนบวกทั้งหมด

• แรงฉุดลงที่เกิดจาก Negative skin friction จะมีผลตอกําลังของเนื้อวัสดุที่ใชทําเสาเข็ม ซ่ึงหนวยแรงที่เกิดขึ้นเนื่องจาก dead load บวกกับแรงฉุดเนื่องจาก negative skin friction จะตองไมกอใหเกิดหนวยแรงในเสาเข็มเกินกวาหนวยแรงที่ยอมให

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

145 D

EPTH

(m)

รูปท่ี 3.75 (a) Distribution of load in full-length pile (b) distribution of soil and pile settlement 672 days after start

monitoring (Fellenius 2006)

bQbQ

sQ ′′

sss QQQ ′′+′=

NF

NFDLDL

sQ

รูปท่ี 3.76 Construing the Neutral Plane and Determining the Allowable Load (Fellenius 1996)

วิศวกรรมฐานราก

146

Pile settlement

Soil settlement

Neutral plane

Pile capsettlement

Groundsettlement

Load andresistance

รูปท่ี 3.77 Load-Transfer and Resistance Curves and Settlement Distribution (Fellenius 1996)

หนวยแรง Negative skin friction จะมีคาเท ากับ

( )( )vNFf σβ ′= (3.19)

β มีคาอยูระหวาง 0.15 – 0.3 ดังรูปที่ 3.78 (แนะนําใหใช 0.21) v'σ Effective overburden pressure

p เสนรอบรูปของเสาเข็ม L ความหนาของชั้นดินที่คํานวณหา Negative skin friction

รูปท่ี 3.78 Negative skin friction factors for piles driven into soft to firm clays (Tomlinson 1995)

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

147

ในการลดแรงฉุดเนื่องจาก Negative skin friction อาจใช บิทูเมน (Bitumen) หนา 1 – 2 มิลลเิมตร เคลือบผิวของเสาเข็มในบริเวณที่จะเกิด Negative skin friction จะชวยลดแรงฉุดได แตบิทูเมนนี้จะลด ultimate bearing capacity ของเสาเข็มดวยเนื่องจากสวนที่เคลือบบิทูเมนจะไมกอใหเกิดแรงเสียดทานตานแรงกระทําที่หัวเสาเข็มเชนกัน

3.14 เสาเข็มรับแรงดานขาง

3.14.1 พฤติกรรมและทฤษฏีการคํานวณ พฤติกรรมของเสาเข็มที่รับแรงกระทําดานขางจะขึ้นอยูกับ Slenderness ratio และ Degree of fixity ที่หัว

เสาเข็ม ลักษณะของเสาเข็มที่รับแรงกระทําดานขางแบงออกไดเป น 2 กลุมใหญดังตารางที่ 3.19 ตารางที ่3.19 รูปแบบการวิบัติของเสาเข็มท่ีรับแรงกระทําทางดานขาง

ลักษณะการยึดร้ังท่ีหัวเสาเข็ม เสาเข็มสั้น เสาเข็มยาว ยึดร้ังแนนท่ีหัวเสาเข็ม

หัวเสาเข็มปลอยอิสระ

การคํานวณกําลังรับแรงดานขาง Limit load is determined by a stability calculation

Limit load is determined by the resisting moment

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

148

uH

e

L

B5.1

f

g

Bcu9

maxM

uHB5.1

BL 5.1−L

Bcu9

maxM

0 4 8 12 16 200

10

20

30

40

50

60

BL/Embedment length

Bc

Hu

u/

0/

=Be 1 24

816

ปลายยึด

uH

ปลายปลอย

e

LB

L

รูปท่ี 3.79 การแอนตัวของเสาเข็ม แรงตานจากดิน และโมเมนตดัดของเสาเข็มรับแรงดานขาง และ Ultimate lateral

resistance ของเสาเข็มสั้น ในชั้นดินเหนียว

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

149

uH

e

Bcu9

f

B5.1

การแอนตัว แรงตานจากดิน โมเมนตดัด

uH

Bcu9

f

B5.1

uM uM

3/ BcM uu

Ulti

mat

e la

tera

l res

ista

nce

2/

Bc

Hu

u

uHe

L

0/

=Be

รูปท่ี 3.80 การแอนตัวของเสาเข็ม แรงตานจากดิน และโมเมนตดัดของเสาเข็มรับแรงดานขาง และ Ultimate lateral

resistance ของเสาเข็มยาว ในชั้นดินเหนียว

วิศวกรรมฐานราก

150

e

L

ปลายปลอยอิสระuH

P

pLKBγ3 maxM

การแอนตัว แรงตานจากดิน โมเมนตดัด

L

uH

pLKBγ3

maxM

uHe

L

0/

=L

e

0.6

0 .8

1 .0

1.5

2.0

3.0

BL/

γ3/

BK

Hp

รูปท่ี 3.81 การแอนตัวของเสาเข็ม แรงตานจากดิน และโมเมนตดัดของเสาเข็มรับแรงดานขาง และ Ultimate lateral

resistance ของเสาเข็มสั้น ในชั้นดินทราย

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

151

uH

e

f

uM

uH

uM uM

f

pfKBγ3

pu KBM γ4/

Ulti

mat

e la

tera

l res

ista

nce

γ3/

BK

Hp

u

uH e

L

0/

=Be 1 2 4 8 16 32

รูปท่ี 3.82 การแอนตัวของเสาเข็ม แรงตานจากดิน และโมเมนตดัดของเสาเข็มรับแรงดานขาง และ Ultimate lateral

resistance ของเสาเข็มยาว ในชั้นดินทราย

ตัวอยางที ่3.8 จงคํานวณ Ultimate horizontal load ที่สามารถกระทําตอเสาเข็มเจาะขนาดเสนผานศูนยกลาง 900 มิลลิเมตร โดยเสาเข็มฝงลึก 6 เมตรอยูในดินที่ม ี kPa 120=us ถาใหแรงกระทําตอหัวเสาเข็มที่ความสูง 4 เมตรจากผิวดินดังรูปที ่3.83 โดยสมมุติใหเปนเสาส้ัน

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

152

4.00

6.00kPa 120=us

uH

ดินเหนียวแข็ง

รูปท่ี 3.83

ใชกราฟของ Broms สําหรับเสาเข็มส้ันฝงอยูในดินเหนียว 7.69.0/6/ ==BL 4.49.0/4/ ==Be

จากรูปที่ 3.79 จะได 8/ 2 =BsH uu ( )( ) kN 7789.0kPa 1208 2 ==uH

ตัวอยางที3่.9 จงคํานวณ Ultimate horizontal load ของเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็กส่ีเหลี่ยมจัตุรัสขนาด 350

มิลลิเมตร (เสริมเหล็ก 4-DB32 ksc 250=′cf ksc 4100=yf ) ดินมี kPa 120=us โดยสมมุติใหเปน

เสายาวดังรูปที ่3.84 กําหนดให โมเมนตดัดประลัย Ultimate moment uM ของเสาเข็มเทากับ 125 กิโลนิวตัน-เมตร

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

153

uH

ดินเหนียวออน

ดินเหนียวแข็ง

350

4-DB32

รูปตัดเสาเข็มkPa 120=us

รูปท่ี 3.84

ใชกราฟของ Broms โดยไมคิดวาดินเหนียวออนกอใหเกิดแรงตานดังนั้นระยะจากผิวของดินเหนียวแข็งจนถึงตําแหนงที่แรงกระทํา = 2.5+2.2 = 4.7 เมตร 4.1335.0/7.4/ ==Be ( ) ( )( )( ) 3.2435.0kPa 120/m-kN 125/ 33 ==BsM uu

จากรูปที่ 3.80 จะได 5.1/ 2 =BsH uu ( )( ) kN 2235.01205.1 2 ==uH

3.14.2 ผลการทดสอบเสาเข็มที่รับแรงกระทําดานขาง

รูปที่ 3.85 ผลการทดสอบกําลังรับแรงกระทําดานขางของเสาเข็มเจาะขนาดเสนผานศูนยกลาง 1500 มิลลเิมตร มี

ปลายอยูท่ีความลึก 46 เมตร ในชั้นดินกรุงเทพ

วิศวกรรมฐานราก

154

รูปที่ 3.86 ผลการทดสอบเสาเข็มท่ีรับแรงกระทําทางดานขางของเสาเข็มเจาะขนาดเสนผานศูนยกลาง 1500

มิลลิเมตร มีปลายอยูท่ีความลึก 46 เมตร ในชั้นดินกรุงเทพ

3.15 การทรุดตัวของเสาเข็มเน่ืองจาก Consolidation การประมาณการทรุดตัวของเสาเข็มกลุมจะใชทฤษฎี Consolidation ในการประมาณคาการทรุดตัวโดยจะ

สมมุติใหหนวยแรงกระทําอยูที่ระดับความลึก 3/2L จากรดับหัวเสาเข็ม และจากจุดนีม้ีการกระจายของหนวยแรงเปนรูปประมิดหัวตัดที่มีความชันเทากับ 2:1 คาประมาณที่ไดนี้เปนคาประมาณอยางหยาบเพื่อนําไปใชพิจารณาวาเสาเข็มที่เลือกใชม ีความเหมาะสมเพียงไร ถาไมเหมาะสมเชน การทรุดตัวมากเกินไปอาจแกไขโดยการลดน้ําหนักที่ถายลงเสาเข็ม หรือเพิ่มระยะหางของหัวเสาเข็ม หรืออาจจะเพิ่มความยาวเสาเข็ม เปนตน

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

155

Lg

Bg

2/3 L

L

L1

L2

L3

z

Clay 1

Clay 2

Clay 3

Clay 4

Rock

2V : 1H

รูปที ่ 3.87 รูปแสดงการคํานวณหา Consolidation settlement ของ เสาเข็มกลุม

LBPp×

=

LBPp×

=

LBPp×

=

รูปที่ 3.88 การกระจายของหนวยแรงของเสาเข็มกลุม

ตัวอยางที ่3.10 – การประมาณการทรุดตัวของเสาเข็มกลุมเนื่องจาก Consolidation จากเสาเข็มกลุมซึ่งมีขอมูลดังรูปจงคํานวณหา Settlement ของเสาเข็มกลุมนี้

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

156

2.00

15.00

1.80

2.70

220 Tons

ช้ันดินแข็ง

8.33

sat = 1.80 ton/m3

e0 = 0.82Cc = 0.3

sat = 1.70 ton/m3

sat = 1.90 ton/m3

e0 = 0.7Cc = 0.2

2.70

sat = 1.95 ton/m3

e0 = 0.65Cc = 0.15

1

2

3

6.67

4.00

2.00

1.00

= 45.3 T/m2

4.67

4.00

2.00

Sand

Clay

Clay

Clay

คิดหนวยแรงประสิทธิผลท่ีก่ึงกลางชั้นดิน

=L32

1

2

3.33

รูปท่ี 3.89 รูปตัดชั้นดินและกลุมเสาเข็มสําหรับตัวอยางท่ี 3.10

1. คํานวณหนวยแรงที่เพิ่มขึ้น ณ. จุดกึ่งกลางชั้นดินที่จะคํานวณการทรุดตัว

( )( )zLzBQ

p++

=∆

( )( )

2)1( t/m1.7

335.37.2335.38.1220

=++

=∆p

( )( )

2)2( t/m85.1

67.87.267.88.1220

=++

=∆p

( )( )

2)3( t/m13.1

67.117.267.118.1220

=++

=∆p

2. คํานวณหนวยแรงประสิทธิผลเนื่องจากน้ําหนักของดิน, 0vσ ′

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

157

uvv −=′ σσ ( ) ( )( ) ( ) 2

)1( t/m73.11335.333.810.1335.333.88.127.1 =++−+×+×=′vσ ( ) ( ) ( ) ( ) 2

)2( t/m2.1621510.129.1158.127.1 =++−×+×+×=′vσ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2

)3( t/m95.18141510.1195.149.1158.127.1 =+++−×+×+×+×=′vσ 3. คํานวณการทรุดตัวโดยใชสมมุติฐานวาการทรุดตัวเกิดขึ้นในแนวดิ่งเทานั้น

′∆+′

+=∆

0

0

0

log1 v

vvc

eHC

Sσ

σσ

( )( ) m 23.073.11

1.773.11log82.0167.63.0

)1( =

+

+=∆S

( )( ) m 022.02.16

85.12.16log7.010.42.0

)2( =

+

+=∆S

( )( ) m 00457.095.18

13.195.18log65.01

0.215.0)3( =

+

+=∆S

m 26.000457.0022.023.0)3()2()1( =++=∆+∆+∆=∆ SSSS

3.16 แบบฝกหัด 1. จากขอมูลช้ันดินและหนาตัดของเสาเข็มที่กําหนดใหดังรูปจงคํานวณหากําลังรับน้ําหนักบรรทุกปลอดภัย

ของเสาเข็ม ถาใชเปนเสาเข็มตอก กําหนดให: Factor of safety = 2.5

วิศวกรรมฐานราก

158

soft clay (CH)

stiff clay (CL)

dense sand (SW)

0.0 m

12.0 m

16.0 m

21.0 m

su = 1.8 t/m2

γsat = 1.7 t/m3

SPT = 15 blows/ftγsat = 1.7 t/m3

SPT = 25 blows/ftγsat = 1.9 t/m3

1.0 m

AA

γt = 1.7 t/m3

2. จากขอมูลช้ันดินและหนาตัดของเสาเข็มที่กําหนดใหดังรูปจงคํานวณหากําลังรับน้ําหนักบรรทุกปลอดภัย

ของเสาเข็ม ถาเสาเข็มตนนี้เปนเสาเข็มตอก 2.2) ในการตอกเสาเข็มตนนี้ควรจะตองตอกใหมีระยะทรุดตัวเนื่องจากการตอก 10 คร้ังสุดทาย (Last ten

blows) เปนเทาใดถาใชสูตร Engineering News 2.3) และหลังจากการตอกเสาเข็มเสร็จเรียบรอยแลวถาตองการตรวจสอบความบกพรองของเสาเข็ม

เนื่องจากการตอกควรจะใชวิธีใดบาง โปรดอธิบายเหตุผลประกอบ กําหนดให: Factor of safety = 2.5, ปนจั่นหนัก 7 ตันยกสูง 100 เซนติเมตร

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

159

soft clay (CH)

stiff clay (CL)

dense sand (SW)

0.0 m

-12.0 m

-26.0 m

su = 1.8 t/m2

sat = 1.7 t/m3

SPT = 18 blows/ftsat = 1.9 t/m3

SPT = 30 blows/ftsat = 2.0 t/m3

-20.0 m

A A

SECTION A-A

3. จงคํานวณแรงในเสาเข็มของฐานรากดังรูปที่รับแรงกระทําดังนี้ แรงรวมในแนวดิ่ง, V = 200 ตัน โมเมนตดัดรวมรอบแกน x = 40 ตัน-เมตร โมเมนตดัดรวมรอบแกน y = 20 ตัน-เมตร

m- t40=xM

m- t20=yM

x

y

t200=V

0.50 0.90 0.50

รูปดานขาง

0.90

Intern

al Use

Only

วิศวกรรมฐานราก

160

4. กําหนดใหเสาเข็มเหล็กมีเสนผานศูนยกลางภายนอก 305 มิลลิเมตร และมีความหนา 19 มิลลิเมตร จงคํานวณ Ultimate horizontal load ของเสาเข็มตนนี้ถามีแรงกระทําดังรูป

kPa 9.47=us

uH

ดินเหนียว

เสาเข็ม44

pile m 1075.1 −×=I

m 305.0=b

บทที่ 3 ฐานรากเสาเข ็ม

161

Intern

al Use

Only