สร้างบ้าน งานวาง ฐานราก เสาเข็ม (ช่างสร้างบ้าน พิษณุโลก)

คงเป็นที่เข้าใจกันโดยทั่วไปในหมู่วิศกรโยธาโดยเฉพาะ วิศวกรโยธา สาขาวิศวกรปฐพีว่าฐานรากเสาเข็ม เป็นรูปแบบหนึ่งของฐานลึก ( Deep Foundation ) ที่มีเสาเข็มเป็น Structural member ติดตั้งผ่านชั้นใต้ดินที่มีกำลังรับน้ำหนักต่ำลงไปฝังปลายอยู่ในชั้นใต้ดินที่มีกำลังรับน้ำหนักสูงและมีการทรุดตัวต่ำ ฐานรากเสาเข็มจึงจะเพิ่มขีดความสามารถในการรับน้ำหนักได้สูงเทียบเท่ากับขีดความสามารถของชั้นดินที่ปลายเข็มฝังอยู่ (Found Layer) หรือชั้นดินฐานราก ด้วยข้อได้เปรียบฐานรากเสาเข็มดังกล่าวจึงทำให้งานก่อสร้างอาคารสูง และโครงสร้างพื้นฐานในพื้นที่ราบลุ่มภาคกลางและในที่ลุ่มของภาคอื่น ๆ ในประเทศไทยได้ประโยชน์จากฐานรากเสาเข็มในการถ่ายน้ำหนักสิ่งปลูกสร้างลงสู่ชั้นดินฐานรากที่มั่นคงได้ นับว่าฐานรากเสาเข็มเป็นปัจจัยสำคัญในการพัฒนางานก่อสร้างขนาดใหญ่ไม่ว่าจะเป็นอาคารสูง หรือโครงสร้างพื้นฐานเช่น สะพานข้ามแม่น้ำในกรุงเทพฯ และพื้นที่ลุ่มอื่น ๆ ในประเทศไทย

จากงานฐานรากเสาเข็มที่ผ่านมา ฐานรกเสาเข็มได้มีการประยุกต์ใช้ใน 2 ลักษณะ คือ ลักษณะส่งถ่ายน้ำหนักส่วนใหญ่ให้กับชั้นดินด้วยแรงเสียดทานตามผิว (Shaft Friction ) รากฐานชนิดนี้จะเป็นรากฐานที่ลอยตัวอยู่ในชั้นดินที่มีกำลังไม่สูง เช่น ชั้น Soft to Medium Clay การทรุดตัวจะอยู่ในอัตราที่สูงในระดับใกล้เคียงกับการทรุดตัวของชั้นดินที่เสาเข็มฝังอยู่ เสาเข็มที่ใช้จะเป็นขนาดเล็กและไม่ยาวมาก เช่น ขนาดไม่เกิน 0.20 เมตร ยาวไม่เกิน 15 เมตร จะมีใช้ทั้งเสาเข็มคอนกรีตและเสาเข็มไม้ จะใช้ในงานก่อสร้างฐานรากอาคารไม่เกิน 5 ชั้นได้ เนื่องจากการทรุดตัวของพื้นที่กรุงเทพฯ จากผลของการสูบน้ำบาดาลทำให้อาคารบ้านเรือนที่ก่อสร้างใช้ระบบฐานรากเสาเข็มสั้นทรุดตัวตามชั้นดินอ่อน การก่อสร้างเสาเข็มฐานรากในปัจจุบันจึงพิจรณาใช้เสาเข็มยาวขึ้นโดยติดตั้งให้ปลายฝังอยู่ในชั้นดินเหนียวแข็ง หรือชั้นทรายซึ่งจะรับน้ำหนักปลอดภัยได้มากขึ้นและมีการทรุดตัวน้อยซึ่งจะเข้าข่ายการใช้เสาเข็ม ลักษณะที่ 2 นี้ นอกจากเสาเข็มจะต้องรับภาระน้ำหนักที่ส่งถ่ายจากอาคารโดยตรงแล้วจะต้องออกแบบให้รับแรงจากการทรุดตัวที่มากกว่าของชั้นดินอ่อนส่วนบนอีกด้วย ที่เรียกว่า Down Drag Load หรือ Negative Skin Friction งานก่อสร้างฐานรากอาคารสูงที่มีน้ำหนักต่อพื้นที่สูง รวมทั้งน้ำหนักตอม่อสะพานยกระดับและสะพานข้ามแม่น้ำจะประยุกต์ใช้ฐานรากในลักษณะที่ 2 นี้ทั้งสิ้น ทั้งในระบบที่เป็นเสาเข็มตอกและเสาเข็มเจาะหล่อในที่ เพราะจะรับน้ำหนักปลอดภัยได้มากและการทรุดตัวน้อย

 

สำหรับการพิจารณาประสิทธิภาพของฐานรากเสาเข็มเป็นกลุ่มในการรับน้ำหนักและการทรุดตัว เป็นที่ยอมรับกันในทางปฏิบัติว่า ฐานรากเสาเข็มใน 2 ลักษณะ ที่ใช้ในพื้นที่กรุงเทพฯ เมื่อประยุกต์ใช้เป็นกลุ่มจะมีประสิทธิภาพไม่แตกต่างจากเสาเข็มเดี่ยว ( Single pipe capacity ) จึงยอมรับใช้ประสิทธิภาพของเสาเข็มกลุ่ม = 1.0 ในทุกกรณี แต่จะมีข้อแนะนำไม่ควรออกแบบให้ขนาดของกลุ่มเสาเข็มแตกต่างกันมาก เพราะจะมีผลทรุดตัวต่างกันได้

 

เรื่องน้ำหนักบรรทุกปลอดภัย เพื่อลดปัญหาการทรุดตัวฐานรากเสาเข็มในลักษณะ Friction pipe จะใช้ค่าส่วนปลอดภัย ( Factor of safety ) F.S. = 3.0 Min และในลักษณะที่ 2 คือ Friction-Bearing Pile จะใช้ F.S. = 2.5 Min สืบเนื่องจากพื้นที่กรุงเทพฯ มีสภาพน้ำใต้ดินแบบ Drawdown มากกว่า 20 เมตร จากระดับเดิมและหากสภาพ Drawdown หมดเหตุปัจจัยกลับมาเป็น Hydrostatic กำลังรับน้ำหนักของเสาเข็มจะลดลงเพราะการเพิ่มาขึ้นของแรงดันน้ำใต้ดิน F.S. ในกรณี Hydrostatic ก็จะลดลงด้วยประมาณ 30-40 % คือการใช้ F.S. = 2.5 ในสภาพ Drawdown จะเหลือ F.S. = 1.8 ในสภาพ Hydrostatic ในความเห็นไม่อยากให้ F.S. ในสภาพ Hydrostatic ต่ำกว่า 2.0 (สนามบินสุวรรณภูมิออกแบบให้ F.S. (H) = 2.2 ) จึงขอแนะนำให้ใช้ F.S. ในสภาพ Drawdown = 2.8 Min แทน 2.5 Min ในกรณีของ Friction-Bearing Pile เพื่อลดการทรุตัวของอาคารและความเสี่ยงจากการทรุดตัวต่างกันลง

 

เรื่องการทรุดตัวต่างกันของอาคารที่รองรับด้วยรากฐานเสาเข็ม (Friction-Bearing Pile ) จากประสบการณ์พบว่าการทรุดตัวจะเกิดเนื่องจากการเพิ่มน้ำหนักของตัวอาคารระหว่างการก่อสร้างจนถึงขั้นสูงสุดของอาคารที่เรียกว่า Construction Settlement ซึ่งค่อนข้างจะเป็น elastic settlement สำหรับ long-term settlement ซึ่งเป็นพฤติกรรมของชั้นดินฐานรากที่เป็น Stiff clay เป็นการทรุดตัวที่ขึ้นอยู่กับเวลา ยังไม่เคยเห็นข้อมูลจากการตรวจวัดการทรุดตัวในระยะยาวเลย จากการวิเคราะห์การทรุดตัวของฐานรากเสาเข็ม พบว่าค่า effective stress (??) ที่เพิ่มขึ้นมีความสัมพันธ์ทางตรงกับอัตราส่วนค่าการทรุดตัวต่อความกว้างฐานราก ( S/H ) สอดคล้องกับผลการตรวจวัดการทรุดตัวของอาคารเสนอโดย ดร.สุรฉัตร สัมพันธารักษ์ (2526) ซึ่งถือได้ว่าเป็นองค์ความรู้ในเชิงปฏิบัติของพื้นที่กรุงเทพได้

 

นี่เป็นเพียงความรู้ทั่วไปในงานฐานรากเสาเข็ม ส่วนหนึ่งเท่านั้นยังมีข้อมูลต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับงานฐานราก ที่เราจะนำมาให้ความรู้กับวิศวกรโยธา ในการนำไปพิจารณากับประสบการทำงานจริง

 

เอกสารอ้างอิง
ดร. สุรฉัตร สัมพันธารักษ์ (2556) , เอกสารประกอบการประชุมวิชาการ “งานฐานรากบนชั้นดินอ่อน” คณะกรรมการวิชาการสาขาวิศวกรโยธา วิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทยในพระบรมราชูปถัมภ์