การออกแบบและทดสอบเสาเข็ม

1. การออกแบบและทดสอบเสาเข็มการออกแบบและทดสอบเสาเข็ม โดย ประเทือง อินคุ้ม International Engineering Consultants Co., Ltd.(IEC)

2. ประเภทของเสาเข็มและการเลือกใช้ประเภทของเสาเข็มและการเลือกใช้ • เสาเข็มตอก • เสาเข็มคอนกรีตอัดแรงหล่อสำเร็จ • เสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็ก • เสาเข็มเหล็ก • เสาเข็มไม้ • เสาเข็มเจาะ • เสาเข็มเจาะระบบแห้ง • เสาเข็มเจาะระบบเปียก

3. เสาเข็มคอนกรีตอัดแรงหล่อสำเร็จ(Prestressed Concrete Pile) • นิยมใช้ในปัจจุบัน • รับแรงโมเมนต์ดัดได้สูง • เสียหายจากการขนส่ง และยกตอก น้อย • มีผู้ผลิตหลายแห่ง

4. เสาเข็มเจาะ • ระบบแห้ง (Dry Process) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.35 เมตร 0.45 เมตร และ 0.60 เมตร • ระบบเปียก (Wet Process) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.8, 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.5 m

5. ข้อพิจารณาในการเลือกใช้เสาเข็มข้อพิจารณาในการเลือกใช้เสาเข็ม

6. การออกแบบเสาเข็มเดี่ยวการออกแบบเสาเข็มเดี่ยว • โครงสร้างของเสาเข็มต้องไม่รับแรงเกินขนาดที่ยอมให้ (The pile structure must not be over-stressed) • การรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มต้องมีค่าความปลอดภัยเพียงพอต่อการเฉือนพังของชั้นดิน (There must be an adequate factor of safety against a shear failure) • การทรุดตัวของเสาเข็มในสภาวะใช้งานต้องไม่มากกว่าค่าที่ยอมให้ (The settlement of pile subjected to the design load must be within tolerable limits)

7. สิ่งที่ต้องคำนึง • แรงต่างๆที่กระทำต่อเสาเข็ม รวมถึงแรงฉุดลง อันเนื่องจากการทรุดตัวของดินรอบข้างเสาเข็ม • ความแข็งแรงของเสาเข็ม • สภาพชั้นดินและกำลังรับน้ำหนักของชั้นดิน • ค่าอัตราส่วนความปลอดภัย • วัสดุและรูปร่างของเสาเข็มตอก • การใช้งานเป็นเสาเข็มกลุ่มหรือเสาเข็มเดี่ยว • เครื่องมือที่ใช้ตอก • สภาพสิ่งแวดล้อมข้างเคียงพื้นที่ตอกเสาเข็ม

8. กำลังรับน้ำหนักในแนวดิ่งกำลังรับน้ำหนักในแนวดิ่ง • ทฤษฎีของวิศวกรรมธรณีเทคนิค • ข้อมูลของชั้นดิน (Subsurface conditions) • พฤติกรรมของแรงยึดเหนี่ยวหรือแรงต้านทานระหว่างเสาเข็มและชั้นดิน (Pile/soil interaction Behavior)

9. Axial compressive Load Capacity • Qu = Qb + Qs - Wp • Qu: กำลังรับน้ำหนักกดสูงสุด (Ultimate pile capacity) • Qb: กำลังรับน้ำหนักบรรทุกสูงสุดที่ปลายเสาเข็ม (Ultimate base or end-bearing capacity) • Qs: กำลังรับน้ำหนักบรรทุกสูงสุดที่ผิวเสาเข็ม (Ultimate skinfriction capacity) • Wp: น้ำหนักสุทธิของเสาเข็ม (weight of pile)

10. ในชั้นดินที่มีความเหนียวต่ำหรือชั้นทราย (Cohesionless Soils) • Qb = Nq.s’vo.Ap • โดยที่ • Nq = ค่าสัมประสิทธิ์กำลังรับน้ำหนัก(A bearing capacity factor) รูปที่ 1 และ 2 • s‘vo = ค่าหน่วยแรงกดทับประสิทธิผล ในช่วงความลึกของเสาเข็มที่พิจารณา (Effective overburden pressure at pile base level) • Ap = พื้นที่หน้าตัดของเสาเข็ม(Cross sectional area of pile)

13. ในสภาพดินเหนียว (cohesive soils) • Qb = Su.Nc + svo • โดยที่ • Su = ค่าหน่วยแรงเฉือนแบบไม่ระบายน้ำที่ระดับปลายเสาเข็ม(average undrained shear strength at pile base) • Nc = ค่าสัมประสิทธิ์กำลังรับน้ำหนัก(a bearing capacity factor, 9 is used for deep foundation) • svo = ค่าหน่วยแรงกดทับรวม ที่ระดับปลายเสาเข็ม(total overburden pressure at pile base level)

14. แรงเสียดทานตามผิวเสาเข็มแรงเสียดทานตามผิวเสาเข็ม • ในสภาพดินทราย (cohesionless soils) Qs = Ks.s’vo.tan d .As • ในสภาพดินเหนียว (cohesive soils)

19. แรงฉุดลง (Negative Skin Friction, NSF)ที่กระทำต่อเสาเข็ม • NSF = b.s’vo • โดยที่ • b = สัมประสิทธ์ของแรงฉุด (an adhesion factor) ในชั้นดินเหนียวอ่อน ค่า b = 0.2 • s’vo = ค่าเฉลี่ยของหน่วยแรงกดทับประสิทธิผล ในช่วงความลึกของเสาเข็มที่พิจารณาในชั้นดินอ่อนที่มีแรงฉุด(average effective overburden pressure)

21. กำลังรับน้ำหนักในแนวราบกำลังรับน้ำหนักในแนวราบ • พฤติกรรมการรับแรงด้านข้างของเสาเข็มมีความซับซ้อนมาก เพราะมีพฤติกรรมร่วมกัน ระหว่างคุณสมบัติความแข็งแรงของเสาเข็ม (Structural Stiffness of Pile) และกำลังรับแรงต้านทานด้านข้างของดิน (Passive Resistance of Soil) B. Brom (1964) ได้แบ่งพฤติกรรมของเสาเข็มรับแรงด้านข้างออกเป็น 2 กลุ่ม คือ พฤติกรรมของเสาเข็มสั้น และพฤติกรรมของเสาเข็มยาว

24. (Ultimate Resistance of Short Rigid Pile, Hu)

25. กำลังต้านทานด้านข้างประลัยในชั้นดินเหนียวกำลังต้านทานด้านข้างประลัยในชั้นดินเหนียว

26. กำลังต้านทานด้านข้างประลัยในชั้นดินทรายกำลังต้านทานด้านข้างประลัยในชั้นดินทราย

27. Ultimate Resistance of Flexible Pile, Hu

28. Ultimate Lateral Resistance of Long Pile in Cohesive Soils

29. Ultimate Lateral Resistance of Long Pile in Cohesionless Soils

32. ลักษณะของ P-Y Curve ของดินเหนียวอ่อน

33. การทดสอบกำลังรับน้ำหนักของเสาเข็มการทดสอบกำลังรับน้ำหนักของเสาเข็ม

34. การทดสอบกำลังรับน้ำหนักบรรทุกสถิตศาสตร์ (Static Load Test) • สามารถให้ผลของ กำลังรับน้ำหนักบรรทุก (Pile Capacity) และค่าการทรุดตัว (Settlement) ในช่วงกำลังรับน้ำหนักที่แตกต่างกันได้

35. การทดสอบกำลังรับน้ำหนักบรรทุกแบบพลศาสตร์ (Dynamic Load Test) • สามารถให้ผลของ กำลังรับน้ำหนักบรรทุก (Pile Capacity), ประสิทธิภาพของระบบการตอก (Hammer/Driving System Performance), แรงเค้นที่เกิดขึ้นเนื่องจากการตอก (Driving Stress) และ ความสมบูรณ์ (Shaft Integrity) ของเสาเข็มได้

36. การทดสอบกำลังรับน้ำหนักแบบสถิตย์ศาสตร์ (Static Load Test) • เป็นวิธีการที่ถูกต้องและเชื่อถือได้มากที่สุดในการหากำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็ม • ราคาที่สูงกว่าการทดสอบแบบอื่น ทำให้บางครั้งมีการจำกัดด้านปริมาณ และอาจเลือกวิธีทดสอบแบบอื่นที่นำมาปรับเทียบ (Calibrate) ร่วมกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพและราคาที่เหมาะสมสำหรับโครงการนั้น • ปฏิบัติตามขั้นตอนและรายละเอียดต่างๆสอดคล้องตามมาตรฐาน ASTM D1143-94 และข้อกำหนดเฉพาะของโครงการนั้น (ถ้ามี) • การเริ่มทดสอบหากำลังรับน้ำหนักบรรทุกฯทางสถิตศาสตร์ให้ทดสอบหลังจากการติดตั้งเสาเข็มทดสอบ (Load Test Pile) หรือเสาเข็มสมอ (Anchor Pile) เสร็จสมบูรณ์ทั้งหมดไม่น้อยกว่า 3-21 วัน • ตำแหน่งเสาเข็มทดสอบ (Load Test Pile) และเสาเข็มสมอ (Anchor Pile) ระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของเสาเข็มต้องไม่น้อยกว่า 5 เท่าของขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง และต้องไม่น้อยกว่า 2.4 เมตร เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบของแรงเฉือนด้านข้างเข็มที่ใกล้กันเกินไปและมีทิศทางที่ตรงกันข้าม ทำให้ผลกำลังรับน้ำหนักบรรทุกที่ทดสอบได้มีค่าผิดพลาดไป

37. รายละเอียดของข้อกำหนดต่างๆในการทดสอบ เช่น จำนวนเสาเข็มที่ทดสอบ, ตำแหน่งเสาเข็มที่ทดสอบ, ขั้นตอน/วิธีการทดสอบพิเศษที่เพิ่มเฉพาะของโครงการ, น้ำหนักบรรทุกสูงสุดที่ใช้ทดสอบ, วิธีการให้น้ำหนักบรรทุก, ระยะการทรุดตัวที่ยอมให้ และ/หรือ เกณฑ์การยอมรับเสาเข็มทดสอบที่เป็นผลสำเร็จตามวัตถุประสงค์ทั้งช่วงรับน้ำหนักบรรทุกทดสอบและหลังจากการนำน้ำหนักบรรทุกทดสอบออก (Re-bound) โดยให้ระบุโดยวิศวกรที่มีประสบการณ์

38. วิธีปฏิบัติสำหรับการทดสอบหากำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็ม แบบรับแรงอัดทางสถิตศาสตร์ (Static Compressive Load Test) มีหลากหลายวิธี • เช่นการทดสอบแบบ “Quick Test” ซึ่งเป็นการทดสอบที่เพิ่มขั้นน้ำหนักบรรทุกทีละน้อยในช่วงระยะเวลาสั้นๆ เพื่อที่จะเสร็จสมบูรณ์และได้ผลการทดสอบอย่างรวดเร็ว ขั้นตอนและรายละเอียดต่างๆสอดคล้องตาม ASTM D1143-94 ผลการทดสอบจะได้กราฟการทดสอบน้ำหนักบรรทุก (Load Test Curve) สำหรับการทดสอบแบบ “Quick Test” สามารถใช้ “Davisson Method” ประเมินหาความสามารถในการรับน้ำหนักบรรทุกสูงสุดของเสาเข็ม โดยเป็นกำลังรับน้ำหนักบรรทุกจุดที่ “Pile Elastic Stiffness Curve (PL/AE)” มีระยะออฟเซทออกไปจากกราฟการทดสอบน้ำหนักบรรทุก เป็นระยะ 1/120 ของเส้นผ่าศูนย์กลางเสาเข็มหรือด้านกว้าง,D (หน่วยฟุต) บวกด้วย 0.15 นิ้ว (ระยะออฟเซท เท่ากับ D/120+0.15 นิ้ว) ตัดกับกราฟการทดสอบน้ำหนักบรรทุกพอดี • วิศวกรธรณีเทคนิคอาจเลือกวิธีปฏิบัติสำหรับการทดสอบฯ และการแปลผลด้วยวิธีอื่นๆ ตามวิถีทางปฏิบัติทางวิศวกรรมที่เป็นที่ยอมรับ เมื่อเห็นว่าวิธีดังกล่าวมีความเหมาะสมกับลักษณะชั้นดิน, โครงสร้าง หรือเงื่อนไขเฉพาะในแต่ละโครงการ

39. ทดสอบกำลังรับน้ำหนักแบบพลศาสตร์ (Dynamic Load Test-High Strain) • การทดสอบหากำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มแบบรับแรงทางพลศาสตร์ และการวิเคราะห์เป็นการวัดค่าทางพลศาสตร์ในเสาเข็มภายใต้แรงกระแทก ขณะตอกเสาเข็ม หรือ หลังการตอก (Restrike) และ ใช้หลักการการเคลื่อนที่ของคลื่นความเค้นแบบอีลาสติกใน 1 มิติ การทดสอบเป็นแบบ High Strain Dynamic Test

40. การทดสอบและวิเคราะห์ดังกล่าวให้ผลลัพธ์ของกำลังรับน้ำหนักบรรทุก, ประสิทธิภาพของระบบการตอก (Hammer/Driving System Performance), แรงเค้นที่เกิดขึ้นเนื่องจากการตอก (Driving Stress) และ ความสมบูรณ์ (Shaft Integrity) ของเสาเข็มได้ • การทดสอบหากำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มแบบรับแรงทางพลศาสตร์ (Dynamic Load Test) ให้ปฏิบัติตามขั้นตอนและรายละเอียดต่างๆสอดคล้องตามมาตรฐาน ASTM D4945-89 และข้อกำหนดเฉพาะของโครงการนั้น (ถ้ามี)

41. การทดสอบหากำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มแบบรับแรงทางพลศาสตร์ ผลการทดสอบที่ได้จะเป็นกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มที่เวลาทดสอบใดๆ ซึ่งกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มในดินหลังการติดตั้งเสร็จมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาในช่วงแรกๆ ผลการเพิ่มหรือลดกำลังรับน้ำหนักของเสาเข็มหลังการตอกตามเวลาต่างกัน(Pile Setup or Relaxation) สามารถหาได้ด้วยการทดสอบแบบ Restrike ที่เวลาต่างๆกัน และสามารถรวบรวมทำเป็น Strength-gain curve ในโครงการนั้นๆ เพื่อควบคุมการติดตั้งเสาเข็มต้นอื่นๆที่มิได้ทดสอบให้ได้กำลังรับน้ำหนักบรรทุกตามออกแบบ

42. Low Strain Dynamic Test • ให้ผลลัพธ์ของความสมบูรณ์ของโครงสร้างเสาเข็ม (Pile Structural Integrity) เท่านั้น เป็นการวัดค่าทางพลศาสตร์ในเสาเข็มภายใต้แรงกระแทกด้วยค้อนยาง (Hand-Held Hammer) ที่หัวเสาเข็ม และ การวิเคราะห์ผลใช้หลักการการเคลื่อนที่ของคลื่นความเค้นแบบอีลาสติกใน 1 มิติเช่นกัน ให้ปฏิบัติตามขั้นตอนและรายละเอียดต่างๆสอดคล้องตามมาตรฐาน ASTM D5882-96 และข้อกำหนดเฉพาะของโครงการนั้น (ถ้ามี)