การสำรวจชั้นดินและวัตถุประสงค์ของการสำรวจชั้นดิน

โครงสร้างต่างๆ จะมีความมั่นคง ปลอดภัย แข็งแรง ต้องรองรับด้วยฐานรากที่มั่นคง แข็งแรง ในการออกแบบฐานรากให้มีความปลอดภัยอย่างเพียงพอนั้น การสำรวจชั้นดินมีบทบาทสำคัญเป็นอย่างมาก ที่จะทำให้วิศวกรสามารถออกแบบฐานรากได้อย่างปลอดภัยตามหลักวิศวกรรมและก่อ สร้างได้ในราคาประหยัด โดยทั่วไปราคางานสำรวจดินควรอยู่ระหว่าง 0.1 – 0.5 % ของ ราคางานก่อสร้างทั้งหมด สำหรับขอบเขตและรายละเอียดของงานที่จะทำการสำรวจนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของ โครงการ และสภาพของชั้นดิน โดยวิศวกรออกแบบควรเป็นผู้กำหนดรายละเอียดของการสำรวจชั้นดินเพื่อให้ได้ ข้อมูลที่จำเป็นต่อการวิเคราะห์และออกแบบอย่างเพียงพอ

1.1 การสำรวจชั้นดิน (Subsurface exploration)
สภาพชั้นดินในหลายพื้นที่ของประเทศไทยนั้นอาจมีความแปรปรวน ของชั้นดิน ทำให้สภาพพื้นที่แตกต่างไปจากพื้นที่ทั่วไป เช่น มีชั้นทรายหลวมผิดปกติ มีชั้นดินเหนียวอ่อน หรือ ระดับความลึกของชั้นดินที่แข็งแรงมีความผันแปรสูง เป็นต้น จากสภาพของชั้นดินดังกล่าว อาจทำให้ฐานรากเกิดการวิบัติได้ ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายอย่างคาดไม่ถึง ดังนั้นเจ้าของโครงการที่ดีจึงต้องจัดให้มีการเจาะสำรวจดินอย่างเพียงพอ เพื่อให้การออกแบบสิ่งก่อสร้างต่างๆ เป็นไปอย่างละเอียดรอบครอบ ถูกต้องตามหลักวิศวกรรม

1.1.1 วัตถุประสงค์ของการสำรวจชั้นดิน

• เลือกชนิดและความลึกของฐานรากที่เหมาะสมกับโครงสร้าง ถ้าขาดการสำรวจชั้นดินอย่างเพียงพอ จะทำให้เกิดการสูญเสียได้มาก เช่นในรูปจะเห็นได้ว่าเสาเข็มโผล่สูงเหนือดินเมื่อกำหนดความยาวเสาเข็มมากเกินไป ถ้าวิศวกรมีข้อมูลการเจาะสำรวจชั้นดินจะสามารถกำหนดความยาวของเสาเข็มที่ เหมาะสมได้ ทำให้ไม่เกิดการสูญเสียดังกล่าว


• ได้ค่าตัวแปรต่างๆ ของดินสำหรับใช้ คำนวณกำลังรับน้ำหนักของฐานราก การทรุดตัวของฐานราก และคำนวณเสถียรภาพความลาดของดิน

• ทราบปัญหาของชั้นดินล่วงหน้า เช่น expansive soil collapsible soil เป็นต้น

• รู้ระดับน้ำใต้ดิน ระดับของน้ำใต้ดินมีผลต่อการกำหนดชนิดของฐานราก ในกรณีที่น้ำใต้ดินอยู่สูงกว่าระดับฐานราก การใช้ฐานรากแผ่ที่ระดับความลึก 2-3 เมตรจากผิวดิน อาจมีปัญหาได้เนื่องจากเมื่อเปิดหน้าดินเพื่อทำงานฐานราก น้ำใต้ดินจะไหลเข้าสู่พื้นที่ก่อสร้างได้ ซึ่งทำให้การก่อสร้างล่าช้าได้ และโครงการอาจต้องเสียค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างสูงขึ้นอีกด้วย ถ้าวิศวกรทราบปัญหาล่วงหน้าก็จะสามารถเตรียมการแก้ปัญหาได้ล่วงหน้า เช่น เลือกใช้ฐานรากเสาเข็มแทนฐานรากแผ่ ซึ่งสามารถกำหนดระดับของคอนกรีตรัดหัวเสาเข็มให้สูงขึ้นจนพ้นระดับน้ำได้ เป็นต้น

• ได้ค่าตัวแปรต่างๆ ของดินสำหรับใช้คำนวณแรงดันด้านข้างของดิน ในการออกแบบโครงสร้างกันดินนั้น ไม่ว่าจะเลือกใช้โครงสร้างเป็นเสาเข็มพืด diaphragm wall หรือ secant pile wall การ คำนวณแรงดันด้านข้างที่จะเกิดขึ้นจริงได้ถูกต้อง จะทำให้วิศวกรสามารถคำนวณออกแบบโครงสร้างกันดินได้อย่างถูกต้อง และสามารถคาดคะเนการเคลื่อนตัวของโครงสร้างได้ถูกต้อง

• สามารถเลือกวิธีการก่อสร้างที่เหมาะสมกับลักษณะชั้นดิน เช่น เลือกใช้เสาเข็มยาวสำหรับพื้นที่ในกรุงเทพฯ ซึ่งส่วนใหญ่สภาพดินจะมีชั้นดินเหนียวอ่อนความหนามากกว่า 10 เมตร และสำหรับพื้นที่ ที่เป็นชั้นดินดาน หรือทรายแน่น อาจพิจารณาเลือกใช้ฐานรากแผ่ เป็นต้น

1.1.2 ขั้นตอนของการสำรวจชั้นดิน

ขั้นตอนที่ 1 การสำรวจผิวดิน (Surface Survey)

คือการสำรวจและศึกษาสภาพภูมิประเทศและประวัติความเป็นมาของการเกิดดินในบริเวณโครงการ เพื่อวางแผนเจาะสำรวจชั้นใต้ดินต่อไป

ขั้นตอนที่ 2 การสำรวจชั้นดินหรือใต้ผิวดิน (Subsurface Survey)

คือการสำรวจและศึกษาสภาพธรรมชาติของชั้นดิน ระดับน้ำใต้ดิน เพื่อให้ทราบถึงคุณสมบัติของดิน แบ่งเป็น 2 ขั้นตอนคือ

1) Preliminary Exploration

ประกอบด้วยการรวบรวมข้อมูลของสิ่งปลูกสร้าง ได้แก่ รูปแบบของโครงสร้าง ลักษณะการใช้งานและน้ำหนักของโครงสร้างที่ลงบนฐานราก ในขั้นตอนนี้จะทำการเจาะดินเพียงไม่กี่หลุม และเก็บตัวอย่างดินมาทดสอบเพื่อหาคุณสมบัติของดินคร่าว ๆ เพื่อทราบถึงการเปลี่ยนแปลงของชั้นดิน ระดับน้ำใต้ดิน และกำลังความแข็งแรงของชั้นดินนั้นๆ สำหรับโครงการขนาดเล็กและสภาพชั้นดินไม่มีการเปลี่ยนแปลงมากนัก การสำรวจชั้นดินจะเสร็จสิ้นที่ขั้นตอนนี้

2) Detail Exploration

เป็นขั้นตอนที่ต้องการรายละเอียดของข้อมูลดินมากขึ้น มีการเจาะดินมากขึ้น มีการทดสอบดินในห้องปฏิบัติการและอาจมีการทดสอบดินในสนาม

โดยทั่วไปขั้นตอนนี้เป็นขั้นตอนที่สำคัญของโครงการใหญ่ ๆ หรือเมื่อสภาพชั้นดินมีการเปลี่ยนแปลงมากในแต่ละบริเวณภายในโครงการ
ข้อมูลจากการสำรวจดิน

เมื่อทำการสำรวจดินแล้ว ข้อมูลที่ได้จากการสำรวจดินควรประกอบด้วย

1.) สภาพภูมิประเทศของที่ตั้งโครงการ เช่น แนวร่องน้ำ สภาพผิวดิน ทางเข้าออกโครงการ เป็นต้น ทางเข้าออกของโครงการนั้นมีผลต่อการเลือกชนิดและความยาวของเสาเข็ม ถ้าเส้นทางมีปัญหาต่อการขนส่งเสาเข็ม เช่น ทางเลี้ยวเข้าโครงการแคบวิศวกรอาจต้องเลือกใช้เสาเข็มสองท่อนต่อเชื่อมใน กรณีของเข็มตอก หรืออาจต้องเปลี่ยนฐานรากเป็นเสาเข็มเจาะแทน

2.) ตำแหน่งของวัตถุที่ฝังอยู่ใต้ดิน เช่น สายโทรศัพท์ ท่อน้ำ เป็นต้น ในการตอกเสาเข็ม หรือขุดเปิดหน้าดินนั้น ผู้รับเหมาต้องระมัดระวังสายโทรศัพท์ และท่อประปาเป็นอย่างมาก ถ้าเกิดความเสียหายขึ้นแล้ว นอกจากต้องเสียค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมแล้ว ยังจะทำให้ต้องใช้เวลาในการก่อสร้างยาวนานขึ้น อย่างไรก็ตาม ตำแหน่งของสาธารณูปโภคต่างๆเหล่านี้ อาจไม่สามารถหาข้อมูลได้อย่างชัดเจนเพียงพอ

3.) สภาพการเกิดของดินทางธรณีวิทยา

4.) ประวัติความเป็นมาของการใช้พื้นที่ เช่น ตึกในอดีต สะพานเก่า เป็นต้น วิศวกรสามารถสอบถามจากประชาชนในพื้นที่และศึกษาจากประวัติของชุมชน ถ้าชุมชนนั้นเป็นชุมชนเก่าแก่อยู่มายาวนาน มีโอกาสที่จะมีฐานรากของสะพานเก่าอยู่ใต้สะพานที่สร้างใหม่สูงกว่า สะพานที่สร้างในชุมชนที่เกิดขึ้นใหม่

5.) ปรากฏการณ์พิเศษที่เคยเกิดขึ้น เช่น การเกิดแผ่นดินไหว การเกิดน้ำท่วม เป็นต้น

6.) ตำแหน่ง คุณภาพ และปริมาณของวัสดุก่อสร้าง เช่น หิน ทราย ดินลูกรัง ปูนซีเมนต์ เป็นต้น การหาแหล่งวัสดุได้ใกล้กับสถานที่ก่อสร้าง จะช่วยลดต้นทุนในการขนส่งวัสดุลง ทำให้มีกำไรเพิ่มขึ้น

7.) กรณีโครงการใกล้แม่น้ำหรือทะเล ควรทราบระดับน้ำต่ำสุด สูงสุด ความเร็วของกระแสน้ำ ซึ่งเป็นข้อมูลพื้นฐานสำหรับใช้ในการออกแบบฐานราก และวิเคราะห์เสถียรภาพความลาด

8.) ข้อมูลลักษณะของชั้นดิน และระดับน้ำใต้ดิน

9.) ผลการทดสอบดินทางวิศวกรรม สำหรับใช้ในการออกแบบฐานราก

10.) ผลการวิเคราะห์ด้านเคมีของชั้นดิน และน้ำใต้ดิน เพื่อศึกษาถึงผลกระทบที่มีต่อโครงสร้าง

1.2.3 การวางผังหลุมเจาะ

นิยมวางเป็น GRID และกำหนดความลึกในช่วงความลึกประมาณ 1.5 เท่าของความกว้างของพื้นที่ที่รับแรงกระทำ โดยที่ระดับดังกล่าวน้ำหนักบรรทุกที่กระทำจะเหลือเพียง 20 % ของน้ำหนักบรรทุกทั้งหมด นอกจากนี้ ASCE (American Society of Civil Engineers,1972) ได้กำหนดวิธีสำหรับคำนวณความลึกของหลุมเจาะดังนี้

1.) คำนวณหน่วยแรงที่เพิ่มขึ้น ( Ds ) ใต้ฐานรากตามความลึก ดังรูป


2.) คำนวณค่าหน่วยแรงประสิทธิผล ( ) ตามความลึก

3.) คำนวณความลึก D = D1 ที่ค่าหน่วยแรงที่เพิ่มขึ้น ( Ds ) = 0.1q (โดย q = หน่วยแรงที่กระทำบนฐานราก)

4.) คำนวณความลึก D = D2 ที่ D s / = 0.05

5.) ค่าที่น้อยระหว่าง D1 และ D2 คือความลึกต่ำสุดของหลุมเจาะที่ต้องการยกเว้นกรณีมีชั้นหินแข็งอยู่ใต้ฐานรากให้เจาะถึงชั้นดินแข็ง

สำหรับอาคารที่กว้าง 30.5 เมตร Sowers and Sowers (1970) ได้แนะนำความลึกของหลุมเจาะไว้ตามตารางที่ 1.2 นอกจากนี้ วสท .(2545) ได้แนะนำความลึกของหลุมเจาะสำหรับการเจาะสำรวจในกรุงเทพและปริมณฑลดังตาราง ที่ 1.3 โดยจำนวนหลุมเจาะจะขึ้นอยู่กับ

1) ขนาดของโครงการและงบประมาณที่ได้รับ ถ้าเป็นโครงการขนาดใหญ่มีงบประมาณมาก จำนวนหลุมเจาะก็จะมาก

2) ลักษณะของพื้นที่ และลักษณะของโครงสร้าง ถ้าพื้นที่มีระดับเกือบเท่ากัน ควรเจาะอย่างน้อย 3 หลุม ถ้าพื้นที่ สูงๆ ต่ำๆ ควรเจาะเพิ่มขึ้นเป็น 5 หลุม โดยสามารถใช้ระยะห่างระหว่างหลุมเจาะที่เหมาะสมได้ตามลักษณะของโครงการดังแสดงในตารางที่ 1.4

3) ความแปรปรวนของสภาพดินในแนวราบ ถ้าดินมีความแปรปรวนมาก จำนวนหลุมที่เจาะสำรวจจะต้องเพิ่มมากขึ้น


ตารางที่ 1.2 ความลึกของการเจาะสำรวจ



ตารางที่ 1.3 ความลึกของหลุมเจาะที่ใช้เป็นแนวทางในการเจาะสำรวจในเขต กทม . และปริมณฑล



ตารางที่ 1.4 ระยะห่างของหลุมเจาะโดยประมาณ


ตัวอย่างดินคงสภาพ (Undisturbed Sample) เป็น ตัวอย่างดินที่มีโครงสร้างแบบไม่เปลี่ยนแปลง มีสภาพใกล้เคียงกับธรรมชาติ เป็นตัวอย่างดินที่ได้จากกระบอกเก็บตัวอย่างแบบเปลือกบาง (Thin Wall Tube) เมื่อเก็บตัวอย่างดินจากหลุมแล้วต้องปาดหน้าตัวอย่างดินปลายกระบอกด้านล่างให้เรียบ แล้วหุ้มปิดปลายด้วยแผ่นพลาสติกบางใส (wrapping paper) 2-3 ชั้น แล้วใช้เทปพันยึดแผ่นพลาสติกไว้รอบกระบอกเหล็ก ส่วนปลายด้านบน ต้องคว้านเศษดินออกทิ้งจนถึงเนื้อดินตามธรรมชาติแล้วจึงเทด้วยขี้ผึ้ง (wax) ร้อนๆ ลงไปผนึกปิดเต็มผิวหน้า หนาประมาณ 0.5 ซม. ในการขนย้ายตัวอย่าง ต้องห่อหุ้มด้วยของอ่อนนุ่มเพื่อป้องกันการกระทบกระเทือนของตัวอย่างดินก่อน การทดสอบ ตัวอย่างดินประเภทนี้สามารถทดสอบคุณสมบัติทางวิศวกรรมได้เช่นเดียวกับ ตัวอย่างดินแปรสภาพ (Disturbed Sample ) และยังสามารถทดสอบ การยุบอัดตัว (Consolidation Test) กำลังของดิน (Shear Strength) ฯลฯ ได้อีกด้วย