Soil Mechanics : Theory and experiments

การสำรวจชั้นดิน คือกรรมวิธีการเจาะลงไปในชั้นดิน, เก็บตัวอย่างดิน, ทดสอบคุณสมบัติดินในสนาม, หยั่งชั้นดินจากผิวดิน หรือใช้เทคนิคอื่น ๆ เพื่อให้ได้มาซึ่งลักษณะชั้นดินทั้งทางแนวดิ่ง และการเปลี่ยนแปลงทางแนวราบ เพียงพอในการที่จะใช้ออกแบบ หรือศึกษาทางด้านปฐพีกลศาสตร์ ลักษณะการสำรวจชั้นดินจะต้องคำนึงถึงประโยชน์ใช้งานด้วย เช่น งานถนนหรือสนามบิน การสำรวจจะกระทำเพียงตื้นๆ แต่งานฐานรากเสาเข็มต้องสำรวจลงไปลึกกว่าปลายเข็มที่คาดว่าจะใช้งานสำหรับในบทนี้จะพูดถึงการสำรวจโดยวิธีเบื้องต้น โดยใช้ สว่านมือ(Hand Auger) การเจาะล้าง (Wash Boring) และการเก็บตัวอย่างดินโดยใช้กระบอกเปลือกบาง (Thin Walled Tube) รายละเอียดมีดังต่อไปนี้

1. วิธีเจาะสำรวจชั้นดิน (Soil Boring)

การเจาะสำรวจชั้นดินคือการเจาะหลุมลงไปในดินเพื่อดูการเปลี่ยนแปลงของชั้นดินและเก็บตัวอย่างดินมาทำการทดสอบคุณสมบัติในห้องปฏิบัติการโดยทั่วไปการสำรวจชั้นดินที่ใช้มากในประเทศไทย ได้แก่

ก. การเจาะโดยใช้สว่านมือ (Hand Auger) เป็นการเจาะด้วยแรงคน โดยใช้สว่านมือ และก้านเจาะดังรูปด้านล่าง โดยที่ก้านเจาะซึ่งยาวประมาณ 1 เมตร สามารถต่อให้ยาวหลาย ๆ ท่อนได้ เมื่อกดพร้อมๆกับหมุนก้านจนดินเข้ามาเต็มสว่านแล้วจึงดึงขึ้นเพื่อนำดินออก ดินส่วนนี้สามารถนำไปทดสอบคุณสมบัติทางวิศวกรรมบางประเภทได้ การเจาะด้วยสว่านมืออาจทำได้ลึกถึง 6–10 เมตร ในดินเหนียวแข็งปานกลางข้อเสียของการเจาะประเภทนี้คือไม่สามารถเก็บตัวอย่างดินเพื่อนำมาหาคุณสมบัติด้านความแข็งแรงหรือการทรุดตัวของดินได้เนื่องจากโครงสร้างดินถูกทำลายโดยสว่าน

อุปกรณ์สำหรับเจาะสำรวจดิน

สว่านมือสำหรับเจาะสำรวจดิน

ข. การเจาะโดยใช้การฉีดล้าง (Wash Boring) คือการใช้แรงดันน้ำฉีดเจาะทำลายโครงสร้างดินเพื่อให้เกิดหลุม และเกิดการรบกวนดินด้านล่างน้อยที่สุด วิธีการเจาะเริ่มโดยการเจาะชั้นดินโดยการสูบน้ำผ่านก้านเจาะลงไปที่หัวฉีดที่ก้นหลุมพร้อมๆ กับกระแทกหรือหมุนของหัวเจาะ ทำให้ดินก้นหลุมหลุดไหลตามน้ำขึ้นมาบนผิวดินลงในอ่างตกตะกอนแล้วสูบน้ำที่ใสนำไปใช้ได้อีก ดังรูปด้านล่าง วิธีนี้ต้องอาศัยสามขา (Tripod) เครื่องกว้าน (Motor และCatch head) และปั๊มน้ำ ในกรณีที่เจาะในชั้นของดินอ่อน จะต้องใช้ปลอกกันดินพัง (Casing) ด้วย โดยต่อเป็นท่อน ๆ และเมื่อเจาะถึงชั้นทรายจะไหลเข้ามาในหลุมจึงจำเป็นต้องผสมสารเบนโทไนต์ (Bentonite) ลงไปกับน้ำ เนื่องจากเบนโทไนต์คือแร่ชนิด(Montmollionite) มีความสามารถในการดูดน้ำดีและพองตัวได้มาก ทำให้ความหนาแน่นของน้ำภายในหลุมมากกว่าน้ำในชั้นทราย น้ำจึงไม่ไหลเข้าในหลุม การเจาะประเภทนี้สามารถหยุดเพื่อเก็บตัวอย่างดินได้เป็นระยะ ๆ ตามกำหนด การเจาะสำรวจในกรุงเทพฯ เพื่อก่อสร้างอาคารจะเจาะสำรวจตั้งแต่ 30-80 เมตร ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับน้ำหนักของอาคาร

การเจาะดินแบบฉีดล้าง

2. วิธีเก็บตัวอย่างดิน (Soil Sampling)

การเก็บตัวอย่างดินมักเป็นเรื่องละเอียดอ่อน และต้องการความระมัดระวังและความชำนาญที่จะให้ได้ตัวอย่างดินที่มีคุณภาพ ตัวอย่างดินมักแยกออกได้เป็น 2 ลักษณะ คือ

ก. ตัวอย่างดินคงสภาพ (Undisturbed Sample) คือตัวอย่างดินที่ถูกเก็บขึ้นมาโดยมีสภาพใกล้เคียงสภาพธรรมชาติ ได้แก่ ตัวอย่างดินที่เก็บได้จากกระบอกเปลือกบางที่มีขนาดตั้งแต่ 3 นิ้วขึ้นไป, กระบอกแบบลูกสูบ (Piston Sampler) หรือกระบอกเก็บตัวอย่างแบบ 2 ชั้น เป็นต้น ซึ่งมีการกระทบกระเทือนชั้นดินน้อยที่สุด คือ มีความชื้น ความหนาแน่น ลักษณะโครงสร้างไม่มีการเปลี่ยนแปลง เช่นเดียวกับเมื่ออยู่ในชั้นดินเดิม ถือว่าเป็นตัวอย่างดินที่มีคุณภาพดีที่สุด และสามารถใช้ทดสอบคุณสมบัติต่าง ๆ ในห้องทดลองได้เกือบทุกอย่าง

Undisturbed Sampling

ข. ตัวอย่างเปลี่ยนสภาพ (Disturbed Sample) ได้แก่ ตัวอย่างดินที่เก็บได้จากกระบอกผ่า (Split Spoon) ในการตอกทดลอง หรือกระบอกเปลือกบาง (Thin Wall หรือ Shelby Tube)ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็ก จะได้ตัวอย่างดินที่มีการเปลี่ยนสภาพไปบ้าง เช่นมีการอัดแน่น หรือ การจับตัวตามธรรมชาติถูกทำลายเพราะแรงกระแทกแต่อาจใช้ในการทดลองได้บางอย่างเช่น Atterberg’s limit,การหาขนาดเม็ดดิน

Split-Spoon Sampler

3. วิธีการทดสอบคุณสมบัติดินในสนาม (Field test)

ในระหว่างการเจาะสำรวจชั้นดินมักมีการทดสอบคุณสมบัติดินในสนามไปพร้อมๆ กัน เช่น การหากำลังความต้านทานของชั้นดิน, การหาค่าความซึมน้ำ เป็นต้น ข้อดีของการทดสอบในสนาม คือ ชั้นดินจะถูกรบกวนน้อยที่สุดเพราะยังคงอยู่ในที่ และยังมีสภาพแวดล้อมต่างตามจริง แต่ทดสอบโดยใช้เครื่องมืออย่างละเอียดเหมือนในห้องทดลองทำได้ยาก ดังนั้นผลการทดสอบที่ได้จึงเป็นค่าที่ถูกต้องในระดับหนึ่ง ผู้นำผลไปใช้จะต้องพิจารณาใช้ให้เหมาะสม การทดสอบในหลุมเจาะที่ทำกันเป็นส่วนมากได้แก่

ก. Standard Penetration test (SPT) หรือการตอกทดลองมาตรฐานเป็นการตรวจสอบความแข็งแรงของชั้นดินที่นิยมที่สุดในประเทศไทย การทดสอบดำเนินการร่วมไปกับการเก็บตัวอย่างโดยกระบอกผ่า หลักการทดสอบคือ เมื่อเจาะดินถึงระดับที่ต้องการทราบความแข็งแรง กระบอกผ่าจะถูกตอกลงไปในดินเป็นความลึก 18 นิ้ว โดยใช้ลูกตุ้มขนาดมาตรฐานหนัก 140 ปอนด์ ยกสูง 30 นิ้ว ระยะจม 18 นิ้ว ถูกแบ่งเป็น 3 ช่วง ช่วงละ 6 นิ้ว แต่ละช่วงจะทำการบันทึกจำนวนครั้งที่ใช้ในการตอกเพื่อให้กระบอกผ่าจมลงไป 6 นิ้ว ดังนั้นถ้าชั้นดินเป็นดินแข็งจะต้องให้พลังงานในการตอกมากหรือใช้จำนวนครั้งในการตอกมากนั่นเอง จำนวนการตอกใน 6 นิ้ว แรกจะไม่นำมาใช้เนื่องจากสภาพดินกันหลุมอาจถูกรบกวนจากการเจาะสำรวจมากทำให้ความแข็งแรงของดินเปลี่ยนไปจำนวนการตอกในช่วงที่เหลือจำนำมารมกันให้ได้ค่าจำนวนครั้งการตอกมาตรฐานหรือค่า N ดังกล่าวไปใช้ในการออกแบบต่อไป

การทดสอบ SPT เหมาะสำหรับการทดสอบ ดินเหนียวแข็งถึงแข็งมากและทรายแน่น (Stiff Clay, Hard Clay และ Dense Sand) แต่ไม่เหมาะสำหรับดินเหนียวอ่อน ถึงแข็งปานกลางและทรายหลวม (Soft Clay, Medium Clay และ Loose Sand) ทั้งนี้เพราะดินอ่อนไม่สามารถต้านพลังงานจากการตอกได้ บางครั้งการตอกครั้งเดียว การบอกผ่าอาจจมลงไปมากกว่า 18 นิ้ว

ข. Vane Shear Test โดยใช้ใบมีด 4 แฉกเสียบลงในชั้นดิน แล้วบิดด้วยโมเมนต์บิด (Torque) จากผิวดินผ่านก้านต่อลงไปเฉือนชั้นดิน เป็นรูปทรงกระบอกแล้วสามารถวัดแรงต้านทานของชั้นดินได้

Vane Shear Test

ค. วัดการซึมน้ำ (Permeability Test) หรือความดันของน้ำใต้ดิน (Pore Water Pressure) โดยอาศัยการสูบน้ำออกแล้วดูอัตราการไหลของน้ำเข้ามาแทนที่ในหลุมเจาะ หรือฝังเครื่องวัดที่เรียกว่า “Piezometer” เพื่อวัดแรงดันน้ำที่ระดับที่ต้องการ

4. วิธีหยั่งชั้นดิน (Sounding Method)

มักเป็นการตอกหรือกดหัวโลหะผ่านก้านต่อ แล้ววัดแรงต้านทานของชั้นดิน เช่น การตอกทดลองมาตรฐาน (Standard Penetration Test),Dutch Cone Penetration,, Swedish Sounding เป็นต้น



การทดสอบ Dutch Cone Penetration

5. วิธีทางธรณีฟิสิกส์ (Geophysical Method)

อาศัยหลักทางฟิสิกส์ เช่น การวัดความต้านทานของชั้นดิน (Resistivity Survey) และวัดความเร็วของคลื่นผ่านชั้นดิน (Seimic Survey) ทั้งสองวิธี มักใช้ควบคู่กับการเจาะสำรวจ เพื่อเพิ่มข้อมูลเพิ่มเติมในระหว่างหลุมเจาะ



การวัดความต้านทานของชั้นดิน

เชิดพันธุ์ อมรกุล และ ผศ.ดร.สุทธิศักดิ์ ศรลัมพ์

ศูนย์วิจัยและพัฒนาวิศวกรรมปฐพีและฐานราก ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์