เสาเข็ม (Pile) สามารถต้านทานน้ำหนักอาคารได้โดยมี 2 กลไกหลัก คือ ความฝืดหรือแรงเสียดทาน (Friction) กับ แรงแบกทาน (End bearing) ดังนั้นรูปร่างหน้าตัดของเสาเข็มกับความยาวของเสาเข็ม ตลอดจนวัสดุท่ีใช้ทําเสาเข็ม จึงมีผลต่อการรับหนักนักของเสาเข็มด้วย
แรงฝืดหรือกําลังแบกทานของดิน จะกระทำระหว่างผิวเสาเข็มกับดินท่ีล้อมรอบ ส่วนแรงแบกทานท่ีปลายเสาเข็มเกิดจากน้ำหนักของอาคารถ่ายลงฐานราก แล้วถ่ายต่อลงไปยังเสาเข็ม ซึ่งวางอยู่บนช้ันดินแข็งหรือชั้นหิน เสาเข็มจะถ่ายน้ำหนักผ่านพื้นท่ีภาคตัดขวางของปลายเสาเข็ม (End bearing) สู่ช้ันดินแข็งหรือชั้นหินที่รองรับ เสาเข็มนิยมใช้จึงมักเป็นรูปหน้าตัดกลมหรือสี่เหลี่ยม โดยอาจเป็นหน้าตัดทึบตัน (Solid) หรือกลวง (Hollow) ก็ได้
นอกเหนือจากการรับน้ำหนักหรือถ่ายน้ำหนักอาคาร ซึ่งส่วนใหญ่เป็นน้ำหนักตามแนวดิ่ง (Vertical load) แล้วเสาเข็มยังอาจต้านทานแรงประเภทแรงเฉือนหรือแรงดึง เช่น ใช้เสาเข็มต้านทานไม่ให้โครงสร้างล้มหรือยกตัวเนื่องจากแรงดันน้ำในดิน (Uplift) หรือแรงทางด้านข้าง เช่น แรงลม แรงแผ่นดินไหว เป็นต้น
รูปจาก http://www.understandconstruction.com/pile-foundations.html
การวิบัติของเสาเข็ม
การวิบัติของเสาเข็ม จะเกิดขึ้นได้เมื่อรับน้ำหนักบรรทุกเกินผลรวมของกำลังรับน้ำหนักบรรทุกที่ปลาย กับกำลังรับน้ำหนักบรรทุกที่ผิวของเสาเข็ม แต่ในความเป็นจริงแล้ว แรงต้านจะเกิดขึ้นเมื่อเสาเข็มถูกกระทำจนเกิดการเคลื่อนที่ แรงต้านที่ผิวจะเกิดเมื่อเสาเข็มเคลื่อนตัว 5-10 มม. แต่แรงต้านที่ปลายต้องการการเคลื่อนที่ที่สูงกว่ามาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากเป็นเสาเข็มเจาะ อาจสูงถึงร้อยละสิบของขนาดเสาเข็ม ดังนั้น ในการออกแบบจึงมักประมาณกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มจากแรงเสียดทานเท่านั้น ยกเว้นในกรณีที่ตัวเสาเข็มอยู่ในชั้นดินอ่อนและปลายอยู่ในชั้นดินแข็งอย่างชัดเจนจึงนำกำลังรับน้ำหนักบรรทุกที่ปลายมาคำนวณด้วย
กำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มตอก (Driven Pile Bearing Capacity)
ในปัจจุบันเสาเข็มคอนกรีตไม่ว่าจะเป็นเสาเข็มตอกหรือเสาเข็มเจาะ มักจะได้รับความนิยมมากกว่าเสาเข็มชนิดอื่นๆ พื้นที่ปลายและพื้นที่ผิวของเสาเข็มซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญของการคาดคะเนกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มสามารถหาได้ง่ายขึ้น
การออกแบบฐานรากเสาเข็มมีความซับซ้อนกว่าการออกแบบฐานรากแผ่ ประเด็นที่ควรใส่ใจเป็นพิเศษก็คือ
- กระบวนการก่อสร้างเสาเข็มทำให้สภาพของดินแตกต่างไปจากสภาพในช่วงของการเจาะสำรวจ
- การสัมผัสระหว่างเสาเข็มกับดินซับซ้อนกว่า
การคาดคะเนกำลังเสาเข็มตอกจากคุณสมบัติของดิน
ในการคาดคะเนกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็ม ขั้นแรกต้องจำแนกประเภทดินก่อน เนื่องจากวิธีการสำหรับคาดคะเนจะแบ่งเป็นสองกลุ่มคือ
- ดินที่ไม่มีแรงยึดเหนี่ยว (Cohesionless Soil) หรือทรายสะอาด (Clean Sand) เนื่องจากดินประเภทนี้มีโอกาสน้อยมากที่จะเกิดแรงดันน้ำในช่องว่างส่วนเกิน (Excess Pore Water Pressure) หลังการตอกเสาเข็ม การคำนวณจึงใช้ค่าความแข็งแรงในสภาพระบายน้ำ (Drained Strength)
- ดินที่มีแรงยึดเหนี่ยว (Cohesive Soil) หรือดินเหนียวอิ่มตัว (Saturated Clay) ดินประเภทนี้จะเกิดแรงดันน้ำในช่องว่างส่วนเกิน (Excess Pore Water Pressure) เนื่องจากการตอกเสาเข็มซึ่งต้องใช้เวลาระยะหนึ่งกว่าจะระบายออกหมด หากพิจารณาเฉพาะน้ำหนักบรรทุกตายตัวของอาคาร ขบวนการก่อสร้างอาคารซึ่งใช้เวลานานอาจทำให้การระบายดังกล่าวสิ้นสุดลง และพฤติกรรมความแข็งแรงของดินจะเป็นแบบระบายน้ำ (Drained Strength) แต่ในความเป็นจริง อาคารต้องรับน้ำหนักจรซึ่งกระทำให้เสาเข็มเคลื่อนตัวลง ดินที่ปลายเสาเข็มจึงเกิดแรงดันน้ำในช่องว่างส่วนเกินอีก ดังนั้นกำลังรับน้ำหนักบรรทุกที่ปลายเสาเข็มจึงต้องวิเคราะห์ดินในแบบไม่ระบายน้ำ (Undrained Strength) แต่ในกรณีของแรงเสียดทานที่ผิวเสาเข็มจะมีสภาพแตกต่างกัน การเคลื่อนตัวของเสาเข็มเนื่องจากน้ำหนักบรรทุกจรไม่ทำให้เกิดแรงดันน้ำในช่องว่างส่วนเกินหรือเกิดน้อยมาก เนื่องจากดินไม่ได้ถูกบีบอัด ดังนั้นกำลังรับน้ำหนักบรรทุกที่ผิวเสาเข็มจึงต้องวิเคราะห์ดินในแบบระบายน้ำ (Drained Strength)
แหล่งข้อมูล – ภาควิชาวิศวกรรมโยธา มหาวิทยาลัยขอนแก่น
