Differential Settlement การพังของโครงสร้างที่ทรุดต่างกัน

สําหรับการออกแบบฐานรากที่รองรับโครงสราง หากเกิดมีการทรุดตัวไมเทากัน (Differential Settlement) ระหวางสองจุดใดๆ ในโครงสรางมากเกินไป อาจจะทําใหโครงสรางเกิดความเสียหายได อันเนื่องมาจากโมเมนตที่เพิ่มขึ้น การทรุดตัวไมเทากันก่อใหเกิดปญหาไดมากกวาการทรุดตัวสม่ำเสมอ (Uniform Settlement) โดยทําใหโครงสรางเกิดการบิด(Distortion) กอใหเกิดผลที่ตามมาคือ เกิดรอยแตกตามกําแพง พื้น และชิ้นสวนอื่นๆ เมื่อมีปริมาณมากๆ จะทําใหโครงสรางแยกออกจากกัน และนําไปสูการวิบัติตอไป บทความนี้ไดเสนอแนวทางการประเมินการทรุดตัวไมเทากัน รวมถึงเสนอวิธีลดการทรุดตัวไมเทากันของโครงสราง

In design of foundations for a structure, if there is a large differential settlement between two columns or various part of a structure, damage may occur due to developed additional moments. Differential settlement is more harmful to a structure than uniform settlement because it distorts the structure. Differential settlement causes cracking in walls, floors, and other members. The failure of a structure may occur if the amount of differential settlement is excessive. This paper presents the evaluation method for differential settlement on a structure including methods of remedying differential settlement problems.

ฐานรากที่วางบนชั้นดินตางๆ ยอมเกิดการทรุดตัว ขึ้นไดเมื่อเวลาผานไป โดยปริมาณและรูปแบบการทรุดตัวของฐานรากแตละแบบจะมีความแตกตางกันไป เชน ฐานรากตื้น (Shallow Foundation) ยอมทรุดตัวไดมากกวาฐานรากเสาเข็ม (Pile Foundation) หรือแมแตฐานรากเสาเข็มที่มี ความยาวตางกันก็ทรุดตัวไมเทากันได วิศวกรโยธาตองเรียนรูที่จะปองกันระบบฐานรากไมใหผลของการทรุดตัวถึง ขีดสุดที่ใชงานได (Serviceability limit states) ดังแสดงใน ตารางที่ 1

ในทางวิศวกรรมโยธาไดจําแนกลักษณะของการทรุดตัว ไวเปน 2 แบบ คือ

1. การทรุดตัวทั้งหมด (Total Settlement) คือ ขนาด การเคลื่อนที่ลงของอาคารหรือดินถม

2. การทรุดตัวไมเทากัน (Differential Settlement) คือ ขนาดความแตกตางกันระหวางการทรุดตัวของบริเวณสองแหง

2. ลักษณะความเสียหายและสาเหตุของการทรุดตัว

2.1 ความเสียหายจากการทรุดตัวทั้งหมด หรือการทรุดตัว แบบสม่ำเสมอ มักเกิดจากขีดจํากัดของการระบายน้ำ ทําใหเกิดความเสียหายตอโครงสรางขางเคียง และระบบสาธารณูปโภค แมวาการทรุดตัวจะเกิดขึ้นสม่ำเสมอหรือเกือบสม่ำเสมอ แตหากมีคามากก็สามารถทําใหเกิดปญหาได เชน การทรุดตัว ในบริเวณใกลแมน้ำลําธาร อาจทําใหเกิดน้ำทวมในชวงที่ระดับน้ำสูงขึ้น การคํานวณหาปริมาณการทรุดตัวทั้งหมด ตองอาศัยพื้นฐานการคํานวณทางดานวิศวกรรมปฐพี ซึ่ง สามารถศึกษาเพิ่มเติมไดจากหนังสือวิศวกรรมปฐพี และปฐพีกลศาสตรทั่วไป

2.2 ความเสียหายจากการทรุดตัวที่ไมเทากัน วิศวกรออกแบบโครงสรางที่วางอยูบนฐานรากโดยคํานวณการทรุดตัวของโครงสรางไวเปนอยางดี และคาด หวังวาจะมีการทรุดตัวเทากันในทุกๆ จุดของโครงสราง แตในความเปนจริงแลวนั้นกลับไมเปนตามที่คำนวณไว โดย พบวา บางตําแหนงกลับทรุดตัวนอย แตบางแหงกลับทรุดตัวมาก นั่นคือ เกิดการทรุดตัวไมเทากัน

การทรุดตัวไมเทากัน (δD) หมายถึง ผลตางของการทรุดตัวจริงระหวางฐานราก 2 ฐาน หรือระหวาง 2 จุดในฐานรากเดียวกัน การทรุดตัวไมเทากันกอใหเกิดผลเสีย และสงผลกระทบคอนขางรุนแรงมากกวาการทรุดตัวสม่ำเสมอ เนื่องจากการทรุดตัวไมเทากันมักจะทําใหโครงสรางเกิดการบิด (Distortion) ซึ่งผลที่ตามมาคือ เกิดรอยแตกตามกําแพง พื้น และชิ้นสวนอื่นๆ เปด/ปดประตูหนาตางไมได หรือเกิดปญหาเรื่องความสวยงามทางสถาปตยกรรม เปนตน การทรุดตัวไมเทากันที่มากเกินไปจะทําใหโครงสรางแยกออกจากกัน และนํา ไปสูการวิบัติตอไป โดยทั่วไปการทรุดตัวไมเทากันจะแสดงอาการขั้น แรกที่ผนังกออิฐกอน โดยเริ่มเกิดการราวเปนเสนทแยง มุมประมาณ 45 องศากับแนวราบ จากนั้นรอยราวจะกวางขึ้น และยาวขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดอาจจะเกิดการวิบัติของโครงสรางตรงรอยเชื่อมระหวางคานกับเสาและที่หัวเสา ซึ่งธรรมชาติของการทรุดตัวไมเทากันทําใหเกิดผลเสียหายไดหลายประการ คือ

(ก) ทําใหโครงสรางเอียง กรณีที่โครงสรางเอียงไม มากจะทําใหสังเกตไมเห็น และไมทําให ประโยชนใชสอยของโครงสรางลดลง แตถาเกิดการเอียงที่มากกวา 1 : 250 จะสามารถสังเกตเห็นไดดวยตาเปลา

(ข) การทรุดตัวไมเทากันทําใหเกิดรอยราว รูปทรงทางสถาปตยกรรมเสียหาย หากการทรุดตัวไมเทากันมากขึ้น บานประตูและหนาตางจะเสียรูปทรงจนกระทั่งไมสามารถใชงานได พื้นและบันไดแตกหักเสียหาย และทําใหกระจกหนา ตางแตก ในขั้นนี้ประโยชนการใชสอยของอาคารจะลดลงอยางมาก

(ค) การทรุดตัวไมเทากันที่มีคามาก อาจทําใหรอยราวของโครงสรางแผขยายออกไปมากยิ่งขึ้น จนกระทั่งโครงสรางทั้งหมดเสียหาย และโครงสรางจะพังทลายลงโดยงายเมื่อเกิดแผนดินไหว

(ง) ถาโครงสรางทรุดตัวเมื่อเทียบกับดินที่อยูโดย รอบ หรือดินที่อยูโดยรอบทรุดตัวเมื่อเทียบกับโครงสราง ทางเขาของอาคารจะแตกแยกออกจากกัน หรือทําใหทอประปาแตกหักเสียหายได

2.3 สาเหตุของการทรุดตัวที่ไมเทากัน

การทรุดตัวไมเทากัน เกิดจากสาเหตุหลายประการ ไดแก

• ความไมสม่ำเสมอของชั้นดิน ชั้นดินบางตําแหนงใตฐานรากอาจเปนดินแข็ง บางแหงเปนดินออน ซึ่งจะทําใหเกิดการยุบตัวที่ไมเทากัน หรือกรณีที่มีตาน้ำใตฐานรากบางฐาน หรือบางบริเวณเคยเปนคูน้ำ หรือเปนบอน้ำ หรือที่ลุมมากอน หรือมีการปลอยน้ำใหแฉะอยูบริเวณเดียวเปนเวลานาน จะทําใหดินในบริเวณนั้นรับน้ำหนักไดนอยกวาบริเวณขาง เคียง จึงทําใหเกิดปญหาการทรุดตัวไมเทากันแกฐานรากได ดังนั้นถาจะคํานวณออกแบบโครงสรางในบริเวณที่ไมมีขอมูลเกี่ยวกับสภาพ

ชั้นดินเพียงพอ ควรจะทําการเจาะสํารวจสภาพชั้นดิน (Soil Boring) กอนทุกครั้ง เพื่อใชเปนขอมูลในการออกแบบตอไป

• ความยาวของเสาเข็มในแตละฐานของอาคารหลังเดียวกันตางกันมาก การใชเสาเข็มที่มีความยาวตางกันมากในอาคารหลังเดียวกัน ปลายเสาเข็มจะจมอยูในดินที่มีความแข็งไมเทากัน ดังนั้นจึงเกิดการทรุดตัวที่ไมเทากัน • อัตราสวนของแรงกระทําจริงและแรงกระทําที่ออกแบบไวแตกตางกันในเสาแตละตน ทําใหแรงที่สงถายลงสูฐานรากไมเทากัน ในกรณีที่ฐานรากขนาดหนึ่งขนาดใดรับน้ำหนักบรรทุกที่แตกตางกันมากเกินไป อาจทําใหเกิดการทรุดตัวไมเทากันได แมวาจะออกแบบฐานราก

ดังกลาวไวสําหรับรับน้ำหนักบรรทุกมากที่สุดก็ตาม ดังนั้นจึงไมควรอยางยิ่งที่จะออกแบบฐานรากเพียงหนึ่งหรือสองขนาดที่รับน้ำหนักบรรทุกมากที่สุด สวนฐานรากที่เหลือทั้งหมดก็ใชขนาดเหมือนกับฐานรากนี้ เพราะจะทําใหเกิดการทรุดตัวไมเทากันขึ้น เนื่องจากฐานรากที่รับน้ำหนักมากจะทรุดตัวมาก สวนฐานรากที่รับน้ำหนักนอยก็จะทรุดตัวนอย ในกรณีของฐานรากเสาเข็ม ใหคํานวณหาจํานวนเสาเข็มที่พอดีกับน้ำหนักบรรทุกที่กระทําบนฐานรากแตละฐาน

• อัตราสวนของน้ำหนักบรรทุกตายตัวและน้ำหนักบรรทุกจร แตกตางกันในเสาแตละตน

• ขนาดของฐานรากที่กอสรางจริงอาจแตกตางจากขนาดของฐานรากตามแปลนกอสราง

• ความแข็งเกร็ง (Rigidity) ของโครงสรางสามารถทําใหเกิดการทรุดตัวไมเทากัน กลาวคือ โครงสรางที่แข็งเกร็งมากกวายอมสามารถกระจายแรงกระทําใหชิ้นสวนอื่นของโครงสรางไดดีกวา จึงมีความสามารถที่จะตาน ทานการทรุดตัวไมเทากันไดดีกวา ดังแสดงในรูปที่ 3

การทรุดตัวไมเทากันทําใหเกิดการเอียง และกอปญหาที่รุนแรงมากกวาการทรุดแบบสม่ำเสมอ โดยเฉพาะในอาคารสูง เพราะวาการเอียงมักทําใหโครงสรางบิดเบี้ยว และมีผลทําใหเกิดหนวยแรงดัดในโครงสราง ซึ่งเปนที่มาของรอยแตกที่ตําแหนงตางๆ ของโครงสราง ซึ่งในทางวิศวกรรมสามารถแสดงดวยคาการบิดเชิงมุม (Angular Distortion, θ)

ซึ่งสมการคือ θ=δD/S

เมื่อ δ D คือ การทรุดตัวที่ตางกันมากที่สุดระหวางจุดสองจุด

และ S คือ ระยะหางระหวางสองจุดที่เกิดการทรุดตัวไมเทากัน

ในทางทฤษฎีหากสามารถจําลองพฤติกรรมของดินที่ถูกตอง และรูลักษณะเงื่อนไขของแรงที่แนนอน รวมถึงคาความแปรปรวนของคุณสมบัติของดิน จะทําใหสามารถคํานวณ หาแรงบิดที่ทําใหโครงสรางเสียหาย แตในความเปนจริงแลวขอมูลดังกลาวยากที่จะรูไดอยางแนนอน จึงตองมีการนําขอมูลที่ไดจากการตรวจวัดโครงสรางประเภทตางๆ ในสนามมาเปรียบเทียบ เพื่อหาคาที่เหมาะสมสําหรับโครง สรางที่มีการใชงานตางๆ กัน

3. การทรุดตัวไมเทากันที่ยอมใหได (Maximum Allowable Differential Settlement)

ในการออกแบบจะตองมีการกําหนดคามากที่สุดของการทรุดตัวไมเทากันที่ยอมใหได (Maximum Allowable Differential Settlement, δ Da) ทั้งนี้คาการทรุดตัวไมเทากันที่เกิดขึ้นจริง (δD) จะตองมีคาไมเกินคานี้ (δD ≤ δDa)

การหาคามากที่สุดของการทรุดตัวไมเทากันที่ยอมให ไดสําหรับโครงสรางใดๆ นั้น พิจารณาจากขนาดที่ทําใหประตู/หนาตางเปด-ปดไมได มีรอยแตกขนาดใหญจํานวนมากบนกําแพง และตามชิ้นสวนของโครงสรางตางๆ รวมถึงตองพิจารณาในแงความสวยงามของโครงสราง ในการสรางแบบจําลองของโครงสรางเพื่อวิเคราะหหาขนาดของ δDa ทําไดยากมาก เพราะตัวแปรที่เกี่ยวของซึ่งตองนํามาคํานวณนั้นมีตั้งแตขนาด ชนิดของโครงสราง วัสดุที่ใชในการกอสราง ลักษณะชั้นดิน อัตราการทรุดตัว และความสม่ำเสมอในการทรุดตัว เปนตน ดังนั้นในทางปฏิบัติ วิศวกรจึงใชวิธีการเอมไพริคอล (Empirical Method) โดยการวัดการทรุดตัวไมเทากันที่เกิดขึ้นจริงในโครงสราง และประเมินการใชงานในขณะนั้นๆ การศึกษาตามวิธีการนี้ มีผูไดศึกษาไวเปนจํานวนมาก ไดแก Skempton and MacDonald (1956), Polshin and Tokar (1957) และ Grant et al. (1974) เปนตน โดย Skempton and MacDonald (1956) ไดสํารวจอาคาร 98 แหง และพบวา 40 แหงที่เกิดความเสียหายนั้นเกิดการแตกราวของสวนตกแตงพื้นผิว เชน ผิวปูนฉาบ สวนการศึกษาของ Polshin and Tokar (1957) เปนการศึกษาโครงสรางในประเทศรัสเซีย โดยการสังเกตอาคารตางๆ มาเปนเวลากวา25 ป ขณะที่การศึกษาของ Grant et al. (1974) บนอาคาร 95 แหง พบวา 56 แหงเกิดความเสียหาย ผลสรุปจากขอมูลการศึกษาของกลุมคณะตางๆ ดัง กลาวขางตน ซึ่งจะอยูในรูปคาการบิดเชิงมุมที่ยอมใหเกิดได (Allowable Angular Distortion, θa) ที่ไมทําใหโครงสรางแตกราวเสียหาย แสดงไวในตารางที่ 2 โดยคาเหลานี้ไดจากการรวมคาพิกัดความปลอดภัย (Factor of Safety) ที่มากกวา 1.5 ไวแลว

ดังนั้น δDa = θaS ..... (1)

โดยที่

δDa = การทรุดตัวไมเทากันที่ยอมใหได

θa = การบิดเชิงมุมที่ยอมใหได

S = ระยะหางระหวางเสาที่ใชคํานวณ

นอกจากนี้ผลจากขอมูลเอมไพริคอลยังพบวา อาคารทั่วไปจะเกิดความเสียหายตอสถาปตยกรรม

เมื่อคาการบิดเชิงมุม (θ) = 1/300 และเกิดความเสียหายตอโครงสราง เมื่อคาการบิดเชิงมุม (θ) = 1/150

4. การคํานวณการทรุดตัวไมเทากันของฐานรากแผ

การประมาณคาการทรุดตัวไมเทากันของฐานรากแผทําได 2 วิธี โดยวิธีการแรกคํานวณการทรุดตัวของฐานรากทุกฐานโดยใชเงื่อนไขชั้นดิน และน้ำหนักบรรทุกสําหรับฐานรากนั้นๆ โดยใชเงื่อนไขที่ทําใหดินมีการทรุดตัวมาก และเงื่อนไขที่ทําใหดินมีการทรุดนอย และนํามาเปรียบ เทียบกัน ผลตางของการทรุดตัวทั้งหมดที่คํานวณจากสองเงื่อนไขนี้ คือการทรุดตัวไมเท่ากันนั่นเอง สวนอีกวิธีจะหาการทรุดตัวไมเทากัน (δD) จากการทรุดตัวทั้งหมด (δ) โดยใชอัตราสวน δD/δ ที่ไดจากการสังเกตโครงสรางที่คลายๆ กันที่วางอยูบนชั้นดินคลายๆ กัน โดยวิธีนี้สามารถใชกราฟที่ศึกษาโดย Bjerrum (1963) ซึ่งเปรียบเทียบการทรุดตัวทั้งหมดกับการทรุดตัวไมเทากัน บนชั้นดินเหนียวและชั้นดินทราย ดังแสดงในรูป 4 และ 5 โดย

ชั้นดินที่ศึกษาเปนดินในแถบสแกนดิเนเวีย ซึ่งมีลักษณะออน เสนกราฟที่ไดจึงแสดงการทรุดในปริมาณที่สูง แตอยางไรดีการนํากราฟทั้งสองนี้ไปใชงานในพื้นที่ที่ตางออก ไป ควรตองหาเสนกราฟความสัมพันธสําหรับดินในพื้นที่นั้นๆ เพราะดินในแตละแหงยอมมีลักษณะเฉพาะและใหผลที่แตกตางกัน ในกรณีที่ไมสามารถหาขอมูลอัตราสวน δD/δ สําหรับพื้นที่นั้นๆ ได อาจใชขอมูลในตารางที่ 3 ซึ่งขอมูลนี้ไดปรับมาจากขอมูลของหลายพื้นที่ และมีความปลอดภัยอยูพอควร

5. แนวทางปองกันการทรุดตัวไมเทากัน

หากมีการทรุดตัวไมเทากันมากเกินไป (δD > δDa) จะ ตองมีการแกไข อาจจะปรับการออกแบบ แมวาการทรุดตัวทั้งหมดยังอยูในเกณฑก็ตาม วิธีการแกไขสามารถทําไดหลายแนวทาง ดังนี้

• เพิ่มขนาดของฐานรากจนการทรุดตัวไมเทากันอยูในเกณฑที่ยอมรับได ซึ่งทําโดยใชคา δDa และอัตราสวน δD/δ เพื่อหาคาของ δ a (การทรุดทั้งหมด) และปรับขนาดฐานรากตามคาของ δa ที่ได

• เชื่อมฐานรากโดยใชคาน (Grade Beam) เพื่อเพิ่มความแข็งเกร็ง ทําใหการทรุดตัวไมเทากันลดลง โดยสามารถใชหลักการวิเคราะหโครงสราง เพื่อหาปริมาณการทรุดตัวไมเทากันที่ลดลงไปได

• เปลี่ยนฐานรากแผ (Spread Footing) เปนฐานรากแพ (Mat Foundation) เพื่อเพิ่มความแข็งเกร็ง และทําใหการทรุดตัวไมเทากันลดลงได

• เปลี่ยนระบบฐานรากใหเปนฐานรากลึก (Deep Foundation)

6. บทสรุป

ในการออกแบบฐานราก สิ่งที่ตองคํานึงถึงนอก จากการรับน้ำหนักบรรทุกแลว วิศวกรจะตองออกแบบฐานรากใหเกิดปริมาณการทรุดตัวอยูในเกณฑที่กําหนด ทั้งนี้การทรุดตัวสม่ำเสมอจะไมทําใหเกิดความเสียหายตอโครง สรางมากเทากับการทรุดตัวไมเทากัน เนื่องจากการทรุดตัวไมเทากันทําใหโครงสรางเกิดการบิด และสงผลใหโครง สรางเกิดการวิบัติไดงายกวา วิศวกรสามารถใชวิธีเอมไพริคอล (Empirical Method) เปนแนวทางในการออกแบบ และประมาณการทรุดตัวไมเทากันของฐานราก ซึ่งจะทําใหการออกแบบฐานรากมีความมั่นคง และปลอดภัยมากยิ่งขึ้น

วิศิษฐ อยูยงวัฒนา

ผูชวยศาสตราจารย ภาควิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดลอม วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยรังสิต

Email: wisit@rangsit.rsu.ac.th