เทคโนโลยีป้องกันสะพานจม
(practical.engineering)- สะพานต้องเว้น พื้นที่ว่าง ให้แม่น้ำ ทางรถไฟ หรือถนนลอดผ่านด้านล่างได้ น้ำหนักบรรทุกจากโครงสร้างส่วนบนจึงถูกรวมไปที่ ตอม่อและหัวสะพาน และต้องใช้ฐานรากลึกที่ทนได้แม้ในชั้นดินอ่อนของแม่น้ำหรือทะเล
- ฐานรากเสาเข็มรับน้ำหนักแนวดิ่งด้วยการตอกหรือเจาะชิ้นส่วนยาวลงไปในดิน โดยอาศัย แรงรับที่ปลายเข็ม เมื่อแตะชั้นดินแข็ง และ แรงเสียดทานผิวข้าง กับดินโดยรอบ
- เสาเข็มตอกทำให้กระบวนการติดตั้งทำหน้าที่คล้ายการตรวจสอบน้ำหนักบรรทุก แต่มีข้อจำกัด เช่น เสียงและแรงสั่นสะเทือน การดันตัวของดิน การเบี่ยงออกจากแนว และความยากในการผ่านชั้นดินแข็ง
- drilled shaft ซึ่งเป็นเสาเข็มหล่อในที่ ใช้วิธีขุดเจาะก่อนแล้วใส่เหล็กเสริมและคอนกรีตลงไป ส่วนงานใต้น้ำจะใช้ปลอก casing และท่อ tremie เพื่อป้องกันหลุมพังและไม่ให้คอนกรีตถูกน้ำเจือจาง
- กรณี Millennium Tower และการทรุดตัวของตอม่อ Tampa Lee Roy Selmon Expressway ในปี 2004 แสดงให้เห็นว่าฐานรากลึกก็ล้มเหลวได้ และ ความซับซ้อนของวิศวกรรมปฐพี อาจนำไปสู่ปัญหาด้านต้นทุนและกำหนดการ
เหตุผลที่น้ำหนักสะพานถูกรวมลงสู่พื้นดิน
- แก่นสำคัญของสะพานไม่ใช่แค่การ “ข้าม” อะไรบางอย่าง แต่คือการสร้าง พื้นที่ว่าง ด้านล่างให้แม่น้ำ ทางรถไฟ หรือถนนผ่านไปได้
- ถนนทั่วไปถ่ายแรงลงสู่พื้นดินโดยตรง แต่สะพานจะรวบรวมแรงที่กระทำต่อช่วงสะพานไปยัง ตอม่อ หรือ หัวสะพาน ทั้งสองฝั่ง
- โครงสร้างส่วนล่างถูกออกแบบให้แข็งแรงมาก แต่ตำแหน่งติดตั้งจริงมักไม่เหมาะกับการรับน้ำหนัก
- แม่น้ำและทะเลมีดินนุ่มและเฉอะแฉะมาก จึงรับน้ำหนักมากได้ไม่ดี
- ฐานรากสะพานจำนวนมากติดตั้งอยู่ใต้น้ำ
- เมื่อพื้นดินรับน้ำหนักเกินกว่าที่รับได้ จะเกิด การวิบัติของกำลังรับน้ำหนัก และฐานรากจะจมลงไปในดิน
- แนวคิดของการให้น้ำหนักกดต่อเนื่องจนลึกลงไปเช่นนี้นำไปสู่ชิ้นส่วนโครงสร้างที่ใช้กันแพร่หลายอย่าง เสาเข็มฐานราก
วัสดุของเสาเข็มตอกและหลักการติดตั้ง
- เสาเข็มคือชิ้นส่วนโครงสร้างลักษณะเป็นเสายาวที่ตอกหรือเจาะลงไปในดิน
- เล่มที่ 1 ของ
Design and Construction of Driven Pile Foundationsโดย Federal Highway Administration มีมากกว่า 500 หน้า และซับซ้อนถึงขั้นที่บทนำมาหลังสัญลักษณ์ 11 หน้าและตัวย่ออีก 2 หน้า - ประวัติของเสาเข็มตอกย้อนกลับไปถึงยุคก่อนมีบันทึก และแนวคิดพื้นฐานคือการตอกแท่งวัสดุลงไปในพื้นดิน
-
คุณสมบัติตามวัสดุของเสาเข็ม
- เสาเข็มไม้
- ราคาถูก ทนแรงตอกได้ดี และติดตั้งง่าย
- อาจผุได้ มีข้อจำกัดด้านความยาวเพราะขนาดของต้นไม้ และมีความแข็งแรงต่ำกว่าวัสดุทางเลือก
- เสาเข็มคอนกรีต
- ผลิตได้หลายขนาดและหลายรูปทรง และใช้กันแพร่หลายในฐานรากลึก
- ต้องมีขนาดใหญ่พอให้ทนแรงที่จำเป็นในการตอกลงดินได้ โดยเสาเข็มคอนกรีตบางชนิดกว้างตั้งแต่ 30 นิ้ว หรือ 75 ซม. ขึ้นไป
- เสาเข็มเหล็ก
- ทำให้เรียวกว่าคอนกรีตได้
- รูปแบบหลักคือ pipe pile และ H-pile
- เสาเข็มไม้
-
เหตุผลที่ต้องตอกด้วยค้อน
- การดันเสาเข็มให้ลงลึกต้องมีแรงปฏิกิริยาขนาดเท่ากัน
- แทนที่จะใช้วัตถุถ่วงน้ำหนักมหึมาหรือโครงสร้างแข็งแรงที่ยึดกับพื้นดิน โดยทั่วไปจะใช้ ค้อน
- พลังงานศักย์ของน้ำหนักที่ค่อนข้างเล็กซึ่งปล่อยตกจากที่สูงจะแปลงเป็นพลังงานจลน์ และแรงที่ทำให้การตกหยุดลงจะถ่ายไปยังเสาเข็ม
- pile driver จำนวนมากสร้างแรงที่ต้องการด้วยค้อนขนาดใหญ่หรือหัวสั่น
เสาเข็มรับน้ำหนักได้อย่างไร
- เป้าหมายหลักของฐานรากคือไม่เคลื่อนที่เมื่อรับน้ำหนัก
- เสาเข็มต้านทานน้ำหนักแนวดิ่งได้หลัก ๆ สองวิธี
-
แรงรับที่ปลายเข็มและแรงเสียดทานผิวข้าง
- แรงรับที่ปลายเข็ม คือวิธีที่ปลายเสาเข็ม หรือ toe ไปถึงชั้นดินแข็งหรือชั้นหิน แล้วรับน้ำหนักได้มากขึ้น
- ธรณีวิทยาจริงซับซ้อนกว่าแนวคิดง่าย ๆ อย่าง “bedrock” และไม่ได้มีชั้นดินแข็งในความลึกที่สมเหตุสมผลเสมอไป
- แรงเสียดทานผิวข้าง หรือ shaft resistance เกิดขึ้นเมื่อดินโดยรอบถูกอัดแน่นและมีความหนาแน่นขึ้นระหว่างการตอกเสาเข็ม จนเกิดแรงเสียดทานกับผิวผนังเสาเข็ม
- ยิ่งเสาเข็มลงลึกเท่าไร แรงต้านจากแรงเสียดทานก็ยิ่งมากขึ้น
-
คุณลักษณะที่การติดตั้งเองเป็นการตรวจสอบ
- เมื่อใช้ค้อนปล่อยตกจากความสูงเท่าเดิมตอกเสาเข็มซ้ำ ๆ ช่วงแรกเสาเข็มจะจมลงไปได้ระยะหนึ่ง แต่ต่อมาระยะเคลื่อนที่ต่อการตอกหนึ่งครั้งจะค่อย ๆ ลดลง
- จุดที่เสาเข็มแทบไม่ขยับ เรียกในเชิงเทคนิคว่าเข้าสู่สภาวะ refusal
- หากวาดกราฟจำนวนครั้งที่ตอกตามความลึก จะเห็นว่าเมื่อเสาเข็มลงลึกขึ้น ความต้านทานต่อน้ำหนักแนวดิ่งก็เพิ่มขึ้น
- ข้อความ “A Driven Pile is a Tested Pile” ของ Pile Driving Contractors Association สื่อถึงคุณลักษณะที่เสาเข็มตอกยืนยันได้ระหว่างติดตั้งว่าสามารถทนแรงในระดับหนึ่งได้
- หากยังไม่เห็นแรงต้านเพียงพอ ในหลายกรณีก็สามารถตอกให้ลึกขึ้นเพื่อให้ถึงแรงต้านที่ต้องการได้
น้ำหนักแนวนอนและข้อจำกัดของเสาเข็มตอก
- โครงสร้างไม่ได้รับแค่แรงกดลงด้านล่างเท่านั้น
- อาคารได้รับ น้ำหนักแนวนอน จากลม และสะพานก็อาจได้รับน้ำหนักแนวนอนจากกระแสน้ำ น้ำแข็ง หรือการสัมผัสของเรือได้เช่นกัน
- แรงลอยตัวจากน้ำท่วมหรือลมแรงอาจสร้าง แรงดึงถอน ที่สวนทางกับแรงโน้มถ่วง
- ดินรอบสะพานอาจมีสภาพต่างกันระหว่างทันทีหลังการก่อสร้างกับหลังเกิดน้ำท่วมหลายครั้ง
- วิศวกรต้องคาดการณ์ การกัดเซาะ โดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของท้องน้ำตามธรรมชาติและการเปลี่ยนแปลงที่สะพานสร้างขึ้นเอง
- ฐานรากต้องออกแบบให้ยังคงความแข็งแรงได้ในสภาพดินที่เปลี่ยนไปในระยะยาว
- น้ำหนักจากตอม่อจะถูกถ่ายและกระจายไปยังเสาเข็มผ่าน pile cap
- หากคาดว่าจะมีน้ำหนักแนวนอนรุนแรง จะใช้ battered pile โดยติดตั้งเสาเข็มบางต้นให้เอียง
- เสาเข็มเอียงใช้ประโยชน์จากแรงเสียดทานผิวข้างได้ดีกว่า จึงเพิ่มความแข็งแรงของฐานรากต่อแรงแนวนอน
-
ข้อจำกัดของเสาเข็มตอก
- การติดตั้งเสาเข็มตอกมีเสียงและแรงสั่นสะเทือนมาก จึงยอมรับได้ยากในพื้นที่เมืองหนาแน่น
- แรงสั่นสะเทือนจากการติดตั้งอาจส่งผลต่อโครงสร้างพื้นฐานโดยรอบ
- ในหลายกรณี เสาเข็มต้องออกแบบให้ทนแรงระหว่างติดตั้งซึ่งสูงกว่าน้ำหนักของโครงสร้างสุดท้ายมาก
- ผ่านชั้นธรณีที่แข็ง กรวด หรือหินก้อนใหญ่ได้ไม่ง่าย
- ไม่สามารถมองเห็นแนวการเคลื่อนที่ใต้ดินได้โดยตรง จึงอาจเบี่ยงออกจากแนวได้
- เพราะเป็นการดันเข้าไปโดยไม่เอาดินออก จึงอาจทำให้เกิดการดันตัวของดิน
Drilled shaft และการเทคอนกรีตใต้น้ำ
- drilled shaft คือวิธีเจาะหลุมลึก ใส่เหล็กเสริม แล้วเติมคอนกรีตลงไป
- คู่มือ
Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methodsของ FHWA มีความยาว 747 หน้า - ในดินอ่อนหรือสภาพเปียก จะใช้ casing เพื่อไม่ให้ผนังหลุมพัง
- โดยทั่วไป casing จะถูกติดตั้งให้เลื่อนลงไปพร้อมกับ auger ระหว่างการขุดเจาะ
- แม้ casing จะยื่นขึ้นเหนือผิวน้ำ แต่น้ำก็อาจรั่วเข้ามาจากก้นหลุมได้
- อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ของคอนกรีตสำคัญต่อความแข็งแรงและสมรรถนะ ดังนั้นหากปล่อยเทลงไปในน้ำโดยตรง คอนกรีตจะผสมกับน้ำและถูกเจือจาง
- tremie คือท่อที่หย่อนลงไปถึงก้นหลุม หากรักษาปลายท่อให้อยู่ใต้ผิวคอนกรีต คอนกรีตจะไม่ผสมกับน้ำ
- คอนกรีตมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ จึงค่อย ๆ เติมจากก้นหลุมขึ้นมาและดันน้ำขึ้นด้านบน
-
วิธีใช้ casing และ pile cap
- ในการติดตั้งใต้น้ำ มักปล่อย casing ไว้ตามเดิม
- การใช้ casing ช่วยลดความซับซ้อนในการก่อสร้างได้ โดยยก pile cap ให้อยู่ในน้ำหรือเหนือผิวน้ำ แทนการสร้าง cofferdam ขนาดใหญ่แล้วทำให้พื้นที่ทำงานแห้ง
- high rise pile cap แบบนี้ใช้มากในกังหันลมนอกชายฝั่ง
- แล้วแต่สถานการณ์ อาจดึง casing ออกหลังเติมคอนกรีตแล้ว เพื่อลดต้นทุนท่อเหล็กขนาดใหญ่
- แรงดันของคอนกรีตสามารถกระทำต่อผนังหลุมและป้องกันดินพังได้
- drilled shaft ทำให้มีขนาดใหญ่กว่าเสาเข็มตอกได้มาก จึงมีบางกรณีที่ไม่จำเป็นต้องใช้เสาเข็มหลายต้นและ pile cap
- กังหันลม ป้ายทางหลวง ฯลฯ อาจตั้งอยู่บน mono-pile foundation ซึ่งเป็น drilled shaft ต้นเดียวได้
- reaming ที่ขยายก้น drilled shaft ให้กว้างขึ้น ช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวของ toe ลดแนวโน้มการทรุดตัว และช่วยต้านแรงดึงถอนได้ด้วย
ฐานรากลึกชนิดต่าง ๆ และกรณีล้มเหลว
- ระบบฐานรากลึกไม่ได้จำกัดอยู่แค่เสาเข็มตอกและ drilled shaft
- Continuous flight auger pile ใช้ hollow-stem auger เพื่อทำการขุดเจาะและเทคอนกรีตแทบจะในขั้นตอนเดียว จากนั้นจึงใส่เหล็กเสริมลงในคอนกรีตเปียก
- stone column หรือชื่อเครื่องหมายการค้า Geopier คือวิธีเติมหลุมด้วยมวลรวมหินที่บดอัดแล้วแทนคอนกรีต เมื่อพิจารณาเฉพาะน้ำหนักกด
- helical pile หรือ screw pile ใส่ลงในดินด้วยการหมุนแทนการตอก เพื่อลดแรงสั่นสะเทือนและการรบกวนดิน
- micropile คล้าย drilled shaft ขนาดเล็ก ใช้เมื่อมีข้อจำกัดด้านการเข้าถึงหรือด้านธรณีวิทยา
- sheet pile คือเสาเข็มที่ตอกเพื่อสร้างกำแพงหรือแนวกั้น มากกว่าจะเป็นฐานราก
-
ฐานรากลึกก็ล้มเหลวได้
- เสาเข็มมักแข็งแรงกว่าฐานรากตื้นมาก แต่ก็ล้มเหลวได้
- Millennium Tower ใน San Francisco เป็นกรณีอาคารสูงบนฐานรากเสาเข็มจมลงในดินและเอียง
- ดูเหมือนว่าส่วนใหญ่ได้รับการแก้ไขแล้ว แต่ยังปรากฏในข่าวเป็นครั้งคราว
- ตอม่อ Lee Roy Selmon Expressway ใน Tampa รัฐ Florida เมื่อปี 2004 ทรุดตัวลง 11 ฟุต หรือมากกว่า 3 เมตร ระหว่างก่อสร้างเพราะธรณีวิทยาซับซ้อน
- ค่าใช้จ่ายในการฟื้นฟูอยู่ที่ 90 ล้านดอลลาร์ และทำให้โครงการเสร็จล่าช้าไป 1 ปี
- ในการออกแบบที่ฝากน้ำหนักมากไว้กับพื้นดิน วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของวิศวกรรมปฐพีมีบทบาทอย่างมาก
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
ชอบคำขวัญของ Pile Driving Contractors Association เป็นพิเศษว่า “A Driven Pile is a Tested Pile”
ตรรกะคือ ทันทีที่ตอกเสาเข็มลงไป ก็เท่ากับได้พิสูจน์แล้วว่ามันทนแรงได้ระดับหนึ่ง และถ้าแรงต้านไม่พอ โดยทั่วไปก็แค่ตอกให้ลึกลงไปอีกจนกว่าจะได้แรงต้านเพียงพอ
การเกิดดินเหลวเป็นปรากฏการณ์ประหลาด และดูคล้าย Silly Putty ที่ถ้าค่อย ๆ แตะจะนิ่ม แต่ถ้ากระแทกเร็ว ๆ จะกลายเป็นแข็ง
สงสัยว่าแค่ตอกต่อไปนานมาก ๆ หรือเปล่า และตอกนานแค่ไหนกัน
เหตุผลที่รูปทรงเหล็กแบบเดียวกันถูกเรียกทั้ง I-beam และ H-pile ก็เพราะรูปทรงจริงต่างกัน
คานรูปตัว I มีจุดประสงค์เพื่อรวมมวลไว้ที่ปีกคานเพื่อรับแรงดัด จึงมีเอวคานที่บางกว่า ส่วนเสาเข็มรูปตัว H มักมีเอวคานหนาใกล้เคียงกับปีกคานเพราะต้องรับแรงตามแกนและเพื่อความสะดวกในการก่อสร้าง
ในรูปทรงมาตรฐาน คานรูปตัว I แบ่งเป็นหน้าตัด W (wide flange) และ S ส่วนคานรูปตัว H เรียกว่าหน้าตัด HP
ในงานฐานราก บางครั้งมีการระบุให้ใช้แทนกันได้ แต่ในโครงสร้างเหนือดินมักเลือกหน้าตัดที่มีประสิทธิภาพกว่าอย่าง W หรือ S มากกว่า HP
ผมไม่ได้ถึงกับถามหรือพยายามแก้คำให้ เพราะถ้าทำแบบนั้นคงดูเป็นคนค่อนข้างน่ารำคาญโดยใช่เหตุ
ภาพประกอบ: [https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg)
แนวคิดว่า “ถ้าเพิ่มน้ำหนักบรรทุกไปเรื่อย ๆ ให้มันจมลึกลงไปอีกล่ะ?” ดูเหมือนเป็นเทคนิควิศวกรรมพื้นฐานที่พ่อของ Herbert ใช้กับพื้นที่หนองน้ำใน Monty Python and the Holy Grail
https://m.youtube.com/watch?v=w82CqjaDKmA
ทุกคนบอกว่าการสร้างปราสาทบนหนองน้ำเป็นเรื่องบ้า แต่ฉันก็สร้างให้เห็น แล้วปราสาทนั้นก็จมลงหนองน้ำ
ปราสาทหลังที่สองก็จม หลังที่สามไฟไหม้ พังทลาย แล้วก็จมลงหนองน้ำ แต่หลังที่สี่กลับยืนอยู่ได้
ดังนั้นสิ่งที่แกจะได้รับสืบทอดก็คือปราสาทที่แข็งแรงที่สุดบนหมู่เกาะเหล่านี้
“อะไรนะครับ ผ้าม่านเหรอ?”
ชั้นหินฐาน ที่ใส่ไว้ในเครื่องหมายคำพูดเป็นแนวคิดที่เรียบง่าย แต่ธรณีวิทยาจริงซับซ้อนกว่านั้นมาก
ชั้นหินฐานมีอยู่เสมอ แต่ในบางพื้นที่ เสาเข็มต้องยาวมากจริง ๆ กว่าจะถึง
ตัวอย่างเช่น ชั้นกรวดสะสมทางตอนใต้ของมิวนิกลึกถึง 100m (330ft) และว่ากันว่ายิ่งไปทางเหนือก็ยิ่งตื้นลง
https://en.wikipedia.org/wiki/Munich_gravel_plain
เพราะการเคลื่อนตัวของหินเหล่านั้น จึงสร้างสะพานยกระดับเพื่อแทนถนนเดิม และจากการกัดเซาะของลาดเขา ต้องค่อย ๆ ย้ายถนนให้สูงขึ้น พร้อมเพิ่มโค้งหักศอกเข้าไปใน Zig Zag อันขึ้นชื่ออีกหลายโค้ง
หินถล่มก็ทำให้ถนนอันตรายเช่นกัน และมีความพยายามจะลงให้ถึงชั้นหินฐาน แต่มันถูกฝังอยู่ลึกเกินไป
https://teara.govt.nz/files/p-8788-gns.jpg
https://www.stuff.co.nz/national/117150792/awardwinning-otir...
สะพานบางแห่งไม่จม เพราะมัน ลอย
https://en.wikipedia.org/wiki/Nordhordland_Bridge
ได้แก่ Lacey V. Murrow Memorial Bridge, Homer M. Hadley Memorial Bridge และ Evergreen Point Floating Bridge ซึ่งเป็นสะพานลอยน้ำที่ยาวที่สุดในโลก
https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Homer_M._Hadley_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Evergreen_Point_Floating_Bridg...
พูดได้ว่าหลังจากจ่ายคืนต้นทุนโครงการหมดแล้ว ก็หยุดเก็บเงินจากทุกคน
ที่ Chicago เดิมทีก็วางแผนไว้แบบนั้นเหมือนกัน
สำหรับ ไอเดียที่ล้ำสมัย แล้ว ถือว่าดำเนินการได้เร็วทีเดียว
ดูเพิ่ม: https://www.youtube.com/watch?v=gm0YQ3vuyyY
สารคดีก่อสร้าง Brooklyn Bridge ของ Ken Burns น่าสนใจมาก เพราะพูดถึงเทคนิควิศวกรรมและความท้าทายที่ถือว่าล้ำสมัยในช่วงปลายศตวรรษที่ 19
ความยาวก็สั้นราว 1 ชั่วโมง จึงขอแนะนำอย่างยิ่ง
https://kenburns.com/films/brooklyn-bridge/
https://www.amazon.com/Great-Bridge-Story-Building-Brooklyn/...
บริษัทตอกเสาเข็มของญี่ปุ่น Giken มีวิดีโอวิศวกรรมดี ๆ ที่แสดงเทคโนโลยีตอกเสาเข็มแบบไร้เสียงและกรณีใช้งานที่ไม่เหมือนใคร
มีทั้งกรณีป้องกันการไหลของลาวา หรือสร้างที่จอดจักรยานใต้ดินในใจกลางเมือง
https://www.youtube.com/@GikenGroup/videos
วันนี้ได้รู้ว่า “Piledriver” ไม่ได้ถูกคิดค้นใน WWE
สะพานบางแห่งจมโดยตั้งใจ และบางแห่งจมเพราะออกแบบผิดพลาด
https://en.wikipedia.org/wiki/Submersible_bridge, https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
ผู้เขียนคือ Grady Hillhouse
วิดีโอ: https://www.youtube.com/channel/UCMOqf8ab-42UUQIdVoKwjlQ
บล็อก: https://practical.engineering/blog/
ฟีด: https://practical.engineering/blog?format=rss