งาน ฐานราก และ เสาเข็ม มีความสำคัญอย่างไร?

บทความนี้ KACHA จะพาไปรูจักกับฐานราก และ เสาเข็ม ให้มากขึ้นกัน ตามไปดูกันได้เลย

ฐานราก (Footing) คือ

โครงสร้างส่วนที่อยู่ใต้ผิวดิน ทำหน้าที่แบกรับน้ำหนักจากเสา แล้วถ่ายลงสู่ดิน การใช้ฐานรากแบบคอนกรีตเสริมเหล็ก จะก่อสร้างได้ง่าย รวดเร็ว และมีความแข็งแรง ทนทานต่อสภาพดินฟ้าอากาศ ซึ่งวิศวกรผู้ออกแบบ จะทำการออกแบบและคำนวนขนาด โดยพิจารณาจากน้ำหนักที่กระทำในแต่ละเสา และเมื่อกำหนดค่าออกแบบมาแล้ว สิ่งที่เราจะได้เป็นแบบของ ฐานราก พร้อมสิ่งที่จะกำหนดมา คือ น้ำหนักบรรทุก (Loads) ของฐานรากนั้น

ประเภทของ ฐานราก

1) ฐานราก แผ่ (Spread Footing) 

คือ ฐานรากที่แบกรับน้ำหนักจากตัวอาคาร แล้วถ่ายน้ำหนักลงสู่ชั้นดินนั้นได้โดยตรง ดังนั้น การเลือกใช้ฐานราก จึงต้องคำนึงถึงปัจจัยทางด้านขนาดของน้ำหนักที่บรรทุกว่ามีมากหรือไม่ และกลสมบัติของดิน ที่สามารถรับน้ำหนักได้ในท้องถิ่นนั้น ๆ

2) ฐานราก เสาเข็ม (Pile Footing)

คือ ฐานรากที่แบกรับน้ำหนักจากตัวอาคารแล้ว จะถ่ายน้ำหนักลดสู่ตัว เสาเข็ม ก่อน จากนั้นเสาเข็มจะทำหน้าที่ถ่ายน้ำหนักลงสู่ชั้นดินที่ลึกลงไป นิยมใช้กับดินเนื้ออ่อน ๆ ซึ่งไม่สามารถรับน้ำหนักของโครงสร้างบ้านได้ จุดเด่นของ ฐานรากแบบเสาเข็ม จะเป็นฐานราก แบบลึก ที่นิยมใช้กันในปัจจุบัน คือ เสาเข็มคอนกรีต หรือเสาเข็มไม้สำหรับบ้านไม้

ฐานรากเข็ม แบ่งประเภทของเสาเข็มที่มารองรับได้ 2 ประเภท คือ

• ฐานรากเสาเข็มสั้น (Friction Pile)

เป็นฐานรากที่แบกรับน้ำหนักไม่มากนัก และก่อสร้างอยู่บนชั้นดินอ่อน เช่น อาคารบ้านพักอาศัยทั่วไป การแบกรับน้ำหนักของเสาเข็มสั้น จะอาศัยแรงเสียดทาน (Friction) ของดินที่มาเกาะรอบ ๆ ตัวเสาเข็มเท่านั้น ความยาวของเสาเข็มสั้นที่สะดวกต่อการปฏิบัติงานโดยทั่วไป จะมีความยาวประมาณ 6-16 เมตร ถ้าความยาวไม่เกิน 6 เมตร สามารถใช้แรงงานคนและสามเกลอตอกลงไปได้ แต่ถ้ายาวมากกว่า 6 เมตรขึ้นไป จะตัองใช้ปั้นจั่นเป็นเครื่องตอก

• ฐานรากเสาเข็มยาว (Bearing Pile)

เป็นฐานรากที่ต้องแบกรับน้ำหนักมาก และก่อสร้างอยู่บนชั้นดินอ่อน เช่น อาคารสำนักงาน, โรงงานอุตสาหกรรม, โรงแรม, ห้างสรรพสินค้า ฯลฯ การแบกรับน้ำหนักของเสาเข็ามยาว จะต้องอาศัยทั้งแรงเสียดทาน (Friction) ของดิน และการแบกรับน้ำหนักที่ปลายเสาเข็ม ซึ่งหยั่งถึงชั้นทรายในระดับความลึก 21 เมตรขึ้นไป ความยาวของเสาเข็มซึ่งยาวมากกว่า 21 เมตรนั้น ในทางปฏิบัติแบ่งเป็น 2 ท่อน แล้วค่อย ๆ ตอกลงด้วยปั้นจั่น ซึ่งต้องได้รับความเห็นชอบจากวิศวกรผู้ออกแบบเสมอ และการใช้สองท่อนต่อกัน อาจจะทำให้เกิดปัญหาเสาเข็มเคลื่อนหลุดออกจากกันในภายหลังได้ อาจเป็นผลให้เกิดการทรุดตัวได้เช่นกัน

3) ฐานราก แบบตอม่อ

จะเป็นการทำฐานคอนกรีตแบบตอม่อหล่อลึกลงไปในดินหรือน้ำ โดยจะมีความแข็งแรงค่อนข้างมาก แต่ไม่นิยมใช้กันในการสร้างบ้านพักอาศัย

การทำ ฐานราก มีขั้นตอนการทำงานและตรวจสอบ ดังนี้

1. การสำรวจวางตำแหน่งเสา (Survey) เพื่อทำ ฐานราก ในขั้นตอนจะมีการวางผังเส้นกรอบรอบโครงการก่อน แล้วมาล้อมตัวอาคารที่จะสร้างอีกครั้งเพื่อกำหนด แนวเสา (Gridline) โดยต้องกำหนดกรอบแล้วทำการตรวจสอบระยะอาคาร, ระยะห่างของเสาแต่ละแนว, ระยะร่นของอาคารและขอบเขตของที่ดินว่าถูกต้องหรือไม่
2. เมื่อสำรวจเสร็จ ฐานราก ของแต่ละอาคารจะมีชนิดใหญ่ ๆ คือ แบบ ฐานราก แผ่ที่ไม่ต้องมีเสาเข็ม การทำแบบ ฐานราก แผ่นี้ได้ต้องมีการทดสอบการรับน้ำหนักดิน (Plate baring test) เป็นการตรวจสอบการรับน้ำหนักของดินหากรับน้ำหนักไหวแต่ถ้าไม่ไหวก็ต้องทำการเจาะเสาเข็ม
3. การตอกเสาเข็ม เสาเข็มมีวิธีการดำเนินการ คือ

• การตอกด้วย ปั้นจั่น เป็นวิธีการนำเสาเข็มมาใช้ปั้นจั่นทำการตอกเสาเข็มลงในดิน โดยจะตั้งโครงเหล็กเป็นแท่งและมีรอกต่อเครื่องจักรเข้ากับตุ้มเหล็ก การทำงานจะใช้รอกชักตุ้มเหล็กขึ้นสูงแล้วปล่อยน้ำหนักลงในแนวดิ่งเพื่อกดเสาเข็มให้ลง โดยการตอกจะมีการคำนวนจากวิศวกร เช่น กำหนดค่า last ten blow มา หรือให้ตอกจนจมตามความลึกที่กำหนด เป็นต้น

ข้อดีของเสาเข็มแบบตอก คือ เรื่องราคา แต่ต้องทำกับงานที่เริ่มต้นใหม่ ไม่มีอาคารข้างเคียงใกล้ ๆ เพราะแรงกระแทกของเข็มเข้าไปในดินอาจดันดินไปทำให้บ้านข้างเคียงเสียหายได้

• การเจาะเสาเข็ม จะมีแบบที่เจาะด้วยรถเจาะขนาดใหญ่และแบบสามขา มีทั้งวิธีเจาะแบบเปียกและแบบแห้ง หลักการคือ จะใช้รถใส่หัวสว่านเจาะเอาดินขึ้นมาเป็นรู แล้วนำปอกเหล็กใส่ไปในดินเพื่อกันไว้ แล้วนำเหล็กเสริมใส่ลงไปทำการเทคอนกรีตและชักปอกออกจากดิน

ข้อดีของเสาเข็มเจาะ คือ สามารถทำงานได้ในพื้นที่ที่งานก่อสร้างอื่นอยู่แล้วโดยใช้แบบสามขาเล็กเข้าไปทำงาน นิยมมากในงานต่อเติม เสริมความแข็งแรงและมีหลายขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง เช่น 35 / 40 / 50 /60 ซม. มีราคาค่อนข้างสูงตกต้นละ 7,000 – 10,000 บาท เลยทีเดียว

ส่วนการทำ ฐานราก จะผูกเหล็กเป็น ฐานราก ภาษาช่างเรียกกันว่า “เหล็กตะกร้อ” โดยจะนำเหล็กวางบนหัวเสาเข็ม และต้องวางเหล็กเสา, ตอม่อ มาฝากไว้บนเหล็กเสริม ฐานราก ก่อนทำการเทคอนกรีต การเทคอนกรีตต้องมีการเตรียมเครื่องจี้คอนกรีต (Vibrator) จี้ให้ทั่วเพื่อให้คอนกรีตไม่เป็นโพร่งอากาศและผิวสวยงาม หลักการสำคัญ คือ การทำฐานราก ต้องทำบนดินเดิม ห้ามถมขึ้นมาเพราะหากดินถมทรุดและจะดึงฐานราก ลงไปด้วยทำให้เสียหาย ดังนั้นหากเราขุดดินพลาดเกินระดับไป ให้เทฐานราก ที่ระดับนั้น ๆ อย่าถมแต่ให้ใช้วิธีเพิ่มความหนาฐานราก หรือต่อตอม่อ ขึ้นมาแทน

ประเภทของ เสาเข็ม มีอะไรบ้าง?

เสาเข็มสั้น (Friction Pile)

เสาเข็ม คอนกรีต ประเภทนี้ มีผลิตขายในหลายรูปร่าง เช่น รูปตัวที (T), รูปตัวไอ (I), รูปหกเหลี่ยมกลวง และรูปสี่เหลี่ยมตัน ขนาดหน้าตัดทั่วไป คือ 15×15 ซม. และ 18×18 ซม. ส่วนความยาวสามารถสั่งซื้อได้ตั้งแต่ 1-8 ม. ถ้าความยาวมากกว่านี้สัดส่วนจะไม่เหมาะสมและหักได้ง่าย

ความสามารถในการรับน้ำหนักของเสาเข็มสั้น ให้ใช้ค่าความฝืดหรือความเสียดทานของดินรอบเสาเข็ม ดังนี้

• ดินที่อยู่ในระดับความลึกไม่เกิน 7 ม. จากระดับน้ำทะเลปานกลาง ให้ใช้ค่าแรงฝืดของดินไม่เกิน 600 กิโลกรัม/ตร.ม.
• ดินที่อยู่ลึกกว่า 7 ม. จากระดับน้ำทะเลปานกลาง ให้ใช้ค่าแรงฝืดตามสมการ ดังนี้ หน่วยแรงฝืด = 600 + 220e (กิโลกรัม/ตร.ม.)

ความสามารถในการรับน้ำหนักของเสาเข็ม เช่น เสาเข็ม ขนาด 6 นิ้ว ยาว 6 ม. จะคำนวณได้โดยการคำนวณเส้นรอบรูปเสาเข็ม คูณความยาวเสาเข็ม แล้วคูณกับค่าแรงฝืดที่กำหนด เช่น
☛ เสาเข็มขนาด 6 นิ้ว ยาว 6ม. จะรับน้ำหนักปลอดภัยได้ 1,700 กิโลกรัม/ตัน
☛ เสาเข็มขนาด 5 นิ้ว ยาว 5ม. จะรับน้ำหนักปลอดภัยได้ 1,200 กิโลกรัม/ตัน
☛ เสาเข็มขนาด 4 นิ้ว ยาว 4ม. จะรับน้ำหนักปลอดภัยได้ 750 กิโลกรัม/ตัน
☛ เสาเข็มขนาด 3 นิ้ว ยาว 3ม. จะรับน้ำหนักปลอดภัยได้ 400 กิโลกรัม/ตัน

เสาเข็มยาว (Bearing Pile)

สามารถแบ่งตามชนิดการก่อสร้างได้ ดั้งนี้
เข็มตอกคอนกรีตอัดแรง (Prestress Concrete Pilling) คือ เสาเข็มคอนกรีตหล่อสำเร็จรูป เป็นเสาเข็มคอนกรีตอัดแรงที่หล่อจากโรงงาน ผลิตโดยอาศัยเทคนิคการดึงลวดรับแรงดึง Pre-tension Method แล้วเทคอนกรีตลงในแบบหล่อ ในขณะที่แรงดึงในเส้นลวด (Tendon) ยังคงค้างอยู่ เมื่อคอนกรีตแข็งตัวจนได้กำลังอัดตามเกณฑ์แล้ว จึงตัดลวดรับแรงดึงออก โดยปกติการถ่ายกำลังจากลวดรับแรงดึงสู่คอนกรีต จะต้องใช้คอนกรีตที่มีกำลังอัดไม่ต่ำกว่า 250 กก./ตร.ซม. และเมื่อคอนกรีตอายุครบ 28 วัน คุณสมบัติของคอนกรีต เมื่อทดสอบด้วยรูปทรงลูกบาศก์ขนาด 15x15x15ซม. ต้องมีกำลังอัดประลัยไม่ต่ำกว่า 420 กก./ตร.ซม.

เข็มประเภทนี้ เป็นเข็มที่ราคาประหยัด ทำงานได้รวดเร็ว เป็นที่นิยม และมีผู้ผลิตแพร่หลาย มีหน้าตัดต่าง ๆ กัน เช่น สี่เหลี่ยมตัน, รูปตัวไอ, รูปวงกลม

ข้อเสียของการใช้เข็มตอก คือ ระหว่างการตอก จะเกิดการสั่นสะเทือนมากกว่าเข็มอื่น ๆ หน้าตัดของเข็มจะเป็นรูปตัวไอ I หรือสี่เหลี่ยมตัน โดยทั่วไปจะมีขนาดประมาณ 8-9 และ 20-30 ม./ท่อน จึงควรจะต่อใช้ตามจำนวนที่เหมาะกับความยาวที่ต้องการ ความยาวของตัวเข็ม ขึ้นอยู่กับประเภทดินของเขตนั้น ๆ พื้นที่ที่ใกล้แม่น้ำหรือเป็นแอ่งมาก่อน จะมีความจำเป็นต้องตอกให้ลึกกว่าพื้นที่อื่น เข็มที่เป็นที่นิยม คือเข็ม I18, I22 และ I26

เสาเข็มเจาะ (Boring Pile)

เป็นที่นิยมในปัจจุบัน เหมาะกับบ้านที่ก่อสร้างติดกัน หรือกรณีที่พื้นที่ทางเข้าแคบมาก รถใหญ่ไม่สามารถเข้าได้ มีแบบใหญ่และขนาดเล็ก ซึ่งขนาดเล็ก (Small Bored Pile) มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางระหว่าง 30 – 60 ซม. สามารถเจาะได้ลึกประมาณ 20 – 30 เมตร จึงเรียกเสาเข็มเจาะขนาดเล็กนี้ว่าเป็น ระบบแบบแห้ง (Dry Process) จะใช้เพื่อทดแทนเสาเข็มตอกคอนกรีตอัดแรง ส่วนขนาดใหญ่ (Large Bored Pile) มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางมากกว่า 60 ซม.ขึ้นไป สำหรับความลึกตั้งแต่ 25 – 60 ม. ใช้สำหรับงานก่อสร้างขนาดใหญ่ เช่น สะพานลอยฟ้า สะพานทางหลวง อาคารสูงมาก ฯลฯ เสาเข็มเจาะขนาดใหญ่นี้ จะมีทั้ง ระบบแบบเปียก และระบบแบบแห้ง สำหรับระบบแบบเปียกนั้น ใช้ในกรณีที่ชั้นดินมีน้ำใต้ดิน ซึ่งน้ำใต้ดินจะดันให้หลุมที่เจาะพังทลายได้ จึงต้องใส่น้ำผสมสารละลายเบนโทไนต์ (Bentonite) ลงไปในหลุมเจาะด้วย เพื่อทำหน้าที่ต้านทานน้ำใต้ดินและเคลือบผิวหลุมเจาะไม่ให้พัง ส่วนระบบแห้งนั้นจะใช้ในกรณีที่ชั้นดินไม่มีน้ำใต้ดิน และสภาพดินมีความหนาแน่น ไม่ทำให้หลุมที่เจาะพังได้โดยง่าย

• เสาเข็มเจาะ ระบบแห้ง (Dry Process) เป็นเสาเข็มที่เหมาะกับเสาเข็มที่มีขนาดของเส้นผ่าศูนย์กลาง ตั้งแต่ 0.35 – 0.60 ม. ความลึกของหลุมเจาะไม่ลึกมากนัก ก้นหลุมเจาะยังอยู่ในชั้นดินเหนียวแข็ง (Stiff Clay) หรือชั้นทรายที่ไม่มีน้ำ การนำดินขึ้นมาจากหลุมเจาะ ใช้เครื่องมีประเภทสว่าน (Auger) หรือกระบะตักดิน (Bucket) นำดินขึ้นมาเท่านั้น ภายในหลุมเจาะต้องไม่มีน้ำ และการพังทลายของดินในหลุมเจาะควรน้อยหรือไม่มีเลย
• เสาเข็มเจาะ ระบบเปียก (Wet Process) เป็นเสาเข็มเจาะที่มีขนาดของเส้นผ่าศูนย์กลางตั้งแต่ 0.50 ม. เป็นต้นไป ไม่จำกัดความลึกของหลุมเจาะ สำหรับอาคารขนาดใหญ่ อาจจะเลือกใช้ระดับความลึกประมาณ 40 – 50 ม. จากระดับพื้นดิน การป้องกันดินพังทลาย ใช้เทคนิคการสร้างสภาพแวดล้อมของหลุมเจาะให้มีเสถียรภาพ โดยการใช้ของเหลวประเภทเบนโทไนต์ (Bentonite) ซึ่งเป็นสารละลายที่ช่วยสร้างแรงดันในหลุมเจาะ ป้องกันดินพังทลาย และแรงดันน้ำในดิน ใส่ลงในหลุมเจาะ และการเทคอนกรีตโดยวิธีการเทคอนกรีตใต้น้ำผ่านท่อ Tremie Pipe เพื่อป้องกันไม่ให้คอนกรีตเกิดการแยกตัว เมื่อไปสัมผัสกับสารละลายเบนโทไนต์โดยตรง