คลังความรู้ แบบฟอร์มคำนวณ บริการ คอร์สเรียน สมาชิก ติดต่อเรา

เข้าสู่ระบบ เข้าร่วมเป็นสมาชิก

หน้าแรก / คลังความรู้ / ฐานราก / ฐานรากเยื้องศูนย์

ฐานรากตื้น (Shallow Foundation) ใช้เมื่อชั้นดินรับน้ำหนักได้ดีในระดับความลึกไม่มาก แบ่งเป็น ฐานรากเดี่ยว (Isolated/Spread Footing) รับเสาต้นเดียว, ฐานรากรวม (Combined Footing) รับเสาสองต้นขึ้นไปในฐานเดียวกัน, ฐานรากคาน (Strap Footing) เชื่อมฐานรากด้วยคานถ่ายแรง และฐานรากแผ่ (Mat/Raft Foundation) รับทั้งอาคารเมื่อดินอ่อนหรือน้ำหนักบรรทุกมาก ส่วน ฐานรากลึก (Deep Foundation) เช่น เสาเข็ม ใช้เมื่อชั้นดินรับน้ำหนักได้ดีอยู่ลึกเกินกว่าจะใช้ฐานรากตื้นได้อย่างประหยัด

แนวคิดพื้นฐานตามทฤษฎีของ Terzaghi ประเมินกำลังรับน้ำหนักบรรทุกประลัย (Ultimate Bearing Capacity, q_u) จากสมการทั่วไป q_u = cN_c + γD_fN_q + 0.5γBN_γ โดย c คือแรงยึดเหนี่ยวของดิน, D_f คือความลึกฐานราก, γ คือหน่วยน้ำหนักดิน, B คือความกว้างฐานราก และ N_c, N_q, N_γ คือตัวประกอบกำลังรับน้ำหนักที่ขึ้นกับมุมเสียดทานภายในของดิน (φ) ตัวอย่างค่า N ตามทฤษฎี Terzaghi:

φ (องศา)	Nc	Nq	Nγ
0	5.7	1.0	0.0
10	9.6	2.7	1.2
20	17.7	7.4	5.0
30	30.1	18.4	15.7
40	52.0	64.2	81.3

กำลังรับน้ำหนักสุทธิ (Net Ultimate Bearing Capacity) หาได้จาก q_nu = q_u − γD_f และกำลังรับน้ำหนักที่ยอมให้ (Allowable Bearing Capacity) คำนวณจาก q_a = q_nu / FS โดยตัวประกอบความปลอดภัย (Factor of Safety) ที่ใช้ทั่วไปคือ FS = 3.0 สำหรับฐานรากแผ่ (Spread Footing) และ FS = 2.5 สำหรับฐานรากเสาเข็ม (Pile Foundation) จากนั้นต้องตรวจสอบว่าแรงกดจริงใต้ฐานราก (q = P/A) ไม่เกิน q_a

ค่าพารามิเตอร์ดิน (c, φ, γ) และกำลังรับน้ำหนักที่ใช้ออกแบบจริงต้องได้จากรายงานผลสำรวจดินและเจาะสำรวจ (Boring Log, SPT) ของวิศวกรธรณีเทคนิคเฉพาะพื้นที่ก่อสร้างเท่านั้น ไม่ควรประมาณเองหรือใช้ค่าจากโครงการอื่น และในทางปฏิบัตินิยมใช้ทฤษฎีอื่นประกอบ เช่น Meyerhof, Hansen หรือ Vesic ซึ่งให้ตัวประกอบกำลังรับน้ำหนักต่างจาก Terzaghi เล็กน้อยตามสมมติฐานรูปแบบการวิบัติที่ต่างกัน

เสาเข็มรับน้ำหนักจาก 2 ส่วนรวมกัน คือ แรงที่ปลายเสาเข็ม (End Bearing, Q_b) และแรงเสียดทานด้านข้าง (Skin Friction, Q_s) ดังนั้นกำลังรับน้ำหนักประลัยรวม Q_u = Q_b + Q_s

แรงที่ปลายเสาเข็ม Q_b = q_bA_b โดย A_b คือพื้นที่หน้าตัดปลายเสาเข็ม และ q_b คือหน่วยแรงรับที่ปลาย ซึ่งประเมินต่างกันตามชนิดดิน: ในดินทราย q_b = N_qσ'_v (σ'_v คือหน่วยแรงดันประสิทธิผลที่ระดับปลายเสาเข็ม) ส่วนในดินเหนียว q_b = 9c_u (c_u คือ Undrained Shear Strength)

แรงเสียดทานด้านข้าง Q_s = f_sA_s โดย A_s คือพื้นที่ผิวเสาเข็ม (เส้นรอบรูป × ความยาวฝัง) และ f_s คือหน่วยแรงเสียดทานต่อพื้นที่ผิว: ในดินเหนียว f_s = α×c_u (α คือค่าสัมประสิทธิ์ ประมาณ 0.5-1.0 ขึ้นกับชนิดเสาเข็มและ c_u) ส่วนในดินทราย f_s = β×σ'_v (β ประมาณ 0.25-0.5)

กำลังรับน้ำหนักที่ยอมให้ของเสาเข็มต้นเดียว Q_a = Q_u / FS (FS ทั่วไป 2.0-3.0) และเมื่อเสาเข็มอยู่รวมเป็นกลุ่ม ต้องคูณด้วยประสิทธิภาพกลุ่มเสาเข็ม (Group Efficiency, η) ซึ่งลดลงเมื่อเสาเข็มอยู่ชิดกันมาก: Q_g = η×n×Q_a (n คือจำนวนเสาเข็ม) ตัวอย่างค่า η ตามอัตราส่วนระยะห่างเสาเข็มต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง (s/D): s/D ≥ 3.0 ให้ η ≈ 1.00, s/D 2.0-3.0 ให้ η ≈ 0.80-0.90 และ s/D ≤ 2.0 ให้ η ≈ 0.50-0.70

นอกจากกำลังรับน้ำหนักแล้ว ต้องพิจารณาการทรุดตัวของฐานรากควบคู่กันเสมอ แบ่งเป็น การทรุดตัวทันที (Immediate/Elastic Settlement) ที่เกิดขึ้นขณะรับน้ำหนัก และ การทรุดตัวจากการอัดตัวคายน้ำ (Consolidation Settlement) ซึ่งเกิดขึ้นช้าในดินเหนียวอิ่มตัวน้ำ อาจใช้เวลาหลายปีกว่าจะทรุดตัวเต็มที่

สำหรับฐานรากแผ่ ประมาณการทรุดตัวทันทีตามทฤษฎีความยืดหยุ่น (Vesic) ได้จาก S_i = qB(1−μ_s²)I_w / E_s โดย q คือหน่วยแรงกดเพิ่มที่ฐานราก, B คือความกว้างฐานราก, μ_s คืออัตราส่วนปัวซองของดิน, E_s คือโมดูลัสยืดหยุ่นของดิน และ I_w คือ Influence Factor ที่ขึ้นกับรูปทรงฐานราก (ประมาณ 1.12 สำหรับฐานสี่เหลี่ยมจัตุรัส, 1.00 สำหรับฐานสี่เหลี่ยมผืนผ้ายาว, 1.13 สำหรับฐานวงกลม)

สำหรับเสาเข็ม การทรุดตัวทันที (S_e) ตามวิธี Vesic แบ่งเป็น 3 ส่วนรวมกัน: S_e = S_e1 + S_e2 + S_e3 โดย S_e1 คือการทรุดตัวตามความยืดหยุ่นของตัวเสาเข็มเอง, S_e2 คือการทรุดตัวจากน้ำหนักที่ปลายเสาเข็ม และ S_e3 คือการทรุดตัวจากน้ำหนักที่ถ่ายเทตามผิวเสาเข็ม สูตรทั้งสามส่วนนี้เป็นการประมาณการเบื้องต้นตามทฤษฎี เหมาะสำหรับการประเมินขั้นต้นเท่านั้น ควรตรวจสอบผลร่วมกับข้อมูลภาคสนาม เช่น การทดสอบ Sonic Log หรือ Pile Load Test

ฐานรากที่ผ่านเกณฑ์กำลังรับน้ำหนักอาจยังใช้งานไม่ได้หากทรุดตัวมากเกินเกณฑ์ที่ยอมรับ โดยเฉพาะการทรุดตัวไม่เท่ากันระหว่างฐานราก (Differential Settlement) ซึ่งเป็นอันตรายต่อโครงสร้างมากกว่าการทรุดตัวสม่ำเสมอ (Total Settlement) เพราะทำให้เกิดแรงภายในเพิ่มเติมในโครงสร้างที่ต่อเนื่องกัน

ฐานรากเยื้องศูนย์เกิดขึ้นเมื่อตำแหน่งเสาไม่อยู่กึ่งกลางฐานราก มักพบในกรณีเสาริมแนวเขตที่ดินที่ไม่สามารถขยายฐานรากออกไปนอกเขตได้ ทำให้แรงกดใต้ฐานรากกระจายไม่สม่ำเสมอ เกิดทั้งแรงกดในแนวดิ่งและโมเมนต์ดัด หากความเยื้องศูนย์เกินกว่าขอบเขต "kern" (ประมาณ L/6 ของความยาวฐานราก) จะเกิดแรงดึงที่ขอบด้านหนึ่งของฐานราก ซึ่งดินไม่สามารถรับแรงดึงได้ ทำให้ความดันกดจริงเข้มข้นขึ้นที่ขอบอีกด้าน ต้องตรวจสอบไม่ให้ความดันสูงสุดเกินกำลังรับน้ำหนักที่ยอมให้ของดิน

ในงานก่อสร้างจริง ตำแหน่งเสาเข็มที่ตอกจริงมักคลาดเคลื่อนจากตำแหน่งในแบบ หรือเสาเข็มบางต้นเสียหายระหว่างก่อสร้าง แนวทางปฏิบัติทั่วไปตามความรุนแรงของปัญหามีดังนี้:

เสาเข็มเสียหาย 1 ต้น (เสาเข็มฐานราก 2 ต้น) — หมุนฐานรากไป 90 องศา โดยจัดให้จุดศูนย์ถ่วง (CG) ของฐานรากตรงกับจุดศูนย์ถ่วงของเสาตอม่อ เพื่อให้เสาเข็มที่เหลือรับน้ำหนักได้สมมาตร

เสาเข็มเสียหายระหว่างก่อสร้าง (ฐานรากที่มีเสาเข็มตั้งแต่ 2 ต้นขึ้นไป) — ให้ยกเลิกเสาเข็มต้นที่อยู่ตรงข้ามกับต้นที่เสียหายในตำแหน่งสมมาตรกัน แล้วกำหนดตำแหน่งเสาเข็มใหม่ห่างจากตำแหน่งเดิมออกไปอย่างน้อย 1 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางเสาเข็ม โดยจัดวางให้สมมาตรเพื่อให้จุดศูนย์ถ่วงของฐานรากตรงกับจุดศูนย์ถ่วงของเสาตอม่อ จากนั้นคำนวณปริมาณเหล็กเสริมฐานรากใหม่ให้สอดคล้องกับตำแหน่งเสาเข็มที่เปลี่ยนไป

เสาเข็มเยื้องศูนย์ไม่เกิน 5 ซม. (จุดศูนย์ถ่วงของฐานรากเยื้องจากจุดศูนย์ถ่วงเสาตอม่อไม่เกิน 5 ซม.) — ตรวจสอบแรงที่เสาเข็มแต่ละต้นต้องรับไม่ให้เกิน 110% ของกำลังรับน้ำหนักที่ยอมให้ของเสาเข็ม หากเกินต้องขยายฐานรากให้มีระยะด้านข้างเพียงพอ แล้วคำนวณปริมาณเหล็กเสริมใหม่ตามขนาดฐานรากที่ขยาย

เสาเข็มเยื้องศูนย์เกิน 5 ซม. — ดำเนินการเช่นเดียวกับกรณีเยื้องศูนย์ไม่เกิน 5 ซม. (ตรวจสอบไม่เกิน 110% ของกำลังรับน้ำหนัก, ขยายฐานราก, คำนวณเหล็กเสริมใหม่) และเพิ่มคานถ่ายแรง (Strap Beam) เชื่อมโยงไปยังฐานรากข้างเคียง เพื่อช่วยถ่ายโมเมนต์ที่เกิดจากความเยื้องศูนย์ที่มากขึ้น ไม่ให้ฐานรากหมุนหรือทรุดตัวผิดปกติ

ทุกกรณีข้างต้นต้องผ่านการตรวจสอบและคำนวณใหม่โดยวิศวกรผู้ออกแบบเสมอ ไม่ควรตัดสินใจแก้ไขหน้างานเองโดยไม่ผ่านการคำนวณ เนื่องจากการเปลี่ยนตำแหน่งเสาเข็มกระทบทั้งกำลังรับน้ำหนัก การทรุดตัว และปริมาณเหล็กเสริมของฐานรากทั้งระบบ

วิธีที่นิยมใช้แก้ปัญหาฐานรากริมเขตที่ดิน ได้แก่ คานถ่ายแรง (Strap/Cantilever Beam) เชื่อมฐานรากริมเขตกับฐานรากเสาถัดไปด้านใน เพื่อถ่ายโมเมนต์ที่เกิดจากความเยื้องศูนย์ไปให้ฐานรากอีกต้นช่วยรับ ทำให้แรงกดใต้ฐานทั้งสองใกล้เคียงสม่ำเสมอมากขึ้น, ฐานรากรวม (Combined Footing) รวมฐานรากสองเสาเป็นผืนเดียวออกแบบให้จุดศูนย์ถ่วงของแรงลัพธ์ตรงกับศูนย์กลางฐานราก และ การปรับตำแหน่ง/ขนาดเสา หรือใช้เสาเข็มเยื้องศูนย์ในกรณีฐานรากลึก แต่ละวิธีต้องผ่านการวิเคราะห์โครงสร้างและตรวจสอบกำลังรับน้ำหนักดินโดยละเอียด

ฐานรากเป็นคอนกรีตที่หล่อติดดินโดยตรง ตาม มยผ. 1101-64 ตารางที่ 13 กำหนดระยะหุ้มเหล็กเสริมขั้นต่ำสำหรับคอนกรีตหล่อติดกับดินโดยตรงไว้ที่ 75 มม. (ดูรายละเอียดสูตรคำนวณ C_min = α × C₀ ในบทความ "เหล็กเสริมคอนกรีต") และควรมีคอนกรีตหยาบรองพื้น (Lean Concrete) รองใต้ฐานรากเพื่อป้องกันดินปนเปื้อนคอนกรีตโครงสร้างและรักษาระยะหุ้มให้แม่นยำ

1) รวบรวมผลสำรวจดินและกำลังรับน้ำหนักที่ยอมให้ (SPT, Boring Log) → 2) กำหนดค่าพารามิเตอร์ดิน (c, φ, γ, E_s, c_u) → 3) วิเคราะห์แรงกระทำจากโครงสร้างด้านบน (แรงตามแนวแกน แรงเฉือน โมเมนต์) → 4) คำนวณกำลังรับน้ำหนักของฐานรากแผ่หรือเสาเข็ม (q_a หรือ Q_a/Q_g) → 5) ตรวจสอบแรงกดจริงเทียบกับกำลังรับน้ำหนักที่ยอมให้ (ตรวจสอบความเยื้องศูนย์หากมี) → 6) ตรวจสอบการทรุดตัวทั้งทันทีและคายน้ำ → 7) ออกแบบความหนาและเหล็กเสริมฐานรากรับแรงเฉือนเจาะทะลุ (Punching Shear) และโมเมนต์ดัด → 8) ตรวจสอบระยะหุ้มคอนกรีตและรายละเอียดการก่อสร้าง

FacebookYouTube