ชนิดของฐานราก และการเลือกใช้ฐานรากที่ถูกต้อง

ฐานรากเป็นชิ้นส่วนของอาคารแรกที่ต้องก่อสร้าง และยังเป็นโครงสร้างหลักในการรับน้ำหนักทั้งหมดที่ถ่ายมาจากอาคารลงสู่ดิน ผมให้ความสำคัญกับเรื่องนี้ที่สุดเนื่องจากอยู่ใต้ดิน การซ่อมแซมหลังใช้อาคารเป็นไปได้ยากและมีราคาแพงที่สุด การก่อสร้างฐานรากให้มั่นคงแข็งแรงเพียงพอที่จะรับน้ำหนักอาคารตลอดอายุการใช้งานถือว่าเป็นเรื่องสำคัญ

สารบัญเนื้อหา

1. ฐานรากแผ่
2. ฐานรากชนิดรองรับด้วยเสาเข็ม
3. ฐานรากชนิดรองรับด้วยเสาเข็มสั้น
4. ฐานรากชนิดรองรับด้วยเสาเข็มยาว
5. เสาเข็มตอกคอนกรีตอัดแรง และเสาเข็มเจาะ
6. สรุป 

โดยทั่วไปฐานรากที่เรานิยมนำมาใช้ในงานก่อสร้างแบบออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ ฐานรากที่ไม่ต้องใช้เสาเข็มในการรองรับ (ฐานแผ่) และฐานรากที่ใช้เสาเข็มรองรับ การที่เจ้าของอาคารจะเลือกใช้ฐานรากชนิดไหนนั้น ต้องดูคุณสมบัติของดินเป็นสำคัญ ซึ่งในขั้นตอนนี้เป็นหน้าที่ของบริษัทเจาะสำรวจดินที่จะบอกเราได้ว่าดินบริเวณที่เราจะก่อสร้างเหมาะกับฐานรากชนิดไหน

ฐานรากชนิดนี้เป็นฐานรากที่ก่อสร้างได้ง่ายที่สุด ไม่ซับซ้อน ลดขั้นตอนการก่อสร้างเสาเข็มไป ทำให้การก่อสร้างรวดเร็วและประหยัดงบประมาณการก่อสร้าง แต่มีข้อจำกัดในการเลือกใช้  คือ  ต้องก่อสร้างบนพื้นดินที่เป็นดินแข็ง  ไม่ควรก่อสร้างบนชั้นดินอ่อน เพราะอาจทำให้โครงสร้างอาคารทรุดเสียหายได้

พื้นที่ที่นิยมก่อสร้างฐานรากชนิดนี้ได้แก่ ภาคเหนือและภาคอีสานของประเทศไทย ที่มีดินเป็นดินภูเขา หิน และดินทราย เป็นต้น หากเจ้าของอาคารต้องการทราบว่าดินในพื้นที่ สามารถก่อสร้างฐานรากแบบฐานแผ่ได้หรือไม่ ให้ปรึกษาวิศวกรคุมงาน หรือวิศวกรผู้ออกแบบอาคาร  หากอยากทราบค่ากำลังในการรับน้ำหนักบรรทุกของดิน มีวิธีคร่าวๆ ที่ทำให้เราทราบค่าได้ โดยระบุไว้ใน พ.ร.บ.ควบคุมอาคาร พ.ศ.2522 ดังนี้

ฐานรากชนิดรองรับด้วยเสาเข็ม (Pile Footing) คือ ฐานรากที่แบกรับน้ำหนักที่ถ่ายลงมาจากตัวอาคารทั้งหมด แล้วจะถ่ายน้ำหนักลดสู่ตัวเสาเข็มก่อน จากนั้นเสาเข็มก็จะทำหน้าที่ถ่ายน้ำหนักลงสู่ชั้นดินที่ลึกลงไป การเลือกใช้ฐานรากต้องมีเสาเข็มมารองรับนี้ ต้องคำนึงถึงปัจจัยด้านขนาดน้ำหนักที่บรรทุกว่ามีมากเกินกว่าคุณสมบัติของดินที่จะได้รับหรือไม่

หากคุณสมบัติของดินในท้องถิ่นนั้นๆ อ่อนตัวมากๆ ถ้าไม่ใช้เสาเข็มรองรับ ก็อาจจะทำให้อาคารทรงตัวอยู่ไม่ได้ เนื่องจากปลายของเสาเข็มไม่ได้จบลงไปถึงชั้นดินแข็งด้านล่าง ซึ่งภาษาช่าง เรียกกันว่า ชั้นดินดาน นั่นเองฐานรากชนิดนี้นิยมใช้ในเขตกรุงเทพมหานครและปริมณฑล อยุธยา ราชบุรี สุพรรณบุรี เป็นต้น

ฐานรากชนิดรองรับด้วยเสาเข็ม ยังแบ่งประเเภทตามพฤติกรรมการรับแรงได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่

1.ฐานรากเสาเข็มสั้น (Friction Pile) เป็นฐานรากที่แบกรับน้ำหนักไม่มากนัก และก่อสร้างอยู่บนชั้นดินอ่อน โดยอาศัยแรงต้านทานจากความฝืด(Friction Force) ของดินเหนี่ยวรอบๆเสาเข็มที่ต้านทานการกดเอาไว้ ไม่ให้เสาเข็มทรุดตัว โดยมากตามท้องตลาดจะมีความยาวไม่เกิน 6 เมตร การตอกจะใช้แรงงานคนช่วยกันขย่อม หรือใช้เครื่องจักรเบา เช่นรถแบ็คโฮว์ขนาดเล็กกดให้เสาเข็มจมลง ประเภทโครงสร้างที่นิยมใช้เสาเข็มประเภทนี้ ได้แก่ ฐานรับถังเก็บน้ำขนาดไม่เกิน 6,000 ลิตร ลานจอดรถ เป็นต้น

วิธีความสามารถในการรับน้ำหนักของเสาเข็มแบบต้านทานด้วยแรงฝืด (Friction Pile) ยกตัวอย่างเช่น เสาเข็ม ขนาด 6นิ้ว ยาว 6 เมตร จะคำนวณได้โดยการคำนวณเส้นรอบรูปเสาเข็ม คูณความยาวเสาเข็ม แล้วคูณกับค่าแรงฝืดที่กำหนด เช่น

• เสาเข็มขนาด 6 นิ้ว ยาว 6 เมตร จะรับน้ำหนักปลอดภัยได้ 1,700 กิโลกรัม/ตัน
• เสาเข็มขนาด 5 นิ้ว ยาว 5 เมตร จะรับน้ำหนักปลอดภัยได้ 1,200 กิโลกรัม/ตัน
• เสาเข็มขนาด 4 นิ้ว ยาว 4 เมตร จะรับน้ำหนักปลอดภัยได้ 750 กิโลกรัม/ตัน
• เสาเข็มขนาด 3 นิ้ว ยาว 3 เมตร จะรับน้ำหนักปลอดภัยได้ 400 กิโลกรัม/ตัน

2.ฐานรากเสาเข็มยาว (Bearing Pile) เป็นฐานรากที่ต้องแบกรับน้ำหนักมาก และนิยมก่อสร้างในพื้นที่ที่อยู่บนชั้นดินอ่อน โดยเสาเข็มจะมีพฤติกรรมในการรับแรงร่วมกัน 2 แบบ ได้แก่ การต้านทานจากความฝืด(Friction Force) ของดินเหนี่ยวรอบๆเสาเข็ม ร่วมกับ การแบกรับน้ำหนักที่ปลายเสาเข็ม (End Bearing) ซึ่งหยั่งถึงชั้นดินดาน หรือดินแข็ง จึงทำให้ฐานรากประเภทนี้มีการทรุดตัวที่ต่ำกว่าฐานรากเสาเข็มสั้นอยู่มาก ฐานรากประเภทนี้นิยมก่อสร้างสำหรับโครงสร้างดังนี้ อาคารสำนักงาน โรงงานอุตสาหกรรม โรงแรม ห้างสรรพสินค้า เป็นต้น

⊗เข็มตอกคอนกรีตอัดแรง Pre-stress Concrete Pile

เสาเข็มคอนกรีตหล่อสำเร็จรูป Precast Concrete Pile เป็นเสาเข็มคอนกรีตอัดแรงที่หล่อจากโรงงาน ผลิตโดยอาศัยเทคนิคการดึงลวดรับแรงดึง Pre-tension Method แล้วเทคอนกรีตลงในแบบหล่อ ในขณะที่แรงดึงในเส้นลวด Tendon ยังคงค้างอยู่ เมื่อคอนกรีตแข็งตัวจนได้กำลังอัดตามเกณฑ์แล้ว จึงตัดลวดรับแรงดึงออก โดยปกติการถ่ายกำลังจากลวดรับแรงดึงสู่คอนกรีต

เมื่อคอนกรีตอายุครบ 28 วัน คุณสมบัติของคอนกรีต เมื่อทดสอบด้วยรูปทรงลูกบาศก์ขนาด 15x15x15 เซนติเมตร ต้องมีกำลังอัดประลัย (Compressive Strength)ไม่ต่ำกว่า 420 กิโลกรัมต่อตารางเมตร (ksc) หรือเมื่อทดสอบด้วยรูปทรงกระบอกขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 6 นิ้ว สูง 12 นิ้ว ต้องมีกำลังอัดประลัยไม่ต่ำกว่า 350 กิโลกรัมต่อตารางเมตร (ksc) กำลังดึงประลัยสูงสุดของลวดต้องไม่ต่ำกว่า 17,500 กก./ตร.ซม.

เสาเข็มชนิดนี้ เป็นเสาเข็มที่ราคาประหยัด ทำงานได้รวดเร็ว เป็นที่นิยม และมีผู้ผลิตแพร่หลาย มีหน้าตัดหลายแบบเช่น สี่เหลี่ยมตัน รูปตัวไอ รูปวงกลม ข้อเสียหลักของการใช้เข็มตอกก็คือ ระหว่างการตอก จะเกิดการสั่นสะเทือนมากกว่าเข็มอื่นๆ

ความยาวของตัวเสาเข็ม ขึ้นอยู่กับประเภทดินของเขตนั้นๆ พื้นที่ที่ใกล้แม่น้ำหรือเป็นแอ่งมาก่อน จะมีความจำเป็นต้องตอกให้ลึกกว่าพื้นที่อื่น กรณีที่ไม่มีความแน่ใจ นอกจากจะสามารถสอบถามเทศบาลแล้ว ยังสามารถเลือกสอบถามข้างบ้านว่ามีการเลือกวางเข็มที่ความลึกเท่าไร หรือใช้วิธีเจาะสำรวจดินสำหรับโครงสร้างที่รับน้ำหนักมากเป็นพิเศษ เพื่อความแม่นยำยิ่งขึ้น

⊗เสาเข็มเจาะ Boring Pile

ปัจจุบันเป็นที่นิยม วิธีการไม่ยุ่งยาก เนื่องจากการก่อสร้างในเขตชุมชนอาคารจะสร้างติดกัน การตอกเสาเข็มคอนกรีตอัดแรงอาจเกิดการสั่นสะเทือน สร้างความเสียหายต่ออาคารข้างเคียงได้ จึงเหมาะกับบ้านที่ก่อสร้างติดกัน หรือกรณีที่พื้นที่ทางเข้าแคบมาก รถใหญ่ไม่สามารถเข้าได้

การใช้เสาเข็มเจาะเหมาะกับสถานการณ์ที่หลากหลายกว่า เสาเข็มเจาะที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางระหว่าง 35-60 เซนติเมตร. สามารถเจาะได้ลึกประมาณ 20-30 เมตร ซึ่งเป็นชั้นทรายชั้นแรกที่มีน้ำใต้ดินอยู่ ทำให้เจาะลึกกว่านี้ไม่ได้ เราจึงเรียกเสาเข็มเจาะขนาดเล็กนี้ว่าเป็น ระบบเจาะแห้ง Dry Process

เสาเข็มเจาะที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางมากกว่า 60 เซนติเมตร ขึ้นไป สำหรับความลึกตั้งแต่ 25-60 เมตร เป็นระบบเจาะเปียก Wet Process ส่วนมากเป็นเสาเข็มที่ใช้สำหรับงานก่อสร้างขนาดใหญ่มาก เช่น สะพานลอยฟ้า สะพานทางหลวง อาคารสูงมาก เป็นต้น

สำหรับระบบแบบเปียกนั้น ใช้ในกรณีที่ชั้นดินมีน้ำใต้ดิน ซึ่งน้ำใต้ดินจะดันให้หลุมที่เจาะพังทลายได้ จึงต้องใส่น้ำผสสารละลายเบนโทไนต์ Bentonite ลงไปในหลุมเจาะด้วย เพื่อทำหน้าที่ต้านทานน้ำใต้ดินและเคลือบผิวหลุมเจาะไม่ให้พัง

สรุป

1. ฐานรากแผ่เลือกใช้ในกรณีที่ดินรับน้ำหนักบรรทุกแบกทานได้สูง
2. ฐานรากรับโครงสร้างเล็กๆน้ำหนักไม่มาก สามารถก่อสร้างด้วยฐานรากแบบเสาเข็มสั้น (Friction Pile) ได้
3. กรณีดินอ่อน ฐานรากต้องเป็นแบบเสาเข็มยาว ลึกไปถึงชั้นดินดาน
4. หากก่อสรา้งใกล้กับอาคารข้างเคียง ควรเลือกใช้เป็นเสาเข็มเจาะ เพื่อลดการสั่นสะเทือน แทนการใชเสาเข็มตอกคอนกรีตอัดแรง