กำแพงกันดินและแรงดันดินด้านข้าง

แนวคิดพื้นฐาน

กำแพงกันดินเป็นโครงสร้างที่ออกแบบมาเพื่อพยุงมวลดินและป้องกันไม่ให้เกิดการพังทลาย ในการออกแบบ วิศวกรจะต้องคำนวณหาแรงดันดินด้านข้าง (Lateral Earth Pressure) ที่เกิดจากดินถมด้านหลัง แรงดันนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของดิน สภาพน้ำใต้ดิน และการขยับตัวของกำแพง สภาวะของแรงดันดินแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ สภาวะอยู่นิ่ง (At-Rest - กำแพงไม่ขยับ), สภาวะแอคทีฟ (Active - กำแพงขยับออกจากดิน ทำให้ดินขยายตัวและแรงดันลดลง) และ สภาวะพาสซีฟ (Passive - กำแพงดันเข้าไปในดิน ทำให้ดินถูกบีบอัดและเกิดแรงต้านสูงสุด)

วิธีการคำนวณ

ตามทฤษฎีแรงดันดินของแรนคิน (Rankine's theory) สำหรับดินแห้งที่ไม่มีความเชื่อมแน่น (เช่น ทราย) และมีระดับดินถมราบเรียบ แรงดันดินด้านข้างที่ระดับความลึก $z$ คือ: $\sigma_h = K \sigma_v = K (\gamma z)$ โดยที่ $\gamma$ คือน้ำหนักจำเพาะของดิน ค่าสัมประสิทธิ์ $K$ จะเปลี่ยนไปตามสภาวะ:

• สัมประสิทธิ์แรงดันดินแบบแอคทีฟ ($K_a$): $\tan^2(45^\circ - \phi/2)$
• สัมประสิทธิ์แรงดันดินแบบพาสซีฟ ($K_p$): $\tan^2(45^\circ + \phi/2)$

โดยที่ $\phi$ คือมุมเสียดทานภายในประสิทธิผลของดิน แรงลัพธ์รวมต่อความยาวกำแพง ($P$) คือพื้นที่ของแผนภาพการกระจายแรงดันรูปสามเหลี่ยม: $P = \frac{1}{2} K \gamma H^2$

การประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม

การออกแบบกำแพงกันดินต้องตรวจสอบรูปแบบการวิบัติหลายประการ ได้แก่ การเลื่อนไถล (Sliding), การพลิกคว่ำ (Overturning), การพังทลายของฐานราก (Bearing Capacity Failure), และการวิบัติแบบเฉือนลึก น้ำใต้ดินเป็นปัจจัยที่อันตรายมาก หากปล่อยให้น้ำขังอยู่หลังกำแพง จะทำให้เกิดแรงดันอุทกสถิตเพิ่มเติมอย่างมหาศาล ($P_{water} = \frac{1}{2}\gamma_w H^2$) และทำให้หน่วยแรงประสิทธิผลของดินลดลง ดังนั้น การจัดให้มีระบบระบายน้ำที่เหมาะสม (เช่น รูระบายน้ำ หรือ ท่อระบายน้ำ) จึงมีความสำคัญไม่แพ้ความแข็งแรงของตัวกำแพงเอง