การอัดตัวคายน้ำและการทรุดตัวของดิน

Concept (แนวคิด)

เมื่อมีน้ำหนักบรรทุกโครงสร้าง (เช่น ฐานรากใหม่) กระทำต่อมวลดิน ปริมาตรของดินจะลดลง ทำให้พื้นผิวเกิดการทรุดตัว ในดินเม็ดหยาบ (ทราย, กรวด) การทรุดตัวนี้จะเกิดขึ้นแทบจะในทันที อย่างไรก็ตาม ในดินเหนียวอิ่มตัว ความซึมผ่านได้ต่ำจะขัดขวางไม่ให้น้ำระบายออกไปอย่างรวดเร็ว น้ำหนักที่กระทำจะไปเพิ่มความดันน้ำในโพรงดิน (pore water pressure) ในตอนแรก เมื่อเวลาผ่านไป เมื่อน้ำค่อยๆ ถูกบีบออกไป น้ำหนักจะถ่ายเทไปที่โครงสร้างโครงดิน (เพิ่มความเค้นยังผล) และดินจะค่อยๆ ยุบตัวลง การลดลงของปริมาตรที่ขึ้นอยู่กับเวลาอันเนื่องมาจากการขับน้ำออกนี้เรียกว่า การอัดตัวคายน้ำปฐมภูมิ (Primary Consolidation)

Formula & Method (สูตรและวิธีการ)

การทรุดตัวเนื่องจากการอัดตัวคายน้ำปฐมภูมิขั้นสุดท้าย ($S_c$) สำหรับชั้นดินเหนียวที่อัดตัวปกติ (normally consolidated clay) สามารถประเมินได้โดยใช้ดรรชนีการอัดตัว ($C_c$) อัตราส่วนช่องว่างเริ่มต้น ($e_0$) และการเปลี่ยนแปลงของความเค้นยังผล ($\Delta\sigma'$):

$S_c = \frac{C_c H_c}{1 + e_0} \log_{10}\left( \frac{\sigma_0' + \Delta\sigma'}{\sigma_0'} \right)$

โดยที่:

• $\sigma_0'$ คือความเค้นยังผลในแนวดิ่งเฉลี่ยเริ่มต้นในชั้นดินเหนียว
• $\Delta\sigma'$ คือการเพิ่มขึ้นโดยเฉลี่ยของความเค้นในแนวดิ่งเนื่องจากน้ำหนักบรรทุกที่มากระทำ

Variables & Units (ตัวแปรและหน่วย)

• $S_c$ = การทรุดตัวเนื่องจากการอัดตัวคายน้ำปฐมภูมิ มีหน่วยเป็น เมตร (m) หรือ มิลลิเมตร (mm)
• $H_c$ = ความหนาของชั้นดินเหนียวที่สามารถอัดตัวได้ มีหน่วยเป็น เมตร (m)
• $C_c$ = ดรรชนีการอัดตัว (ไม่มีหน่วย) หาได้จากการทดสอบ oedometer ในห้องปฏิบัติการ
• $e_0$ = อัตราส่วนช่องว่างเริ่มต้น (ไม่มีหน่วย)
• $\sigma_0', \Delta\sigma'$ = ค่าความเค้นยังผล โดยทั่วไปใช้หน่วย kPa หรือ kN/m²

Engineering Meaning (ความหมายทางวิศวกรรม)

การอัดตัวคายน้ำเป็นข้อกังวลหลักในวิศวกรรมปฐพี เนื่องจากเกิดขึ้นอย่างช้าๆ และอาจไม่สม่ำเสมอ การทรุดตัวแตกต่าง (Differential settlement) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อส่วนหนึ่งของอาคารทรุดตัวมากกว่าอีกส่วนหนึ่ง จะทำให้เกิดความเสียหายทางโครงสร้างอย่างรุนแรง เกิดรอยร้าว และการเอียง (เช่น หอเอนเมืองปิซา) วิศวกรต้องคำนวณไม่เพียงแค่ว่าโครงสร้างจะทรุดตัวลง เท่าใด ($S_c$) แต่ต้องคำนวณด้วยว่าจะทรุดตัวลง เร็วแค่ไหน เพื่อพิจารณาว่าจำเป็นต้องปรับปรุงคุณภาพดิน หรือต้องใช้ฐานรากลึก (เสาเข็ม) หรือไม่

Engineering Check (การตรวจสอบทางวิศวกรรม)

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าพารามิเตอร์ความเค้นยังผลที่ใช้นั้นได้คำนึงถึงระดับน้ำใต้ดินอย่างถูกต้องแล้ว ต้องระมัดระวังในการแยกแยะระหว่างดินเหนียวอัดตัวปกติ (normally consolidated clay ซึ่งใช้ $C_c$) และดินเหนียวอัดตัวเกิน (overconsolidated clay ซึ่งต้องการดรรชนีการบวมตัว $C_s$ สำหรับช่วงการรับน้ำหนักที่ต่ำกว่าความดันพรีคอนโซลิเดชัน)

Explicit Exclusions (ข้อยกเว้นที่ระบุชัดเจน)

บทความพื้นฐานนี้ไม่ครอบคลุมถึงการคำนวณอัตราการอัดตัวคายน้ำตามเวลา (ทฤษฎีการอัดตัวคายน้ำ 1 มิติของ Terzaghi, $T_v$, $c_v$) การอัดตัวทุติยภูมิ (การคืบ - creep) และการคำนวณการทรุดตัวแบบยืดหยุ่น 3 มิติ