ระบบคันดินซีเมตน์ป้องกันน้ำท่วม – กรณีศึกษาโรงไฟฟ้า อำเภอจะนะ จังหวัดสงขลา
SONGKHLA COMBINED CYCLE POWER PLANT
รศ.เกษม เพชรเกตุ (Assos.Pro.Kasem Petchgate)
ประธานกรรมการ บริษัท เกษมดีซายน์ แอนด์ คอนซัลแทนท์ จำกัด
180/61-62,95 อาคารสุขสัวสดิ์โมเดิร์นคอนโดวิว ถนนสุขสวัสดิ์ แขวงราษฎร์บูรณะ เขตราษฎร์บูรณะ กรุงเทพฯ 10140
โทร (662) 818 – 0881 – 2 Fax. (662) 818 – 1369 (Auto)
Website: www.kasemdesign.com E – mail: kacon@kasemdesign.com
นายวรพจน์ เพชรเกตุ (Warapot Petchgate)
กรรมการผู้จัดการ บริษัท เกษมดีซายน์ แอนด์ คอนซัลแทนท์ จำกัด
180/61-62,95 อาคารสุขสัวสดิ์โมเดิร์นคอนโดวิว ถนนสุขสวัสดิ์ แขวงราษฎร์บูรณะ เขตราษฎร์บูรณะ กรุงเทพฯ 10140
โทร (662) 818 – 0881 – 2 Fax. (662) 818 – 1369 (Auto)
Website: www.kasemdesign.com E – mail: kacon@kasemdesign.com
บทคัดย่อ : บริเวณก่อสร้างคันกั้นน้ำ โครงการ SONGKHLA COMBINED CYCLE POWER PLANT อำเภอจะนะ จังหวัดสงขลา มีชั้นดินอ่อนหนาประมาณ 3 ถึง 10 เมตร มีค่า Undrained Shear Strength เฉลี่ยประมาณ 1 ตัน ต่อตารางเมตร ดินมีความเป็นกรดสูง ต้องใช้ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ปริมาณสูงจึงจะได้กำลังตามต้องการ ในการออกแบบต้องตรวจสอบเสถียรภาพของคันทางโดยการแปลงค่ากำลังของดินอ่อน และกำลังของเสาเข็มดินซีเมตน์เข้าด้วยกัน ต้องคำนึงถึงการรับน้ำหนักแบกทานของเสาเข็มเนื่องจาก ดินรอบๆ และเนื่องจากตัวเสาเข็มดินซีเมนต์ABSTRACT : At Construction Site Of Songkhla Combined Cycle Power Plant Jana Songkhla Province. The thickness of soft soil layer between 3 to 10 meter, which average Undrained Shear Strength is 1 ton per square meter and soft soil have a low pH value. In construction of cement column have to used high cement content to be reached a requirement of shear strength. For the design, we must concern of slope stability and bearing capacity of cement column.
KEYWORDS : TRANFORM STRENGTH, CEMENT COLUMN, pH – VALUE
1. บทนำ
งานก่อสร้างคันกันน้ำ Raw Water No.1 และ 2 ของโครงการ SONGKHLA COMBINED CYCLE POWER PLANT ณ อำเภอจะนะจังหวัดสงขลาได้ทำการทดสอบดินในสนามและในห้องทดลอง ในสนามได้ทดสอบโดยวิธี Field Vane Shear Strength Test, Kunzenstab Test, Soil Boring Test แล้วนำมาในห้องทดลองทดสอบเพื่อให้ได้ค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ของดิน ทั้งด้านฟิสิกส์และเคมี เพื่อเสริมกำลังของดินเดิมต่อไปและความหนาของชั้นดินอ่อนเพื่อนำไปออกแบบการ
ปรับปรุงคุณภาพของดินโดยทำ Cement Column แบบ Jet Grouting
ปรับปรุงคุณภาพของดินโดยทำ Cement Column แบบ Jet Grouting
2. วิธีการศึกษาและออกแบบ
2.1.การทดสอบหาคุณสมบัติของดินในสนามการทดสอบหากำลังของดินโดยใช้เครื่องมือ
Kunzenstab เป็นการทดสอบแบบง่าย เพื่อหากำลังของดินอ่อนหรือเพื่อหาความลึกของชั้นดินอ่อนEGAT(1980) ได้เริ่มนำเครื่องมือนี้เข้ามาทดสอบในประเทศไทยเป็นการทดสอบที่รวดเร็วได้จำนวน
จุดทดสอบมากในการทดสอบ 1วันและประหยัดค่าใช้จ่ายรูปร่างของเครื่องมือทดสอบดังได้แสดงไว้ในรูปที่1หัวเจาะเป็นรูปกรวย มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มิลลิเมตร ก้านเจาะขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มิลลิเมตรค้อนตอกหนัก 10 กิโลกร้มระยะยก 50 เซนติเมตรทำการทดสอบโดยนับจำนวนครั้งของการตอกทุกระยะ20 เซนติเมตร
(Blows/20เซนติเมตร)เนื่องจากเป็นเครื่องมือที่เบาสะดวกในการ
ขนส่งเข้าในที่ธุรกันดารได้ ดังนั้นโครงการนี้จึงทดสอบการ Sounding โดยใช้เครื่องมือ Kunzenstab ทดสอบจำนวน 297 จุด
ทดสอบ โดยEGATพบค่าความลึกของชั้นดินอ่อนอยู่ที่ความลึก3.0เมตรถึง10.0เมตร
ดังแสดงรูปผังบริเวณที่ทำการทดสอบได้แสดงในรูปที่ 2
จุดทดสอบมากในการทดสอบ 1วันและประหยัดค่าใช้จ่ายรูปร่างของเครื่องมือทดสอบดังได้แสดงไว้ในรูปที่1หัวเจาะเป็นรูปกรวย มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มิลลิเมตร ก้านเจาะขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มิลลิเมตรค้อนตอกหนัก 10 กิโลกร้มระยะยก 50 เซนติเมตรทำการทดสอบโดยนับจำนวนครั้งของการตอกทุกระยะ20 เซนติเมตร
(Blows/20เซนติเมตร)เนื่องจากเป็นเครื่องมือที่เบาสะดวกในการ
ขนส่งเข้าในที่ธุรกันดารได้ ดังนั้นโครงการนี้จึงทดสอบการ Sounding โดยใช้เครื่องมือ Kunzenstab ทดสอบจำนวน 297 จุด
ทดสอบ โดยEGATพบค่าความลึกของชั้นดินอ่อนอยู่ที่ความลึก3.0เมตรถึง10.0เมตร
ดังแสดงรูปผังบริเวณที่ทำการทดสอบได้แสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 1 แสดงเครื่องมือทดสอบแบบ Kunzenstab
ผังบริเวณที่ทำการสำรวจดิน Test Pit ได้ทำการทดสอบ Test Pit จำนวน 10 จุด มีความลึก 0.0 – 5.0 เมตร นำดินมาทดสอบ LL, PL, Sieve Standard Compaction และคุณสมบัติทางเคมีพบว่าดินที่ได้จากการ Test Pit สามารถจำแนกตาม Unified Soil Classification ส่วนใหญ่ดินเป็น ML และ MH มีค่า Natural Water Content ร้อยละ 50 ถึงร้อยละ 152 มีค่า pH ตั้งแต่ 3 – 5 มีค่า Chloride Content ระหว่าง 2,400 ถึง 7,800 ppm. และมีค่า SO4 Content ระหว่าง 1,100 – 13,900 ppm.
ค่า Strength ที่ได้จากสนามต้องนำมาแก้ค่าตาม Bjerrun (1972) คือ Su(design) = lSu(Vane Shear) ตามกราฟข้าล่างนี้ : (ค่า Factor ของ Bjerrun ศึกษาจากงานถม)
รูปที่ 4 Correction Factor, l (Bjerrun, 1972)
การเจาะสำรวจดินในสนาม เมื่อทดสอบ Kunzenstab และ Field Vane Shear แล้ว จำเป็นต้องเจาะสำรวจดินเพื่อเก็บตัวอย่างดินจากสนามมาทดสอบเพื่อหาค่าพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น
- w, g, LL, PL, Sieve, Su, pH, Cl – content, SO4 – content จากการเจาะสำรวจ 32 หลุม ผลการทดสอบสรุปได้ดังแสดงไว้ในรูปที่ 5 และ รูปที่ 6
รูปที่ 6 ความสัมพันธ์ระหว่าง pH – Value, Cl content และ SO4 content กับความลึก
3. การลองทำและการทดสอบเสาเข็มดินซีเมนต์
จากผลการทดสอบดินในสนามพบว่า ดินส่วนใหญ่เป็นดินตะกอน (Silt) ในชั้นดินอ่อน มีความเป็นกรดสูง Organic Content สูง จากการศึกษาของ รศ.เกษม เพชรเกตุ, โกศล ไกรพัฒนพงค์ (2544) พบว่า pH – Value และ Organic Content มีอิทธิพลต่อค่า Strength ของ Cement Column คือค่า pH ต่ำ (เป็นกรด) และ Organic Content สูง ต้องใช้ปริมาณปูนซีเมนต์ในปรมาณมากจึงจะได้กำลังของ Cement Column ตามต้องการ และถ้าค่า pH £ 3 Cement Column จะแข็งตัวเมื่ออายุการบ่มมากกว่า 21 วัน ซึ่งดินของโครงการนี้มีค่า pH ประมาณ 3 หลายตำแหน่ง
ดังนั้นการลองผสมดินกับปูนซีเมนต์ทั้งในห้องทดลอง และในสนามเพื่อทดสอบหากำลังของมัน และทดสอบหากำลังรับน้ำหนักบรรทุกของเสาเข็มดินซีเมนต์ก่อนทำการออกแบบงานขุด
หรืองานถมเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง
จากการทดสอบกำลังของดินอ่อนในสนาม ค่า Su เฉลี่ยประมาณ 1 ตันต่อตารางเมตร gwet เท่ากับ 1.6 ตันต่อตารางเมตร มีความหนาของชั้นดินอ่อนสูงสุดประมาณ 10 เมตร เนื่องจากสภาพดินเป็นกรดสูงจึงมุ่งหวังกำลังเฉือนของ Cement Column ³ 40 ตันต่อตารางเมตร ในการออกแบบจึงลองผสมในห้องทดลอง โดยใช้ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนต์อยู่ในช่วง 280 ถึง 310 กิโลกรัมต่อปริมาณดินเปียกหนึ่งลูกบากศ์กเมตร จึงได้ค่า Su ของเสาเข็มดินซีเมนต์มากกว่า 40 ตันต่อตารางเมตร ค่า Strain at failure จากการทดสอบ Unconfined Compressive Test มีค่าประมาณร้อยละ 2 และจากการลองประเมินการ ถมดินเพื่อป้องกันน้ำท่วมพบว่า เสาเข็มดินซีเมนต์หนึ่งต้น ควรจะรับน้ำหนักแบกทานปลอดภัยประมาณ 16 ตัน โดยใช้เสาเข็มดินซีเมนต์ขนาด f 0.60 เมตร ยาว 10 เมตร
การทดลองทำเสาเข็มในสนามและทดสอบน้ำหนักแบกทานของโครงการนี้ คือ ทำ Water Jet ดินก่อนเพื่อทำลาย Structure ของดิน และช่วยให้กรดเจือจางลงด้วย Pressure 250 bars จนถึงความลึกที่ต้องการแล้วทำการ Jet Cement Milk ด้วย Water Cement Ratio 1.1:1 ใช้ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ 310 กิโลกรัมต่อลูกบากศ์กเมตร ของดินเปียกด้วย Pressure 250 bars เช่นกัน โดยทำการ Jet Cement Milk จากก้นหลุม (Pile Tip) ขึ้นมาจนถึงผิวดิน (Pile Top) ตามที่แสดงไว้ในรูปที่ 7
รูปที่ 7 แสดงลำดับขั้นของการทำ Cement Column โดยวิธี Jet Grouting
ทิ้งให้ปูนซีเมนต์ทำปฎิกริยาทางเคมีกับแร่ Silica ในดิน ไม่น้อยกว่า 28 วัน จึงทำการทดสอบการรับน้ำหนักแบกทานของเสาเข็มตาม ASTM D1143 ส่วนเกณฑ์ตัดสินน้ำหนักแบกทานของเสาเข็มดินซีเมนต์นั้น ตัดสินตาม TERZAGHI คือการทรุดตัวต้องไม่มากกว่าร้อยละ 10 ของเส้นผ่าศูนย์กลาง น้ำหนักบรรทุกที่ได้เป็นน้ำหนักแบกทานสูงสุด
4. การออกแบบ และวิเคราะห์ค่าเสถียรภาพของคันดิน
ในการออกแบบงานถมและงานขุดประกอบกันนั้น ผู้ออกแบบต้องมั่นใจว่าการผสม Cement Column ในสนามต้องเข้ากันดี มีความต่อเนื่องของตัวเสาเข็มดินซีเมนต์ดี คือความต่อเนื่องของเสาเข็มดินซีเมนต์ที่ได้ Strength ตามออกแบบ ต้องมากกว่าร้อยละ 80 ได้จากการสุ่มทดสอบ เจาะแก่น (Coring) Cement Column คืออัตราส่วนระหว่างผลรวมของความยาวของแก่นที่ได้จากการ Coring หารด้วยด้วยความยาวของ Cement Column ทั้งต้นต้อง ³ 80%
การออกแบบคันกั้นน้ำต้องพิจารณาสามส่วนด้วยกัน
– ส่วนที่หนึ่ง พิจารณา Slop Stability โดยการใช้ Bishop Method, Spencer Method สำหรับโครงการนี้ใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ Slop/W พิจารณาทั้ง Bishop Method และ Spencer Method ทำการวิเคราะห์จนได้ Factor of Safety ³ 1.5 ข้อสำคัญของการวิเคราะห์ Slop Stability คือการ Transform Strength ของดินอ่อนกับ Strength ของ Cement Column เข้าด้วยกัน ตาม Broms และ Sweroad (1992) คือ
Suave = Susoil (1 – a) + SuCol ´ a
เมื่อ a =
|
C |
|
C |
พิจารณาจากการจัด Cement Column รูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสได้ดังนี้:-
รูปที่ 8 แสดงการจัด
Cement Column ห่างกันเท่าเท่ากับ C ทั้งสองทิศทาง – ส่วนที่สอง พิจารณาการรับน้ำหนักแบกทานของเสาเข็มดินซีเมนต์ เนื่องจากดินเป็นผู้รับน้ำหนักแบกทาน ออกแบบเช่นเดียวกับเสาเข็มคอนกรีต หรือเสาเข็มเหล็กที่ฝังในชั้นดินอ่อน
คือ Qu = Qs + Qb
Qs = a´S0 ´ L ´ Su
Qb = Nc ´ Ab
เนื่องจากยังไม่มีผลการศึกษาค่า Adhesion Factor, a และค่า Bearing Capacity Factor, Nc ของ Cement Column กับดินจึงใช้ค่า a ตาม Holmberg (1970) หรือ KMUTT (2004) และใช้ค่า Nc ตาม Skemption (1954) สำหรับเสาเข็มดินซีเมนต์ ที่ฝังในชั้นดินเหนียว
รูปที่ 9 ค่า Adhesion Factor สำหรับดินเหนียว
– ส่วนที่สาม พิจารณาการรับน้ำหนักแบกทานของ ตัวเสาเข็มดินซีเมนต์โดยใช้พื้นที่หน้าตัดประสิทธิผลของตัวเสาเข็มดินซีเมนต์คูณด้วยค่า Unconfine Compressive Strength แล้วคูณด้วยค่าคงที่ตาม Sweroad (1992) คือ 0.65 ถึง 0.85 การจะใช้ค่าใดขึ้นอยู่กับคุณภาพของเสาเข็มดินซีเมนต์ที่เราทำการก่อสร้างในสนาม ได้จากการทดสอบ Coring
รูปที่ 10 แสดง Section ของคันกั้นน้ำและการจัด Cement Column สำหรับชั้นดินอ่อนหนา £ 10 เมตร
รูปที่ 11 แสดงการวิเคราะห์ Slope Stability ของคันกั้นน้ำตามรูปที่ 10 กรณีหน้าแล้งและหน้าน้ำ
5. สรุปผลการศึกษาออกแบบ
1.1. ความลึกของชั้นดินอ่อนบริเวณโครงการหนา 3 ถึง 10 เมตร มีค่า Undrainded Shear Strength เฉลี่ยประมาณ 1 ตันต่อตารางเมตร
1.2. ชั้นดินอ่อนบริเวณนี้มีความเป็นกรดสูง คือ มีค่า pH ระหว่าง 3 ถึง 6.5
1.3. โครงการนี้ใช้ Cement Content ค่อนข้างสูง แต่ได้ค่า Undrainded Shear Strength ค่อนข้างต่ำ เนื่องจากดินมีสภาพเป็นกรด
1.4. ในการออกแบบคันดิน ต้องคำนึงถึง Slope Stability ของคันดิน กำลังแบกทานของเสาเข็มเนื่องจากดินและเนื่องจากตัวเสาเข็ม
6. เอกสารอ้างอิง
เกษม เพชรเกตุ และโกศล ไกรพัฒนพงค์ (2001), การศึกษาผลกระทบของโซเดียมคลอไรด์ สารอินทรีย์ และค่าความเป็นกรดต่อคุณสมบัติทางวิศวกรมของดินเหนียวอ่อนกรุงเทพผสมซีเมนต์แบบเปียก, การสัมมนาวิศวกรรมการทางครั้งที่ 1, กรุงเทพมหานคร, หน้า 2 – 71 ถึง 2 – 90
รศ.วิชาญ ภู่พัฒน์, รศ.เกษม เพชรเกตุ และผศ.ดร.สุรฉัตร สัมพันธารัก (2547), อนุสรณ์การเกษียณอายุราชการอาจารย์อาวุโสด้านวิศวกรรมปฐพี, วิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทย หน้า 2 – 1 ถึง 2 – 176
เกษม เพชรเกตุ และวรพจน์ เพชรเกตุ (2548), รายการคำนวณงานปรับปรุงคุณภาพดินด้านวิศวกรรมโดยใช้ Cement Column ของงาน โครงการ SONGKHLA COMBINED CYCLE POWER PLANT
EGAT TOR SONGKHLA COMBINED CYCLE POWER PLANT.
SWEROAD (1992), Design and Construction of Road Embankment on Soft Clay, Stockhom.
Constructionthaicon 