ศึกษา “หลุมยุบ” วางแผนสร้างอาคารที่ปลอดภัย

มจธ.-นักศึกษาบางมดผสานความรู้ธรณีวิทยาและวิศวกรรม ศึกษาพฤติกรรมหลุมยุบ ใต้ฐานรากตื้น พบความหนาของชั้นทรายมีผลต่อแรงแบกทานของฐานรากตื้น ขณะที่ความกว้างของหลุมยิ่งมากทำให้ความสามารถในการรับแรงแบกทานลดลง

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมามักมีข่าวจากหลายมุมโลกเกี่ยวกับเหตุการณ์ หลุมยุบ มาอย่างต่อเนื่องเช่น การเกิดหลุมยุบยักษ์ที่กัวเตมาลาเมื่อปี 2007 และเกิดอีกหลุมที่ไม่ห่างกันมากนักในปี 2010 ในกัวเตมาลา ในส่วนของประเทศไทยมีรายงานข่าวเกี่ยวกับหลุมยุบเกิดขึ้นต่อเนื่องในช่วง1-3 ปีที่ผ่านมาเช่นกัน ทำให้สถาบันความรู้ต่างตื่นตัวและออกมาให้ข้อมูลความรู้แก่ประชาชน

เรื่องนี้ไม่พ้นความสนใจของน้องๆ นักศึกษาคณะครุศาสตร์อุตสาหกรรมและเทคโนโลยี จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) นายจักรพงษ์ ศิริชัยราวรรณ์ และนายคติพงษ์ อ่อนไชย นักศึกษาชั้นปีที่ 4 ภาควิชาครุศาสตร์โยธา สาขาวิศวกรรมโยธา นำโจทย์นี้มาเป็นหัวข้อในการทำโปรเจคจบการศึกษาของพวกเขา

จักรพงษ์ กล่าวว่า เขาสนใจเรื่องการเกิดขึ้นของหลุมยุบ ซึ่งส่งผลต่อโครงสร้างไม่ว่าจะเป็นพื้นถนน หรือบ้านเรือน จึงนำความรู้ที่เขาได้ศึกษามาทดลองหาคำตอบในหัวข้อ “การศึกษาอิทธิพลเนื่องจากขนาดของหลุมยุบที่มีผลต่อแรงแบกทานของฐานรากตื้นโดยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ 2 มิติ”

จากการศึกษาลักษณะการเกิดหลุมยุบมักเป็นพื้นดินที่เป็นชั้นดินทรายในพื้นที่โล่ง จึงได้จำลองโจทย์ปัญหาในสถานการณ์ในห้องปฏิบัติการ เพื่อหาเงื่อนไขที่จะช่วยสร้างบ้านพักอาศัยบนพื้นดินที่มีลักษณะดังกล่าวให้ปลอดภัย ซึ่งฐานรากจะต้องได้รับการออกแบบ ให้มีความสามารถรับแรงแบกทาน หรือน้ำหนักกดจากตัวบ้านได้โดยไม่เกิดการพังทลายหากเกิดหลุมยุบใต้ฐานราก

เนื่องจากก่อนการสร้างบ้านพักอาศัยในช่วงการเตรียมพื้นที่นั้นจะต้องใช้ฐานรากสองแบบคือ ฐานรากแบบเสาเข็มซึ่งเหมาะสำหรับใช้ในบริเวณที่เป็นดินอ่อน แต่ในพื้นที่เป็นดินแข็งสามารถใช้ฐานรากตื้นได้เลยโดยไม่ต้องใช้ฐานรากเสาเข็ม “ฐานรากตื้น” จึงเป็นสิ่งที่เขาสนใจในการคำนวณหาแรงแบกทานที่เหมาะสม

“สาเหตุที่เลือกหัวข้องานวิจัยนี้เพราะตอนนี้ในประเทศไทยมักเกิดเหตุการณ์หลุมยุบอยู่บ่อยๆ ซึ่งมาจากสาเหตุหลักสามประการคือ หนึ่งน้ำกัดเซาะโพรงหินใต้ดินเกิดการพังและยุบตัว สองการสูบน้ำชั้นใต้ดินขึ้นมาใช้และทำให้เกิดโพรงใต้ดิน และสามชั้นหินและทรายบริเวณริมน้ำถูกกัดเซาะและพัดจากตลิ่งลงน้ำ ซึ่งการงานวิจัยนี้ศึกษาเพื่อดูว่า ขนาดของหลุมขยายใหญ่เท่าไหร่ จึงจะมีผลต่อฐานรากตื้นของบ้านพักอาศัย” จักรพงษ์กล่าว

ด้าน คติพงษ์ ได้อธิบายถึงขั้นตอนการทดลองแต่ละส่วนหลังจากที่ทำการสืบค้นและเก็บข้อมูลเพียงพอแล้ว ซึ่งการทดลองในส่วนแรกคือ ในห้องปฏิบัติการเพื่อจำลองหลุมยุบขนาดย่อส่วนจากขนาดจริง คือ 2.42 เมตร เหลือเพียง 11 เซนติเมตร ในลักษณะครึ่งวงกลมมีความหนาของผนังหลุม 1.3 เซนติเมตร โดยมีส่วนผสมสำหรับการทำแบบจำลองเป็น ทรายผสมกับแคลเซียมคาร์บอเนต ในอัตราส่วน 50:50 และน้ำอีก 10% ของส่วนผสมทั้งหมด

“เหตุผลที่เลือกใช้แคลเซียมคาร์บอเนตมาทำแบบจำลองเนื่องจากมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับลักษณะพื้นดินที่เกิดการละลายจากน้ำกัดเซาะ ส่วนแบบจำลองฐานรากตื้นจากพื้นที่จริงเป็นคอนกรีตแต่จำลองโดยใช้อะลูมิเนียมอัลลอยด์เป็นฐานรากตื้นวงกลมขนาด 8.5 และหนา 4.5 เซนติเมตร โดยสัดส่วนทั้งหมดย่อจากสัดส่วนจริง 22 เท่า และเมื่อแบบจำลองเซ็ตตัวแล้วจึงเริ่มทดสอบ จากการศึกษาพบว่า ถ้าความลึกของหลุมยุบยิ่งมากโครงสร้างของหลุมยุบจะได้รับอิทธิพลจากแรงกดจากฐานรากน้อย ส่วนความกว้างของหลุมยิ่งมากทำให้ความสามารถในการรับแรงแบกทานของฐานรากลดลง” คติพงษ์กล่าว

นอกจากนี้ จักรพงษ์และคติพงษ์ ยังทดลองในส่วนที่สองผ่านโปรแกรมสำเร็จรูป “ วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์” หรือโปรแกรมที่จำลองพฤติกรรมของดิน ซึ่งสามารถนำมาจำลองพฤติกรรมของหลุมยุบเท่าขนาดจริง 2.42 เมตรได้ และฐานรากตื้นขนาด 1.8 เมตร ทั้งนี้ ในการทดสอบได้มีการเพิ่มขนาดของหลุมยุบเพื่อเป็นกรณีศึกษาตั้งแต่ขนาด 0.5, 1, 2.4, และ 3.4 เมตร และเพิ่มความลึกของหลุมทุกๆ 0.5 เท่าของความกว้างหลุม จากการทดสอบพบว่า หลุมที่มีขนาดเป็น 0.97 เท่าของฐานรากขนาด 1.8 เมตร จะเกิดการพังทลายทันทีเมื่อได้รับแรงกดจากฐานราก ในขณะที่หลุมขนาดเล็กกว่า 1.50 เมตร สามารถรับแรงกดจากฐานรากจะลดลงทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความลึกของหลุม

ผศ.ดร.ทวีชัย กาฬสินธุ์ อาจารย์ประจำภาควิชาครุศาสตร์โยธา คณะครุศาสตร์อุตสาหกรรมและเทคโนโลยี ซึ่งเป็นที่ปรึกษาของโปรเจคนี้ ให้ความเห็นว่า จุดเด่นของงานวิจัยน่าจะอยู่ที่นักศึกษาทั้งสองคนสามารถกำหนดปัญหาขึ้นเอง และนำความรู้ที่ได้เรียนมาใช้แก้ปัญหาได้อย่างถูกต้องและมีประสิทธิภาพซึ่งการทดลองนี้นับเป็นชิ้นแรกที่นำโจทย์เรื่องหลุมยุบมาเป็นหัวข้อการทำโครงงานวิทยานิพนธ์ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการแก้ไขปัญหาและเป็นจุดเริ่มต้นในการต่อยอดงานวิจัยที่เกี่ยวข้องของนักศึกษารุ่นถัดไป

“แต่ถ้าพูดถึงปัญหาหลุมยุบที่เกิดในสังคมการจะแก้ไขปัญหานี้ได้ดีที่สุดต้องอาศัยการผสมผสานศาสตร์ความรู้ทั้งทางด้านธรณีวิทยา และวิศวกรรมเทคนิคธรณี รวมทั้งงานวิจัยนี้สามารถนำไปต่อยอดความรู้ได้ทั้งในเรื่องของการคำนึงด้านความปลอดภัย เรื่องของการออกแบบและปรับปรุงคุณภาพของดินเพื่อใช้ในงานวิศวกรรมฐานราก รวมถึงการเตรียมเทคโนโลยีให้พร้อมสำหรับเหตุการณ์ที่จะเกิดในอนาคต เพราะสิ่งสำคัญที่สุดคือความพร้อมในการแก้ไขปัญหาที่ดี และถึงแม้งานวิจัยนี้จะเพิ่งเริ่มต้น แต่หวังว่าจะเป็นการเริ่มต้นงานวิจัยที่ดีเพื่ออนาคตต่อไป” ผศ.ดร.ทวีชัยกล่าว