Unconfined Compression Test (UCT) คืออะไร? ทดสอบกำลังดินเหนียวอย่างไร

Unconfined Compression Test (UCT) หรือการทดสอบกำลังอัดแกนเดียวแบบไม่มีแรงดันด้านข้าง เป็นการทดสอบในห้องปฏิบัติการที่ใช้ประเมินกำลังของดินเหนียวหรือดินเชื่อมประสานที่สามารถคงรูปเป็นแท่งตัวอย่างได้ การทดสอบนี้ช่วยให้ได้ค่า unconfined compressive strength หรือ q_u และใช้ประกอบการประเมิน undrained shear strength หรือ s_u ภายใต้สมมติฐานและขอบเขตของวิธีทดสอบ

UCT มีข้อดีคือทำได้ค่อนข้างรวดเร็ว ไม่ต้องใช้แรงดันล้อมรอบตัวอย่างเหมือนการทดสอบ Triaxial แต่ความเรียบง่ายนี้ก็มาพร้อมข้อจำกัดสำคัญ ผลที่ได้จึงควรใช้เป็นข้อมูลด้านกำลังของดินเหนียวร่วมกับข้อมูลจาก การเจาะสำรวจดิน (Soil Boring Test) ลักษณะตัวอย่าง ระดับความลึก ปริมาณน้ำ และการทดสอบอื่นที่เหมาะกับวัตถุประสงค์ของโครงการ ไม่ควรนำค่าเดียวไปแทนสภาพความเค้นจริงของชั้นดินทุกกรณี

Unconfined Compression Test คืออะไร?

หลักการของ UCT คือการนำตัวอย่างดินทรงกระบอกวางระหว่างแผ่นกดของเครื่องทดสอบ แล้วเพิ่มแรงอัดตามแนวแกนด้วยอัตราการเสียรูปที่ควบคุม โดย ไม่มีแรงดันล้อมรอบด้านข้าง ตัวอย่าง ระหว่างการทดสอบจะบันทึกแรงและการเปลี่ยนรูปตามแนวแกนเพื่อนำมาคำนวณความเค้นอัดและความเครียด จากนั้นสร้างความสัมพันธ์แบบ stress–strain และระบุค่ากำลังอัดแกนเดียวของตัวอย่าง

มาตรฐานหลักที่ใช้กับการทดสอบนี้คือ ASTM D2166/D2166M-24 — Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil ซึ่งมีสถานะ Active ณ วันที่จัดทำบทความ มาตรฐานระบุว่าการทดสอบครอบคลุม cohesive soil ในสภาพ intact, remolded หรือ reconstituted ด้วยการให้แรงตามแนวแกนแบบ strain-controlled และให้ค่ากำลังโดยประมาณในรูปของ total stress

UCT เหมาะกับดินชนิดใด?

หัวใจของวิธีนี้คือ ตัวอย่างต้องมี cohesion มากพอที่จะตั้งเป็นแท่งและรับการทดสอบได้โดยไม่ต้องมีแรงดันด้านข้าง ASTM D2166/D2166M-24 ระบุขอบเขตสำหรับวัสดุเชื่อมประสาน เช่น clay หรือ clayey soil ที่ไม่ระบายน้ำออกอย่างมีนัยสำคัญระหว่างการให้แรงและยังคง intrinsic strength หลังนำแรงดันล้อมรอบออก

ดังนั้น UCT ไม่ใช่การทดสอบสำหรับดินทุกชนิด ตัวอย่างที่แห้งและร่วนมาก ดินทราย peat วัสดุที่มีรอยแตกหรือชั้นสลับอย่างเด่นชัด หรือวัสดุที่มี silt หรือ sand ในสัดส่วนที่ทำให้ตัวอย่างไม่สามารถคงรูปได้ อาจไม่ให้ผล UCT ที่มีความหมายตามขอบเขตของวิธีนี้ หากสภาพตัวอย่างไม่เหมาะ อาจต้องพิจารณาการทดสอบกำลังแบบอื่นแทน

ตัวอย่าง Disturbed กับ Undisturbed มีผลอย่างไร?

คุณภาพของตัวอย่างมีผลโดยตรงต่อผลกำลัง โดยเฉพาะดินเหนียวธรรมชาติที่โครงสร้างเดิมของดินมีส่วนต่อพฤติกรรม ตัวอย่างที่เก็บจากงาน Soil Boring และต้องการใช้ประเมินกำลังควรได้รับการเก็บ รักษาความชื้น ขนส่ง และเตรียมตัวอย่างอย่างเหมาะสม การรบกวนตัวอย่างมากเกินไปอาจทำให้ค่าที่ทดสอบได้แตกต่างจากสภาพเดิม

ค่า q_u และ s_u คืออะไร?

Unconfined Compressive Strength: q_u

q_u คือค่ากำลังอัดแกนเดียวของตัวอย่างภายใต้สภาพไม่มีแรงดันด้านข้าง โดยพิจารณาจากความสัมพันธ์ระหว่างแรงอัด พื้นที่หน้าตัดที่แก้ไขตามการเสียรูป และ axial strain ตามวิธีทดสอบ ค่า q_u มักรายงานเป็นหน่วยความเค้น เช่น kPa

ในวิธี UCT ค่ากำลังจะพิจารณาจากค่าความเค้นอัดสูงสุดที่ตัวอย่างรับได้ หรือค่าที่เกณฑ์ axial strain ตามวิธีทดสอบเมื่อไม่เกิด peak ที่ชัดเจน การดูกราฟ stress–strain จึงสำคัญ เพราะช่วยให้เห็นว่าตัวอย่างมี peak ชัด เกิดการอ่อนตัวหลัง peak หรือเสียรูปต่อเนื่องโดยไม่มีจุดสูงสุดเด่น

Undrained Shear Strength: s_u

สำหรับการตีความแบบ unconfined compression ของ cohesive soil ความสัมพันธ์ที่ใช้กันทั่วไปคือ:

s_u = q_u / 2

FHWA อธิบายความสัมพันธ์นี้จาก Mohr’s circle สำหรับการทดสอบ unconfined compression อย่างไรก็ตาม ASTM D2166/D2166M-24 เน้นว่าการทดสอบไม่มีการจำลองสภาพความเค้นในสนามก่อนการให้แรง และเงื่อนไขการระบายน้ำระหว่างการเฉือนไม่ได้ถูกควบคุมแน่นอน ผล UCT จึงควรมองเป็น index of undrained shear strength มากกว่าการสมมติว่าเป็นค่าตัวแทนสภาพ in-situ ทุกกรณี

ขั้นตอน Unconfined Compression Test โดยภาพรวม

รายละเอียดจริงต้องดำเนินการตามมาตรฐาน ห้องปฏิบัติการ และสภาพตัวอย่าง แต่ภาพรวมของการทดสอบมีดังนี้

1. ตรวจสอบและเตรียมตัวอย่าง

เลือกตัวอย่าง cohesive soil ที่เหมาะกับ UCT ตัดแต่งเป็นทรงกระบอก และลดการรบกวนตัวอย่างให้น้อยที่สุด หากเป็น intact sample ควรรักษา orientation และ moisture condition เท่าที่วิธีทดสอบกำหนดและสภาพตัวอย่างเอื้ออำนวย

2. วัดขนาดและมวลเริ่มต้น

วัดเส้นผ่านศูนย์กลาง ความสูง และข้อมูลที่จำเป็นต่อการคำนวณพื้นที่หน้าตัด ความหนาแน่น หรือ unit weight ตามขอบเขตรายงาน ตัวอย่างควรมีรูปทรงสม่ำเสมอและปลายตัวอย่างเหมาะกับการรับแรงจาก platen

3. วางตัวอย่างในเครื่องทดสอบ

วางแท่งตัวอย่างให้แนวแกนตรงกับแนวการให้แรง ไม่มี cell pressure หรือแรงดันด้านข้างมาล้อมตัวอย่าง ซึ่งเป็นลักษณะที่ทำให้ UCT ต่างจากการทดสอบ Triaxial

4. ให้แรงด้วยการควบคุมอัตราการเสียรูป

เครื่องทดสอบเพิ่ม axial load พร้อมบันทึก load และ deformation อย่างต่อเนื่อง อัตราการ strain ต้องเหมาะกับวิธีทดสอบและเงื่อนไขที่กำหนด เพราะอัตราการให้แรงสามารถมีผลต่อพฤติกรรมของดินที่ไวต่อ drainage และ rate effects

5. คำนวณ stress–strain และระบุ q_u

ข้อมูลแรงและการเปลี่ยนรูปถูกใช้คำนวณ axial strain พื้นที่หน้าตัดที่แก้ไข และ compressive stress จากนั้นเลือกค่ากำลังตามเกณฑ์ของวิธีทดสอบ พร้อมบันทึกลักษณะการวิบัติของตัวอย่าง

6. ตรวจสภาพตัวอย่างหลังทดสอบ

ลักษณะการแตกร้าว การเฉือนเฉียง การป่องตัว หรือรูปแบบการเสียรูปอื่นช่วยประกอบการตีความผล หากรายงานมีภาพก่อนและหลังทดสอบจะช่วยให้วิศวกรเข้าใจคุณภาพตัวอย่างและ failure mode ได้ดีขึ้น

กราฟ Stress–Strain อ่านอย่างไร?

กราฟ UCT โดยทั่วไปใช้ axial strain บนแกนนอนและ compressive stress บนแกนตั้ง ช่วงต้นของกราฟแสดงการตอบสนองเมื่อเริ่มรับแรง จากนั้น stress จะเพิ่มขึ้นตามการเสียรูปจนถึง peak หรือเข้าสู่ช่วงที่ตัวอย่างเสียรูปมากโดยไม่เกิด peak ชัดเจน

• Peak ชัดเจน: พบได้ในตัวอย่างที่แสดง failure ค่อนข้างชัด โดย q_u สัมพันธ์กับค่าสูงสุดตามเกณฑ์ของวิธีทดสอบ
• กราฟค่อย ๆ เพิ่มโดยไม่มี peak เด่น: ต้องพิจารณาเกณฑ์ strain ของมาตรฐาน ไม่ควรเลือกตัวเลขจากกราฟตามความรู้สึก
• กราฟผิดปกติตั้งแต่ช่วงต้น: อาจสัมพันธ์กับ seating ของตัวอย่าง ผิวปลายไม่เรียบ ตัวอย่างเอียง รอยแตกเดิม หรือ disturbance
• กำลังตกลงหลัง peak: ช่วยบอกพฤติกรรม post-peak แต่การตีความเพื่อการออกแบบต้องพิจารณาวัตถุประสงค์ของโครงการและวิธีวิเคราะห์ที่เหมาะสม

UCT ต่างจาก Triaxial UU อย่างไร?

ความแตกต่างนี้สำคัญมากเมื่อต้องเลือกการทดสอบให้ตรงกับคำถามทางวิศวกรรม หากตัวอย่างไม่เหมาะกับ UCT หรือโครงการต้องการพิจารณาสภาวะความเค้นที่มี confinement การเลือก Triaxial หรือวิธี strength test อื่นอาจเหมาะสมกว่า

ผล UCT ใช้ประโยชน์อะไรในงานวิศวกรรมปฐพี?

1. ประเมินกำลังของ cohesive soil อย่างรวดเร็ว

UCT ช่วยให้ได้ค่ากำลังจากตัวอย่างดินเหนียวได้รวดเร็วเมื่อสภาพตัวอย่างเหมาะ เป็นข้อมูลหนึ่งในการอธิบายความแข็งแรงและ consistency ของชั้นดินร่วมกับคำบรรยายตัวอย่างและข้อมูลภาคสนาม

2. ประกอบการสร้าง Soil Profile

เมื่อนำค่ากำลังไปจับคู่กับรหัสตัวอย่างและระดับความลึกจาก Boring Log วิศวกรสามารถเห็นแนวโน้มของชั้นดินเหนียวตามความลึกได้ชัดขึ้น แต่ควรตรวจว่าตัวอย่างเป็นตัวแทนของชั้นดินและคุณภาพการเก็บตัวอย่างเหมาะสม

3. เปรียบเทียบ Intact และ Remolded Soil

ASTM ระบุว่าสามารถพิจารณา sensitivity ได้เมื่อมีการทดสอบตัวอย่างเดียวกันทั้งสภาพ intact และ remolded และวัสดุ remolded ยังคงรูปเพื่อทดสอบได้ การเปรียบเทียบนี้ช่วยให้เห็นว่ากำลังของดินลดลงมากเพียงใดเมื่อโครงสร้างเดิมของดินถูกรบกวน

4. ใช้ร่วมกับผลทดสอบอื่น

การอ่าน UCT ร่วมกับ Sieve Analysis ข้อมูล plasticity, water content, unit weight และผลภาคสนามช่วยให้ภาพของวัสดุสมบูรณ์กว่าการดูค่า q_u เพียงค่าเดียว สำหรับวัสดุถมหรืองานบดอัด ควรแยกวัตถุประสงค์จาก Proctor Compaction Test ซึ่งมุ่งหาความสัมพันธ์ moisture–density และ OMC/MDD ไม่ใช่กำลังอัดแกนเดียวของตัวอย่างดินธรรมชาติ

ข้อจำกัดสำคัญที่ไม่ควรมองข้าม

• ไม่มีแรงดันล้อมรอบ: UCT ไม่ได้จำลอง in-situ stress state ก่อนการให้แรง จึงมีข้อจำกัดเมื่อใช้แทนสภาพจริงในสนาม
• ความไวต่อ Sample Disturbance: การเก็บ ขนส่ง ดันตัวอย่างออกจาก tube และตัดแต่งล้วนเปลี่ยนพฤติกรรมได้
• ใช้กับวัสดุที่เหมาะเท่านั้น: ดินที่ไม่คงรูป ดินทราย และวัสดุบางประเภทอยู่นอกขอบเขตของวิธีนี้
• Water Content และ Saturation มีผล: สภาพความชื้นและระดับ saturation สามารถเปลี่ยน drainage condition และผล strength ได้
• ไม่ควรใช้ correlation แทนการทดสอบโดยไม่ตรวจสอบ: การประมาณ s_u จาก SPT-N หรือข้อมูลชนิดอื่นมีความไม่แน่นอน FHWA ระบุว่าความสัมพันธ์ระหว่าง N-value กับ undrained shear strength ของ clay เป็นการประมาณอย่างหยาบและไม่ควรใช้เป็นฐานเดียวของ final design
• ไม่ใช่คำตอบของทุกปัญหาฐานราก: การออกแบบอาจต้องใช้ข้อมูล settlement, consolidation, groundwater, effective stress และพารามิเตอร์อื่นเพิ่มเติม

ควรส่งข้อมูลอะไรให้ห้องปฏิบัติการ?

การส่งเพียง “ตัวอย่างดิน” โดยไม่มี context ทำให้การตีความผลยากขึ้น ข้อมูลที่ควรติดตามตัวอย่าง ได้แก่ ชื่อโครงการ หมายเลขหลุมเจาะ รหัสตัวอย่าง ความลึก วิธีเก็บตัวอย่าง สภาพตัวอย่าง วันที่เก็บ รายการทดสอบที่ต้องการ และมาตรฐานหรือข้อกำหนดโครงการ หากมี Shelby tube หรือ undisturbed sample ควรทำเครื่องหมาย top/bottom และรักษาตัวอย่างให้เหมาะสมจนถึงห้องปฏิบัติการ

ถ้ายังไม่แน่ใจว่า UCT เหมาะกับตัวอย่างหรือไม่ สามารถเริ่มจากการอธิบายชนิดงานและวัตถุประสงค์ให้ห้องปฏิบัติการทราบ เพื่อพิจารณาว่าควรใช้ UCT, Triaxial หรือการทดสอบชนิดอื่น หากโครงการยังไม่มีข้อมูลชั้นดิน สามารถดูภาพรวม บริการเจาะสำรวจและทดสอบดินของ EXESOIL และ ติดต่อทีมงาน เพื่อวาง scope การสำรวจและทดสอบให้สอดคล้องกับงานจริง

UCT เกี่ยวข้องกับ Field Density และ Proctor หรือไม่?

ทั้งสามเป็นการทดสอบดิน แต่ตอบคำถามต่างกันอย่างชัดเจน

การแยกวัตถุประสงค์ของแต่ละ test ช่วยลดความผิดพลาดในการสั่งทดสอบและป้องกันการนำค่าจากการทดสอบหนึ่งไปตอบคำถามที่อยู่นอกขอบเขตของมัน

FAQ: คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ Unconfined Compression Test

UCT ใช้ทดสอบดินทรายได้หรือไม่?

โดยทั่วไปไม่ใช้ เพราะดินทรายไม่สามารถคงรูปเป็นตัวอย่างที่มี intrinsic strength โดยไม่มีแรงดันล้อมรอบตามเงื่อนไขของ UCT ASTM D2166/D2166M-24 ระบุว่าดินทรายอยู่นอกขอบเขตวัสดุที่ให้ค่า UCT ที่ใช้ได้ตามวิธีนี้

ค่า q_u กับ s_u เหมือนกันหรือไม่?

ไม่เหมือนกัน q_u คือ unconfined compressive strength ส่วน s_u คือ undrained shear strength สำหรับการตีความแบบ UCT ใช้ความสัมพันธ์ s_u = q_u/2 ภายใต้กรอบและสมมติฐานของวิธีทดสอบ

UCT ใช้แทน Triaxial Test ได้หรือไม่?

ไม่ควรถือว่าแทนกัน ASTM D2166/D2166M-24 ระบุโดยตรงว่า UCT ไม่ใช่ตัวแทนของ ASTM D2850 ซึ่งเป็น unconsolidated-undrained triaxial test ที่มี lateral confinement

ทำไมตัวอย่างจากหลุมเดียวกันจึงให้ค่า UCT ต่างกัน?

ชั้นดินธรรมชาติไม่สม่ำเสมอ และผลยังได้รับอิทธิพลจากระดับความลึก water content โครงสร้างดิน รอยแตก ระดับ disturbance วิธีเก็บตัวอย่างและการเตรียม specimen จึงควรอ่านค่าควบคู่กับ Boring Log และข้อมูลตัวอย่าง ไม่ใช่เปรียบเทียบเฉพาะตัวเลขโดยไม่ดูบริบท

ค่า UCT สูงแปลว่าฐานรากรับน้ำหนักได้สูงเสมอหรือไม่?

ไม่ควรสรุปเช่นนั้นโดยตรง ความสามารถรับน้ำหนักของฐานรากขึ้นกับ geometry, depth, groundwater, stress history, failure mode, settlement และพารามิเตอร์อื่น UCT เป็นข้อมูล strength ชนิดหนึ่ง ไม่ใช่ผล bearing capacity ของฐานรากสำเร็จรูป

ถ้าตัวอย่างแตกหรือร่วนก่อนทดสอบควรทำอย่างไร?

ควรหยุดพิจารณาความเหมาะสมของ UCT มากกว่าฝืนทดสอบ หากตัวอย่างไม่สามารถคงรูปหรืออยู่นอกขอบเขตมาตรฐาน ควรเลือกวิธีทดสอบอื่นที่เหมาะกับวัสดุและวัตถุประสงค์

สรุป

Unconfined Compression Test เป็นการทดสอบกำลังที่เรียบง่ายและมีประโยชน์มากสำหรับ cohesive soil ที่เหมาะสมกับการทดสอบ โดยให้ค่า q_u และช่วยประเมิน s_u ในฐานะ index ของ undrained shear strength จุดสำคัญไม่ได้อยู่ที่การได้ “ตัวเลขกำลัง” เพียงค่าเดียว แต่คือการรู้ว่าตัวอย่างนั้นเหมาะกับ UCT หรือไม่ คุณภาพตัวอย่างเป็นอย่างไร และผลจะถูกใช้ตอบคำถามทางวิศวกรรมประเภทใด

สำหรับงานจริง ควรอ่านผล UCT ร่วมกับตำแหน่งและความลึกของตัวอย่าง Boring Log คุณสมบัติทางกายภาพของดิน สภาพน้ำใต้ดิน และผลทดสอบอื่นที่เกี่ยวข้อง หากต้องการวางแผนรายการทดสอบหรือสอบถามบริการห้องปฏิบัติการ สามารถ ติดต่อ Expert Soil Service & Engineering พร้อมรายละเอียดโครงการและตัวอย่าง เพื่อเลือก scope ที่เหมาะสมก่อนดำเนินงาน

แหล่งอ้างอิงทางเทคนิค

• ASTM D2166/D2166M-24 — Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil
• FHWA NHI-06-088 — Soils and Foundations, Volume I
• FHWA GEC 12 — Design and Construction of Driven Pile Foundations, Volume I

บทความนี้จัดทำเพื่อให้ความรู้ทั่วไปด้านงานทดสอบดิน ไม่ใช่เอกสารแทนมาตรฐานฉบับเต็ม แบบ รายการประกอบแบบ หรือการวิเคราะห์/ออกแบบโดยวิศวกรสำหรับโครงการเฉพาะ ควรตรวจ Edition/Revision ของมาตรฐานและข้อกำหนดโครงการก่อนใช้งานจริง