Piezometer คืออะไร วัดอะไร?
Piezometer คือเครื่องมือวัดแรงดันน้ำในโพรงดิน ณ ระดับความลึกเจาะจง หัววัดติดตั้งในหลุมเจาะ แล้วซีลแยกโซนวัดออกจากชั้นน้ำอื่นด้วยเบนโทไนต์ ค่าที่อ่านได้จึงเป็นแรงดันน้ำของชั้นดินระดับนั้น ไม่ปนกับน้ำจากชั้นบนหรือชั้นล่าง Piezometer เป็น 1 ใน 10 เครื่องมือวัดหลักของงานธรณีเทคนิค อ่านภาพรวมทั้งระบบได้ในบทความเครื่องมือวัดทางธรณีเทคนิค (Instrumentation) คืออะไร
แรงดันน้ำสำคัญเพราะกำลังของดินไม่ได้ขึ้นกับน้ำหนักกดทับตรง ๆ แต่ขึ้นกับหน่วยแรงประสิทธิผล (Effective Stress) ซึ่งเท่ากับหน่วยแรงรวมหักด้วยแรงดันน้ำ เขียนเป็นสมการได้ว่า σ′ = σ − u เมื่อแรงดันน้ำ (u) สูงขึ้น หน่วยแรงประสิทธิผล (σ′) ลดลง กำลังต้านทานของดินก็ลดลงตาม
งานขุดลึก คันดิน และลาดดินจำนวนมากวิบัติเพราะแรงดันน้ำเปลี่ยนไปจากที่ออกแบบไว้ การวัดแรงดันน้ำจริงในสนามจึงเป็นข้อมูลที่ใช้ตัดสินความปลอดภัยของงานโดยตรง
Piezometer ต่างจาก Observation Well อย่างไร?
Piezometer ต่างจาก Observation Well ที่ความกว้างของ "โซนวัด" Observation Well มีท่อกรองเกือบตลอดความยาว น้ำจากทุกชั้นที่ท่อตัดผ่านไหลเข้ามารวมกัน ค่าที่ได้คือระดับน้ำรวมเฉลี่ย ส่วน Piezometer ซีลแยกโซนวัดให้แคบ ค่าที่ได้คือแรงดันน้ำเฉพาะระดับความลึกที่เลือก
งานที่ต้องรู้ค่ารายชั้นจึงต้องใช้ Piezometer เช่น พื้นที่ที่มีชั้นน้ำบาดาลซ้อนกันหลายชั้น หรือการติดตามแรงดันน้ำในชั้นดินเหนียวระหว่างถมดิน อ่านการเปรียบเทียบแบบละเอียดพร้อมโครงสร้างภายในของบ่อสังเกตการณ์ได้ในบทความObservation Well บ่อสังเกตการณ์ระดับน้ำใต้ดิน ดูตัวอย่างงานที่ติดตั้งทั้งสองชนิดคู่กันได้ที่ Case Study Piezometer 8 ม. และ Monitoring Well สมุทรปราการ
Standpipe Piezometer (Casagrande) ทำงานอย่างไร?
Standpipe Piezometer (แบบ Casagrande) คือท่อยืนขนาดเล็กที่มีหัวกรองพรุน (Porous Tip) ติดอยู่ที่ปลาย หย่อนลงหลุมเจาะถึงระดับที่ต้องการวัด รอบหัวกรองกรุด้วยทรายกรอง เหนือขึ้นมาซีลด้วยเบนโทไนต์เพื่อปิดโซนวัด แล้วกรอกหลุมส่วนที่เหลือจนถึงปากหลุม น้ำจากชั้นดินซึมผ่านหัวกรองเข้าท่อ จนระดับน้ำในท่อสมดุลกับแรงดันน้ำของชั้นนั้น
ระดับน้ำในท่อจึงเป็นตัวแทนของแรงดันน้ำที่ปลายท่อ แรงดันน้ำที่ระดับหัวกรองเท่ากับหน่วยน้ำหนักของน้ำคูณความสูงของน้ำเหนือหัวกรอง (u = γw × h) น้ำสูง 1 เมตรเทียบเท่าแรงดันประมาณ 9.81 kPa หรือราว 1 ตัน/ตร.ม.
การอ่านค่าใช้ Dip Meter หย่อนลงในท่อ เมื่อหัววัดแตะผิวน้ำเครื่องจะส่งเสียง อ่านความลึกจากเทปวัดแล้วคำนวณกลับเป็นแรงดันน้ำ ข้อดีคือโครงสร้างเรียบง่าย ทนทาน ใช้งานได้นานหลายสิบปี และตรวจสอบความผิดปกติได้ง่าย
ข้อจำกัดสำคัญคือความล่าช้าในการตอบสนอง (Time Lag) ในดินความซึมน้ำต่ำอย่างดินเหนียว น้ำไหลเข้าท่อช้า ค่าที่อ่านจึงตามหลังแรงดันจริง นอกจากนี้ยังต้องส่งคนไปอ่านทีละจุดทุกรอบ
Vibrating Wire Piezometer ทำงานอย่างไร?
Vibrating Wire Piezometer คือหัววัดแรงดันน้ำที่ใช้หลักการลวดสั่น ภายในหัววัดมีเส้นลวดขึงระหว่างไดอะแฟรมกับตัวเรือน เมื่อแรงดันน้ำกดไดอะแฟรม ความตึงของลวดเปลี่ยน ความถี่ธรรมชาติของลวดก็เปลี่ยนตาม เครื่องอ่าน (Readout Unit) ส่งสัญญาณกระตุ้นให้ลวดสั่นแล้ววัดความถี่ จากนั้นแปลงกลับเป็นค่าแรงดันน้ำ
สัญญาณความถี่ทนต่อการรบกวนในสายยาวได้ดี จึงเดินสายจากหัววัดที่ฝังลึกขึ้นมาอ่านที่ปากหลุมหรือต่อเข้า Datalogger อ่านอัตโนมัติจากระยะไกลได้
จุดแข็งที่ทำให้ Vibrating Wire เป็นตัวเลือกหลักของงานเฝ้าระวังคือความเร็วตอบสนอง ไดอะแฟรมต้องการน้ำปริมาณน้อยมากในการขยับ จึงอ่านการเปลี่ยนแปลงแรงดันได้เกือบทันที แม้ในดินเหนียวที่ Standpipe ต้องรอหลายวัน
ก่อนติดตั้ง หัววัดแต่ละตัวต้องผ่านการทดสอบรับรอง (Pre-installation Acceptance Test) ตามแนวทาง ASTM D7764-20 เพื่อยืนยันว่าหัววัดทำงานถูกต้องก่อนฝังลงดิน เพราะเมื่อฝังแล้วนำขึ้นมาตรวจซ่อมไม่ได้อีก
ระดับที่ฝังหัววัดไม่ได้เลือกจากความลึกกลม ๆ แต่เลือกจากชั้นดินที่ต้องการรู้แรงดัน แบบด้านล่างวางผังชั้นดินจากหลุมเจาะไว้คู่กับแบบติดตั้ง จะเห็นว่าหัววัดถูกวางในชั้นทรายปนดินเหนียวด้านล่าง หุ้มด้วยทราย แล้วปิดทับด้วยลูกเบนโทไนต์ก่อนกรอกน้ำปูนเบนโทไนต์-ซีเมนต์ตลอดความยาวที่เหลือ
Standpipe กับ Vibrating Wire เลือกแบบไหนดี?
เลือก Standpipe เมื่อต้องการจุดติดตามระยะยาวที่ทนทานและงบจำกัด เลือก Vibrating Wire เมื่อค่าเปลี่ยนเร็ว หัววัดอยู่ในดินเหนียว หรือต้องอ่านค่าอัตโนมัติ ทั้งสองแบบวัดแรงดันน้ำเหมือนกัน แต่เหมาะกับงานคนละลักษณะ
ภาพ 2 มิติด้านล่างวางหลุมเจาะของทั้งสองแบบไว้ข้างกัน ให้สังเกต 3 จุด จุดแรกคือวัสดุกรอกหลุมที่เหมือนกันทั้งสองแบบ ได้แก่ ทรายกรอง เบนโทไนต์ซีล และซีเมนต์-เบนโทไนต์ จุดที่สองคือวิธีได้ค่า แบบ Standpipe อ่านระดับน้ำในท่อ ส่วนแบบ Vibrating Wire ส่งค่าผ่านสายสัญญาณ จุดที่สามคือกราฟเล็กด้านล่างที่เทียบความเร็วตอบสนองเมื่อแรงดันน้ำในดินเปลี่ยน
ตารางด้านล่างสรุปความต่างหลักที่ใช้ตัดสินใจจริง
← เลื่อนดูตารางทั้งหมด →
| หัวข้อ | Standpipe (Casagrande) | Vibrating Wire |
|---|---|---|
| หลักการวัด | ระดับน้ำในท่อสมดุลกับแรงดันน้ำ อ่านด้วย Dip Meter | เซนเซอร์ลวดสั่น แปลงความถี่เป็นแรงดัน |
| ความเร็วตอบสนอง | ช้าในดินเหนียว ต้องรอน้ำไหลเข้าท่อ | เกือบทันที แม้ในดินความซึมน้ำต่ำ |
| การอ่านค่า | ส่งคนอ่านทีละจุดทุกรอบ | ต่อ Datalogger อ่านอัตโนมัติ แจ้งเตือนระยะไกลได้ |
| ความทนทาน | สูงมาก ไม่มีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในดิน | ขึ้นกับอายุเซนเซอร์ ฝังแล้วตรวจซ่อมไม่ได้ |
| ค่าใช้จ่าย | ต่ำกว่า | สูงกว่า ทั้งหัววัดและระบบอ่าน |
| เหมาะกับ | ติดตามระยะยาว จุดที่เข้าถึงง่าย งบจำกัด | งานเฝ้าระวังที่ค่าเปลี่ยนเร็ว ดินเหนียว จุดเข้าถึงยาก |
หลายโครงการใช้ทั้งสองแบบผสมกัน โดยวาง Vibrating Wire ในโซนวิกฤตที่ต้องการค่าเร็วและถี่ ส่วน Standpipe กระจายเป็นจุดติดตามระยะยาวที่ทนทานและตรวจทานง่าย ทั้งนี้ชนิดและจำนวนขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของแต่ละโครงการ
Piezometer ใช้กับงานอะไรบ้าง?
Piezometer ใช้กับงาน 4 กลุ่มหลัก คือ งานขุดลึก งานถมดินบนดินอ่อน คันดินและเขื่อน และงานลาดดิน ทุกงานมีจุดร่วมคือแรงดันน้ำเป็นตัวกำหนดเสถียรภาพ
งานขุดลึก ใช้ติดตามแรงดันน้ำหลังกำแพงกันดินและใต้ก้นบ่อขุด เพื่อยืนยันผลการลดระดับน้ำ (Dewatering) และเฝ้าระวังแรงดันน้ำใต้ชั้นดินเหนียวก้นบ่อที่อาจดันพื้นบ่อวิบัติ โดยทั่วไปติดตั้งคู่กับ Inclinometer ที่วัดการเคลื่อนตัวด้านข้างของดินและกำแพง เพื่อดูพฤติกรรมดินให้ครบทั้งแรงและการเคลื่อนตัว
งานถมดินบนดินอ่อน (PVD + Preloading) เมื่อถมดินกดทับ ดินเหนียวอ่อนจะเกิดแรงดันน้ำส่วนเกิน (Excess Pore Pressure) การอัดตัวคายน้ำคืบหน้าเท่าไรดูได้จากอัตราการสลายตัวของแรงดันน้ำส่วนเกินนี้ Piezometer จึงเป็นเครื่องมือหลักที่ใช้ตัดสินว่าดินอัดตัวได้ตามแผนหรือยัง อ่านหลักการปรับปรุงดินวิธีนี้ได้ในบทความPVD และ Preloading ปรับปรุงดินอ่อนอย่างไร
ภาพ 3 มิติด้านล่างแสดงงานถมดินบนดินเหนียวอ่อน ซึ่งเป็นงานที่เห็นบทบาทของ Piezometer ชัดที่สุด หัววัดฝังไว้ 3 ระดับความลึกใต้คันดิน โซนสีฟ้าคือบริเวณที่เกิดแรงดันน้ำส่วนเกิน (Δu) ส่วนกราฟในกรอบขวาแสดงว่า Δu ขึ้นตอนถมและค่อย ๆ ลดลงตอนพักการถม
วิธีอ่านผลมี 3 ข้อ ข้อแรก ระหว่างถม Δu สูงขึ้นตามน้ำหนักดินถม หน่วยแรงประสิทธิผลยังไม่เพิ่ม กำลังของดินจึงยังไม่ดีขึ้น ข้อสอง เมื่อพักการถม น้ำระบายออก Δu ลดลง และดินแข็งแรงขึ้น ข้อสาม ถ้า Δu ขึ้นเร็วและไม่ลดลงในช่วงพัก แสดงว่าถมเร็วกว่าที่ดินระบายน้ำได้ทัน วิศวกรจะชะลอหรือพักการถมตามเกณฑ์ที่ผู้ออกแบบกำหนด ค่าจาก Piezometer ควรอ่านคู่กับ Settlement Plate และ Inclinometer เสมอ เพื่อยืนยันพฤติกรรมของดินจากข้อมูลมากกว่าหนึ่งชนิด
คันดินและเขื่อน ใช้ติดตามแรงดันน้ำในตัวคันและฐานรากตลอดอายุใช้งาน แนวการไหลซึมที่ผิดปกติมักแสดงตัวเป็นแรงดันน้ำที่สูงผิดตำแหน่ง ก่อนที่ความเสียหายจะมองเห็นที่ผิว
งานลาดดิน ระดับน้ำที่สูงขึ้นช่วงฝนตกหนักเป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้ลาดดินวิบัติ การวัดแรงดันน้ำคู่กับการเคลื่อนตัวช่วยให้เตือนภัยได้ก่อนเกิดเหตุ
Piezometer อ้างอิงมาตรฐานอะไร และค่าบริการเท่าไร?
งานเครื่องมือวัดทางธรณีเทคนิคไม่มีมาตรฐาน มยผ. เฉพาะ การทดสอบรับรองหัววัด Vibrating Wire ก่อนติดตั้งอ้างอิง ASTM D7764-20 (Standard Practice for Pre-Installation Acceptance Testing of Vibrating Wire Piezometers) ซึ่งกำหนดการทดสอบสองรายการคือ zero test และ down-hole test ส่วนวิธีติดตั้งและรอบการอ่านค่าเป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะโครงการและคู่มือของผู้ผลิตหัววัด
บริการของ SPN ครอบคลุมตั้งแต่เจาะติดตั้ง ทดสอบรับรองหัววัด อ่านค่าฐาน อ่านค่าตามรอบ จนถึงประมวลผลและจัดทำรายงาน รายงานรับรองโดยวิศวกรโยธาที่มีใบอนุญาต (กว.) สภาวิศวกร พร้อมลายเซ็นและเลขทะเบียน ใช้ประกอบการยื่นต่อหน่วยงานที่เกี่ยวข้องได้ ดูขอบเขตบริการทั้งหมดที่หน้างานติดตั้งเครื่องมือวัดและตรวจวัดพฤติกรรม
ค่าบริการขึ้นกับชนิดหัววัด ความลึกติดตั้ง จำนวนจุด และรอบการอ่านค่า จึงประเมินเป็นรายโครงการ ติดต่อรับใบเสนอราคาฟรีภายใน 24 ชั่วโมง ทั้งนี้ราคายังไม่รวมค่าเดินทางและค่าขนย้ายเครื่องมือ ซึ่งคิดเพิ่มตามระยะทางของหน้างาน
เนื้อหาอธิบายหลักการทำงานและการเลือกใช้ Piezometer เพื่อความเข้าใจเบื้องต้น ชนิดหัววัด ตำแหน่งและความลึกติดตั้ง รวมถึงความถี่การอ่านค่าของแต่ละโครงการ ต้องกำหนดโดยวิศวกรผู้รับผิดชอบตามเงื่อนไขเฉพาะของงานนั้น