สาเหตุและปัญหา
สาเหตุหลักที่ไม่สามารถสร้างแบบจำลองดินที่สมบูรณ์ถูกต้องได้ เนื่องมาจากสภาพระดับแรงเค้น (Stress Level) ที่ควบคุมพฤติกรรมของดินที่อาจเกิดจากการทับถมกันตามธรรมชาติ หรือเกิดจากการสร้างของมนุษย์ไม่สามารถถูกจำลองได้ด้วยดินปริมาณน้อยๆ ในห้องทดลอง ตัวอย่างเช่น ในการศึกษา พฤติกรรมการเลื่อนไถลตัวของคันดินถมสูง 10 เมตร จะไม่สามารถสร้างระดับ Stress Level หรือแรงกดทับเนื่องจากน้ำหนักตัวเองโดยการนำดินสูงแค่ 10 เซนติเมตรมาสร้างแบบจำลองขนาดเล็กและนำมาทดสอบในห้องทดลองได้ ถึงแม้ว่าจะมีการสร้างรูปร่างให้เหมือนกันก็ตาม หรือ มีการเพิ่มแรงกดทับจากด้านบนโดยใช้แม่แรงเพื่อให้มี Stress Level ที่ถูกต้องก็ยังสร้างความคลาดเคลื่อนอยู่ดี นอกจากนี้ผลของพฤติกรรมการรับน้ำหนักและ รูปแบบการพังทลายจะไม่สอดคล้องกับพฤติกรรมจริงที่จะเกิดขึ้นในสนาม รวมถึงไม่สอดคล้องกับทฤษฎีทางปฐพีกลศาสตร์ที่ซึ่งมีการเรียนการสอนกันมา ถึงแม้ว่าจะใช้ดินชนิดเดียวกันก็ตาม

การแก้ปัญหาและการแนะนำเทคนิคใหม่
เทคนิคนี้มีการคิดค้นเริ่มแรกเมื่อ 75 ปีก่อน ณ ประเทศสหรัฐอเมริกาและสหภาพโซเวียต และถูกศึกษามาโดยตลอด 30 ปีที่ผ่านมา โดยถือว่าเป็นเทคนิคใหม่ที่ปฎิวัติวงการวิศวกรรมเทคนิคธรณี เทคนิคนี้จะใช้หลักการการจำลองแบบหมุนเหวี่ยง (Centrifuge Modeling) เข้ามาช่วยในการจำลองโครงสร้างดิน

แบบจำลองจะถูกเพิ่มน้ำหนักโดยการหมุนรอบแกนๆหนึ่ง จนดินและโครงสร้างที่เกี่ยวข้องมีน้ำหนักเพิ่มขึ้นตามแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ เช่นเป็น 100 เท่า พฤติกรรมและรูปแบบการพังทลายของคันดินสูง 10 เซนติเมตร จะมีความคล้ายคลึงและความถูกต้องเหมือนกับคันดินนั้นสูงจริง 10 เมตร เนื่องจาก Stress Level ในดินที่ตำแหน่งต่างๆ เท่ากับของจริง แต่อย่างไรก็ตามปัญหาที่ตามมาคือ ทำอย่างไรจึงสามารถหมุนและเหวี่ยงแบบจำลองดินซึ่งมีน้ำหนักมากให้ได้ความเร็วในการหมุนสูงขนาดนั้นได้ พร้อมทั้งสามารถตรวจจับค่าน้ำหนัก แรง และ ความดันต่างๆ ขณะแบบจำลองหมุนด้วยความเร็วสูง ซึ่งอาจสูงถึง 400 รอบต่อนาที (ใกล้เคียงกับการเปิดพัดลม เบอร์ 2) และยังต้องควบคุมให้เกิดพฤติกรรมการพังทลายอีกด้วย

เครื่องหมุนเหวี่ยงทางเทคนิคธรณี (Geotechnical Centrifuge)
หลังจากเทคนิคการหมุนเหวี่ยงเริ่มเป็นที่ยอมรับ การพัฒนาเครื่องหมุนเหวี่ยงก็เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยเครื่องหมุนเหวี่ยงเครื่องแรกถูกคิดค้นขึ้นมาจากการใช้ถังขนาดใหญ่ ในการหมุนดินให้ดินเกาะภายในผนังถังและ ทำการศึกษาพฤติกรรมต่างๆ เครื่องที่ใช้ระบบถังหมุนนี้มีชื่อเรียกว่า เครื่องหมุนเหวี่ยงแบบถัง (Drum Centrifuge) ต่อมา เครื่องหมุนเหวี่ยงมีการพัฒนาให้มีขนาดใหญ่ขึ้น มีความแข็งแรงขึ้น และ สามารถหมุนได้เร็วขึ้น ซึ่งเครื่องหมุนเหวี่ยงรุ่นต่อมาถูกพัฒนามาใช้ระบบคานหมุน พร้อมกระเช้าที่สามารถแกว่งหมุนจากแนวตั้งมาเป็นแนวนอนได้เมื่อถูกหมุนด้วยความเร็วสูง เครื่องชนิดนี้สามารถหมุนแบบจำลองที่หนักถึง 2-3 ตัน ให้มีน้ำหนักเพิ่มขึ้น 100-150 เท่า ซึ่งในปัจจุบันเครื่องหมุนเหวี่ยงเหล่านี้มีราคาแพงและถูกสร้างมาโดยเฉพาะสำหรับแต่ละสถานที่และผู้ใช้ โดยกระจายอยู่ในมหาวิทยาลัยชั้นนำและหน่วยงานสำคัญๆทั้งภาครัฐและภาคเอกชนทั่วโลกในระยะ 30 ปีที่ผ่านมา โดยมีใช้กันมากที่ ประเทศสหรัฐอเมริกา รัสเซีย ยุโรป ญี่ปุ่น และจีน เป็นต้น โดยในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ประเทศสิงค์โป ณ National University of Singapore (NUS) เป็นประเทศแรกที่มีเครื่องหมุนเหวี่ยงนี้ใช้ในงานวิจัย

การพัฒนาและการเผยแพร่เทคนิคนี้ในประเทศไทย
เทคนิคนี้ถึงแม้ว่าจะมีการคิดค้นมานานแล้วในต่างประเทศ แต่ประเทศไทยพึงริเริ่มและตระหนักในการนำเทคนิคนี้มาใช้ประโยชน์ภายในประเทศ แต่ยังขาดบุคลากรและ เงินทุนสนับสนุนเพื่อสร้างเครื่องหมุนเหวี่ยงนี้ขึ้นซึ่งอาจจะเป็นชุดสำเร็จรูป ที่นำเข้าซึ่งมีราคาสูงหรืออาจจะเป็นการประดิษฐ์ขึ้นเองภายในประเทศ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ นำโดย รศ. ดร. วรากร ไม้เรียง เล็งเห็นถึงประโยชน์ในอนาคตของเครื่องดังกล่าว จึงมีแนวคิดที่จะทำการติดตั้งเครื่องหมุนเหวี่ยงขนาดใหญ่ดังกล่าวเป็นเครื่องแรกของประเทศ และ เป็นเครื่องที่สองของอาเซียน โดยได้รับการสนับสนุนทางเทคนิคและคำปรึกษาจากประเทศญี่ปุ่นและสิงค์โป แต่อย่างไรก็ตามยังมีอุปสรรคด้านเงินทุนสนับสนุน เนื่องจากยังไม่มีการตื่นตัวและ เห็นความสำคัญของเทคนิคนี้ในประเทศ

เพื่อเป็นการกระตุ้นการเผยแพร่เทคนิคนี้ภายในประเทศให้ได้เร็วที่สุด ภาควิชาครุศาสตร์โยธา มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) นำโดย ดร. กิติเดช สันติชัยอนันต์ จึงได้ทดลองออกแบบและสร้างต้นแบบเครื่องทดสอบแบบหมุนเหวี่ยงทางวิศวกรรมเทคนิคธรณีแบบคานหมุนขึ้นมา โดยถือว่าเครื่องดังกล่าวเป็นเครื่องต้นแบบขนาดเล็กเครื่องแรกของประเทศที่ใช้ในจุดประสงค์นี้ โดยทำการออกแบบและติดตั้งโดยบุคลากรภายในประเทศ ตลอดจนอาศัยอุปกรณ์และเทคโนโลยีพื้นฐานภายในประเทศเช่นกัน

หลักการต่างๆในการทำงานของเครื่องที่พัฒนาอยู่ ยังคงใช้เทคนิคการหมุนแบบจำลองด้วยความเร็วสูง แต่ส่วนประกอบหลักที่มีราคาแพงและใช้กันมานานในต่างประเทศถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์ในประเทศทั้งหมด เช่น ระบบการรับส่งสัญญาณข้อมูลและภาพ ซึ่งเคยใช้ ข้อต่อวงแหวนเลื่อน (Slip Ring) ถูกแทนที่ด้วยการประยุกต์ใช้ระบบส่งสัญญาณคลื่นวิทยุและแสงอินฟาเรดแทนทั้งหมด ซึ่งสามารถประหยัดงบประมาณได้อย่างมาก โดยที่ประสิทธิภาพและเสถียรภาพของเครื่องยังคงเดิม เครื่องหมุนเหวี่ยงที่พัฒนาอยู่นี้ สามารถศึกษาพฤติกรรมของโครงสร้างใต้ดินพื้นฐานแบบต่างๆได้ เช่น การพังทลายของกำแพงกันดิน ฐานรากแบบตื้นและแบบเสาเข็ม ลาดดิน และอุโมงค์ใต้ดิน เป็นต้น ประสิทธิภาพของเครื่องสามารถเพิ่มแรงโน้มถ่วง หรือเพิ่มน้ำหนักดินได้ถึง 70 เท่า โดยที่ปลายแขนหมุนมีรัสมี 1 เมตร สามารถบรรทุกน้ำหนักสูงสุดได้ 10 กิโลกรัม หรือสามารถจำลองความสูงของดินในสนามได้ถึง 10 เมตร

นอกจากนี้ เครื่องต้นแบบนี้ ยังสามารถแสดงรูปแบบการพังทลายต่างๆ ของโครงสร้างใต้ดินผ่านกล้องวงจรปิดไร้สายและ สามารถบันทึกเป็นภาพวีดีโอเพื่อใช้ในการถ่ายทอดให้แก่นักศึกษาในการเรียนการสอนวิชา วิศวกรรมฐานรากทั้งระดับปริญญาตรีและโท ให้ได้เข้าใจถึงพฤติกรรมอย่างชัดเจนน่าสนใจ ซึ่งถือว่ายังไม่สามารถจำลองได้ที่ใดมาก่อนในประเทศ นอกจากจะรอให้เกิดการพังทลายจริงในการก่อสร้าง ! หรือ ทำการทดสอบจริงในสนามซึ่งมีต้นทุนสูง

ในอนาคตอันใกล้เครื่องต้นแบบดังกล่าวซึ่งยังมีขนาดเล็กอยู่ จะถูกออกแบบและ ขยายขนาดให้ใหญ่ขึ้นรับน้ำหนักที่แขนได้มากขึ้นโดยใช้เทคนิคที่ประสบความสำเร็จจากเครื่องรุ่นแรก เพื่อใช้วิเคราะห์แบบจำลองที่ซับซ้อนและสมบูรณ์เหมือนสภาพการก่อสร้างจริงให้มากที่สุด เพื่อเน้นงานทางด้านวิจัย การพิสูจน์ทฤษฎีใหม่ๆ การจำลองขั้นตอนการก่อสร้างและ จะสามารถพัฒนางานวิศวกรรมโยธาของประเทศ ให้ทัดเทียมกับประเทศที่พัฒนาแล้วต่อไป

รูปแบบการพังทลายของกำแพงกันดินทรายซึ่งจะมีลักษณะและขนาดการพังเหมือนของจริง

CTEd-1 ต้นแบบเครื่องทดสอบแบบหมุนเหวี่ยงขนาดเล็กทางวิศวกรรมเทคนิคธรณี ภาควิชาครุศาสตร์โยธา มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.)



เครื่องทดสอบแบบหมุนเหวี่ยงขนาดใหญ่ทางวิศวกรรมเทคนิคธรณี ณ University of Colorado ประเทศสหรัฐอเมริกา (Ko, 1988a)



รูปแบบทั่วไปของเครื่องทดสอบแบบหมุนเหวี่ยงชนิดแขนหมุน (Beam Centrifuge)
(Atkinson, 1993)

1 Drum 2 Room foundations 3 Main slip ring assembly 4 Slip ring chamber 5 Steel foundation tube 6 Concrete foundation 7 Ventilation duct 8 Main drive motor 9 Independently driven mounting mechanism for models & tools 10 Slip ring assembly for above 11 Ventilation louvre 12 Electric hoist (5 ton) 13 Main access doors

รูปแบบทั่วไปของเครื่องทดสอบแบบหมุนเหวี่ยงชนิดถังหมุน (Drum Centrifuge) ณ University of Cambridge ประเทศอังกฤษ

บรรณานุกรม
1. http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/centrifuges/drum.htm
2. Atkinson, J. (1993) “An introduction to the mechanics of soils and foundations : through critical state soil mechanics”, McGraw-Hill London.
3. Ko, H. Y. (1988a), “The Colorado centrifuge facility”, in J. F. Corte, ed., Proceedings of the International Conference on Geotechnical Centrifuge Modeling, Centrifuge 88, Balkema Rotterdam, Paris, France, pp. 73-75