Pilotes de tubería de extremo abierto: Por qué dejamos el fondo abierto (Y cuando te salva el tocino)

Por un ingeniero de campo que ha visto fallar demasiados dedos de los pies cerrados

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Sabes, Recibo mucho esta pregunta de jóvenes ingenieros recién salidos de la escuela.. Están parados en el sitio, Mirando este gran tubo de acero que cuelga de la grúa., y ven que el fondo es justo… abierto. Nada ahí. Sólo un cilindro de acero con un borde afilado listo para caer al suelo..

Y siempre preguntan lo mismo: “Oh… ¿No deberíamos limitar eso?? ¿No entrará suciedad??”

Bendice sus corazones.

Si tuviera un dólar por cada vez que escuché esa pregunta, Me retiraría a Florida y nunca volvería a mirar otra plataforma de hinca de pilotes.. Pero es una buena pregunta si alguna vez ha trabajado únicamente con pilotes de hormigón o pilotes H.. La pila de tuberías abiertas se ve mal si no entiendes lo que realmente está haciendo ahí abajo..

Así que dejemos las cosas claras. Los pilotes de tuberías abiertos no son un descuido del diseño. No son una medida de reducción de costes cuando nos quedamos sin chapa de acero.. Son una elección deliberada (a veces la única opción) cuando el terreno se pone feo..

Y aquí está el truco: A veces dejar el extremo abierto es la diferencia entre una base que dura cincuenta años y un montón que se dobla antes de chocar contra el rechazo.

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Primero lo primero: ¿De qué estamos hablando realmente??

Una pila de tuberías con extremos abiertos es exactamente lo que parece. tubo de acero. Conducido al suelo. sin zapato. Sin plato. Sólo un cilindro hueco con un filo en la parte inferior..

La tierra no se aparta como ocurre con una pila cerrada. En cambio, entra en la tuberia. Forma un tapón de suelo en el interior.. Y ese tapón, esa columna de tierra atrapada en el acero, se convierte en parte del sistema estructural..

Concepto sencillo. Pero la mecanica? Ahí es donde se pone interesante.

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La física básica: ¿Por qué abrir vs.. Asuntos cerrados

Empecemos por la diferencia fundamental.. Cuando conduces una tubería de extremo cerrado (o cualquier pila sólida), estás desplazando el suelo. Lo estás apartando del camino. Eso requiere energía. Crea resistencia. También puede levantar el suelo a tu alrededor., levantar pilotes adyacentes, y generalmente causan dolores de cabeza a todos en el sitio.

Abierto? El suelo tiene a dónde ir. Dentro de la tubería.

La ecuación rectora, la que garabateo en las páginas de un cuaderno manchadas de café, se parece a esto:

$$R_{t\mathrm{oh}ta\mathrm{yo}}=R_{\mathrm{oh}\mathrm{tu}t\mathrm{mi}rshaFt}+R_{i\mathrm{norte}\mathrm{norte}\mathrm{mi}rshaFt}+R_{a\mathrm{norte}\mathrm{norte}\mathrm{tu}\mathrm{yo}\mathrm{tu}s}$$

Rtotal=Eje de fresado+Eje de enjuague+Rannulus

Dónde:

• R_eje exterior es la fricción superficial en el exterior de la tubería.

• R_eje interior es la fricción entre el tapón de suelo y la pared interior

• R_annulus es el rodamiento en la punta (el acero mismo, no el tapón, solo el anillo de acero en la parte inferior)

Note lo que falta? Cojinete final sobre un tapón macizo.. porque inicialmente, no hay uno. El suelo se mueve hacia el interior mientras conduces..

Pero aquí es donde se pone raro. a cierta profundidad, ese tapón de tierra deja de moverse. se atasca. se bloquea. Ahora básicamente has creado una pila cerrada., pero el suelo interior está estresado, confinado, y actuando de manera diferente que el suelo exterior.

Ese momento, cuando el enchufe se bloquea, es crítico. Determina todo sobre cómo se comporta el pilote bajo carga..

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El tapón de suelo: Su inquilino no invitado

Recuerdo un trabajo en Mobile, Alabama de nuevo en ’09. Estábamos hincando pilotes abiertos de 36 pulgadas para una estructura de atraque de barcos. Arena densa, algunas capas de arcilla dura. Condiciones de los libros de texto para preguntas abiertas..

Entra la primera pila de prueba. Estamos monitoreando con PDA. todo parece normal. Luego nos topamos con 45 pies, y los conteos de golpes saltan. No gradualmente, hacia arriba. Treinta golpes por pie se convierten en ciento cincuenta en el espacio de tres pies..

Tiramos del martillo, Mira por la tubería con una luz.. Ese tapón de tierra? Sólido como el hormigón. Cerrado fuerte. Ni siquiera pudimos pasar un tubo de muestreo a través de él..

Ese es el fenómeno del taponamiento. Y es por eso que las pilas abiertas pueden terminar con mayor capacidad que las cerradas en algunos suelos..

La tasa de llenado: lo que los académicos llaman la tasa de llenado incremental (IFR)—es algo que rastreamos religiosamente:

$$IFR=\frac{\mathrm{D}{l}_{\mathrm{pag}\mathrm{yo}\mathrm{tu}\mathrm{gramo}}}{\mathrm{D}{l}_{\mathrm{pag}i\mathrm{yo}\mathrm{mi}}}\times 100\mathrm{\%}$$

IFR=ΔLpila​ΔLplug​​×100%

Si ese número cae por debajo 80%? Estás obteniendo desarrollo de complementos. Abajo 50%? ese enchufe esta bloqueado. Abajo 20%? Básicamente estás conduciendo una pila cerrada ahora, ya sea que tuvieras la intención o no.

Y aquí está la cosa: un pilote taponado se comporta de manera diferente bajo carga. La carga se transfiere a través del acero., pero también a través de esa columna de suelo. La fricción de la interfaz en el interior moviliza. Tienes el doble de superficie trabajando para ti.

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Mesa 1: De duración abierta vs.. Comparación de pilotes de tuberías de extremo cerrado

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¿Cuándo utilizamos realmente el formato abierto??

Guión 1: Construcción Marina (El caso clásico)

Estás construyendo un muelle. o un muelle. O un delfín al que amarrar los barcos. estas en el agua. El suelo es variable, tal vez arena., tal vez arcilla blanda, tal vez algunas capas de material rígido. Y no puedes ver el fondo.

El abierto es tu amigo aquí.

Por qué? Porque no puedes predecir exactamente qué golpearás. Puede haber rocas. Puede haber restos de construcción antiguos.. Puede haber una capa de arenisca calcárea que aparece en los troncos perforados, pero en realidad está fracturada y es variable..

Clavé pilotes en la Bahía de San Francisco a principios de la década de 2000.. Antigua zona industrial. Las perforaciones mostraron arena limpia.. Lo que realmente golpeamos? Montones de madera de un antiguo muelle, trozos de concreto, un eje de coche (no estoy bromeando), y una capa de hachís de concha que reflejaba tanto la ola del martillo que pensamos que la pila se estaba rompiendo.

Una tubería abierta atravesó la mayor parte de eso.. Una pila cerrada? Se habría detenido en seco ante el primer obstáculo..

Guión 2: Penetrando capas densas

A veces es necesario atravesar una capa dura para alcanzar la profundidad del soporte.. Tal vez sea glacial hasta. Quizás sea un denso estrato de arena.. lo que sea, Está duro.

La tubería de extremo abierto tiene un área de punta efectiva más pequeña. Sólo el anillo de acero. Entonces la resistencia a la conducción es menor.. Puedes perforar capas que detendrían una pila cerrada..

Las matemáticas son bastante simples.:

Para una tubería de 24 pulgadas con pared de 1 pulgada:

• Área de punta cerrada = π × (12²) = 452 pulgadas cuadradas
• Área de acero de extremo abierto = π × (12² – 11²) = acerca de 72 pulgadas cuadradas

Esa es una sexta parte del área. Un sexto de la resistencia del cojinete final durante la conducción.. Atravesarás esa capa densa mientras los pilotes cerrados todavía hacen rebotar el martillo..

Guión 3: Encastre de roca

Aquí es donde realmente brillan las pilas abiertas.

Cuando necesita excavar en una roca (perforar o clavar en un lecho de roca), desea un acceso abierto.. Por qué? Porque puedes limpiar el interior. Puedes perforar a través del enchufe., extender el zócalo, y realmente inspeccionar la roca en el fondo.

Hice un trabajo en Kentucky donde el lecho de roca era piedra caliza erosionada con cavidades de solución.. Las pilas cerradas habrían sido un desastre: se detendrían en un pináculo o se abrirían camino hacia el vacío sin previo aviso..

Abierto? Condujimos hasta la negativa, Luego usó un puente aéreo para limpiar el interior.. Brilló una luz allí abajo. Pude ver el estado de la roca., los vacíos, todo. Incluso enviamos una cámara una vez.. Eso no es posible con un final cerrado..

Guión 4: Sitios sensibles al desplazamiento

Aquí hay uno que los libros de texto no enfatizan lo suficiente..

Si está hincando pilotes muy juntos, como en el caso de una base de losa o un grupo de alta densidad, el levantamiento del suelo se convierte en un problema real.. Los pilotes cerrados desplazan el suelo. Esa tierra tiene que ir a alguna parte. sube. se mueve de lado. Levanta pilotes previamente hincados.

Vi un trabajo en Boston donde el contratista utilizó tuberías con extremos cerrados en una red estrecha.. Tres días después, Los primeros pilotes eran cinco centímetros más altos que cuando los hincamos.. Tuve que volver a conducir cada uno. Cuesta una fortuna.

Abierto? Desplazamiento mínimo. La tierra entra dentro de la tubería.. El suelo alrededor permanece quieto. El control de su encuesta se mantiene feliz. Tu cliente se mantiene feliz. te quedas empleado.

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Los modos de falla (Y cómo solucionarlos)

seamos honestos: Las pilas abiertas no son mágicas. Ellos fallan. lo he visto. Lo verás si haces esto el tiempo suficiente..

Modo de falla 1: El agujero de la rata

Esto sucede en arenas sueltas o arcillas blandas.. El tapón de suelo no se desarrolla.. Sigue subiendo dentro de la tubería.. Conduces cincuenta pies, y el suelo interior tiene quince metros de profundidad. Sin enchufar. Sin desarrollo de fricción interna.

Por qué es importante: Tu capacidad es mucho menor de lo que calculaste. Depende únicamente de la fricción de la piel exterior y tal vez de una pequeña punta que se apoya en el anillo de acero..

La solución: deja de conducir. Déjalo reposar toda la noche. A veces el suelo se endurece y gana fuerza.. O, y lo he hecho, bombear un tapón de lechada de baja resistencia en la parte inferior para crear un soporte final artificial.. es un remedio, pero funciona.

Modo de falla 2: Liberación repentina del enchufe

El sonido más aterrador al hincar pilotes..

Estás conduciendo, enchufe bloqueado, cuenta de golpes constante. Entonces, ¡zas!, la pila cae quince centímetros de un solo golpe.. El enchufe liberado. De repente tienes cincuenta golpes por pie y luego diez. Toda la ruta de carga cambió.

Por qué es importante: Si no captas esto en tu PDA, Pensarás que has llegado a una zona débil.. Seguirás conduciendo. El enchufe podría volver a bloquearse más profundamente., pero has perdido la correlación de datos. Tus estimaciones de capacidad son basura..

La solución: Mira los registros de conducción como un halcón.. Caída repentina en el número de golpes? Verifique el nivel del enchufe. si cayera, has tenido una liberación. Recalcular todo.

Modo de falla 3: Pandeo durante la conducción

Este es raro con tubería de pared pesada., pero lo he visto con paredes más delgadas en suelos muy densos..

La pila es abierta. El tapón de suelo se bloquea. Ahora está hincando una pila cerrada de manera efectiva, pero la pared es delgada. Las tensiones motrices se concentran en la punta.. Pluma: pandeo local.

La solución: Pared más pesada en la punta. zapatos de conducir. O cambiar a un martillo más pequeño. A veces el problema no es la pila: es el contratista que intenta conducir demasiado rápido con demasiada energía..

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Mesa 2: Aplicaciones típicas de pilotes de tuberías de extremo abierto por región

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El problema de la inspección (Y por qué es importante)

Esto es algo de lo que nadie habla en la oficina de diseño..

Con pilotes cerrados, estás volando a ciegas. No tienes idea de lo que está pasando en la punta.. ¿Golpeó algo?? ¿Está dañado?? ¿Se apoya sobre una roca en lugar de un lecho de roca?? Buena suerte descubriendo eso.

Abierto te da opciones.

Siempre especifico que los pilotes críticos son abiertos porque puedo inspeccionarlos después de hincarlos.. Deja caer una luz. enviar una camara. medir el enchufe. Muestra el material en la parte inferior..

en miami, Teníamos un proyecto en el que las especificaciones requerían casquillos de roca.. El contratista hincó pilotes de prueba de extremo cerrado. Pruebas de carga estática superadas. Excelente. Entonces comenzó la producción., y de repente los pilotes fallaban a la mitad de la carga de prueba.

Resulta, la piedra caliza tenía cavidades de solución. Algunas pilas estaban apoyadas sobre una fina costra con un vacío debajo.. El final cerrado no pudo decirnos eso. Abierto? Habríamos visto la cavidad cuando limpiamos el tapón..

Les hicimos cambiar. Sobrecostos. Demandas. todo el lío. Todo porque alguien quería ahorrar unos cuantos dólares en la fabricación..

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Las reglas del ingeniero gruñón para pilotes de tuberías de extremo abierto

Después de treinta años, tengo algunas reglas. No están en los códigos.. No están en los libros de texto.. Pero te mantendrán fuera de problemas..

Regla 1: En caso de duda, déjalo abierto.

A menos que tenga una razón convincente para cerrar el extremo, como si necesita que el extremo se apoye inmediatamente en una capa dura y no pueda correr el riesgo de obstruirse, simplemente déjelo abierto.. Tienes más opciones más adelante. Siempre puedes enlechar el interior.. Siempre puedes conducir un mandril.. Siempre puedes agregar una placa después de conducir si realmente necesitas un comportamiento cerrado. Pero no se puede abrir una pila cerrada.

Regla 2: Monitorear el enchufe.

Cada diez pies, comprobar el nivel del enchufe. Marque el interior con una cinta ponderada.. Sepa lo que está haciendo su enchufe. Si no se está desarrollando, ajuste sus estimaciones de capacidad. Si se cierra temprano, esperar mayores tensiones de conducción.

Regla 3: No confíes en los aburridos registros.

son una suposición. Una suposición fundamentada, pero aún es una suposición. Las pilas abiertas manejan mejor las sorpresas. Cuando el registro dice “arena” y golpeas rocas, Te alegrarás de que el final esté abierto..

Regla 4: Límpielo si necesita un cojinete final..

Si confía en un cojinete de extremo en roca o material denso, limpiar el enchufe. perforarlo. Levántelo por aire. No asuma que el enchufe transferirá carga para siempre. En cargas cíclicas, como en áreas sísmicas o ambientes marinos, ese tapón puede aflojarse con el tiempo..

Regla 5: Considere la corrosión.

El interior también importa. Los pilotes abiertos tienen una superficie interior expuesta al aire., agua, o suelo. En ambientes marinos, ese interior puede corroerse más rápido que el exterior. He visto tubos de pared de 1 pulgada convertirse en queso suizo por dentro porque nadie pensó en la corrosión interna.. Cubre el interior si puedes. Al menos piénsalo.

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Tendencias recientes: Lo que estoy viendo en 2024-2025

La industria está cambiando. Despacio, pero esta cambiando.

Los diámetros más grandes se están volviendo comunes. Ahora veo pilotes abiertos de 60 y 72 pulgadas para cimientos de energía eólica marina. La mecanica es la misma., pero la escala lo cambia todo. Ese tapón de tierra pesa toneladas.. Limpiarlo requiere equipo serio.

La monitorización es cada vez más inteligente. Ahora utilizamos fibra óptica: galgas extensométricas a lo largo, por dentro y por fuera. Observando en tiempo real cómo el tapón carga la pila. Los datos son increibles. Estamos aprendiendo que nuestras antiguas suposiciones sobre el comportamiento de los enchufes a veces eran erróneas.

Los sistemas híbridos están apareciendo. Conduce una pila abierta, limpiarlo, insertar una jaula de refuerzo, y llenar con concreto. Obtendrá la facilidad de conducción del acero con extremos abiertos con la capacidad y resistencia a la corrosión del hormigón.. Elegante. Me gusta.

Las regulaciones medioambientales se están endureciendo. En algunas áreas, Ya no se pueden hincar pilotes cerrados debido al desplazamiento del suelo.. Demasiado riesgo para las estructuras adyacentes.. La duración abierta se está volviendo obligatoria en los proyectos de relleno urbano.

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El estudio de caso que me mantiene humilde

Déjame contarte sobre un trabajo que casi me acaba.

Nueva Orleáns. 2017. Reemplazo de muros de contención. La especificación requería tubería de extremo cerrado de 24 pulgadas, 80 pies de profundidad, Pilotes rebozados para resistencia lateral. Cosas estándar.

Primer día de conducción., la primera pila llega al rechazo en 40 pies. no puedo moverlo. El martillo rebota. Lo tiramos: la punta está aplastada.. Doblado hacia adentro como una lata de refresco.

Resulta, había un colchón de hormigón enterrado procedente de la reparación de un antiguo dique. Nadie lo sabia. Sin registros históricos. Ninguna mención en el informe geotecnológico.. Solo concreto al azar en 38 pies.

Cambiamos a abierto. Conduje a través de él. El extremo abierto cortado en el hormigón., lo fracturó, hizo a un lado las piezas. El suelo entró. Lo limpiamos más tarde., Clavó otros diez pies en la arcilla nativa., y pasó la prueba de carga con gran éxito.

Si nos hubiéramos quedado con el final cerrado? todavía estaríamos ahí afuera, probablemente, Golpeándonos la cabeza contra el cemento y preguntándonos por qué elegimos esta profesión..

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Los números: Referencia rápida

Dimensiones típicas que uso:

• espesor de pared: Mínimo 0,5″ por 24″ diámetro, ampliar con el tamaño
• bisel de punta: 30-45 grados en el exterior, hojas dentro del cuadrado
• Empalmes: Soldaduras a tope de penetración total, a veces con anillos de respaldo

Estimaciones de capacidad (Áspero: no construya sin análisis):

Para un 24″ × 0,5″ pila abierta en arena densa:

• Piel exterior: 2-3 kips por pie
• piel interior (si está enchufado): 1-2 kips por pie
• Consejo (solo acero): 50-100 kips dependiendo de la densidad
• final total: 300-500 kips típicos

Para la misma pila cerrada, podrías conseguir 400-600 kips, pero nunca lo conducirás tan profundo. Compensaciones en todas partes.

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La conclusión

Los pilotes de tuberías abiertos existen porque el suelo no es un libro de texto. es desordenado. es impredecible. Esconde rocas, ejes de automóviles viejos y trozos de hormigón de proyectos de hace cincuenta años..

Dejar el final abierto te da opciones. Puedes atravesar cosas que detendrían una pila cerrada.. Puedes inspeccionar después de conducir.. Puedes limpiar y encajar en la roca.. Puede aplicar lechada para obtener capacidad adicional. Puedes hacerlo todo, o nada de eso, dependiendo de lo que encuentres ahí abajo.

¿Son adecuados para cada trabajo?? No. Si tienes condiciones de suelo limpio, buena capa de soporte a una profundidad constante, y sin problemas de inspección, El extremo cerrado podría ser más simple y económico..

Pero si estás trabajando en terreno desconocido (y seamos honestos), ¿Cuándo conoces realmente el terreno??—La apuesta abierta es la más segura. Es la diferencia entre adivinar y saber.. Entre esperar que la pila esté bien y verla realmente.

Y en este negocio, Tomaré ver más que esperar cada vez.