Pieux de tuyaux à extrémité ouverte: Pourquoi nous laissons le fond ouvert (Et quand cela sauve votre bacon)

Par un ingénieur de terrain qui a vu trop d’échecs fermés

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Tu sais, Cette question me revient souvent de la part de jeunes ingénieurs fraîchement sortis de l'école.. Ils sont sur place, en regardant ce gros tuyau en acier suspendu à la grue, et ils voient que le fond est juste… ouvrir. Rien là. Juste un cylindre en acier avec une arête vive prêt à frapper la terre.

Et ils demandent toujours la même chose: “Euh… ne devrions-nous pas limiter cela? La saleté ne rentrera-t-elle pas à l'intérieur?”

Bénis leurs coeurs.

Si j'avais un dollar pour chaque fois que j'entendais cette question, Je prendrais ma retraite en Floride et je ne regarderais plus jamais une autre plate-forme de battage de pieux. Mais c’est une bonne question si vous n’avez jamais eu affaire qu’à des pieux en béton ou en H.. La pile de tuyaux à extrémité ouverte semble fausse si vous ne comprenez pas ce qu’elle fait réellement là-bas.

Alors remettons les pendules à l'heure. Les pieux tubulaires à extrémité ouverte ne sont pas un oubli de conception. Il ne s’agit pas d’une mesure de réduction des coûts là où nous manquions de tôles d’acier. C’est un choix délibéré – parfois le seul choix – lorsque le sol devient sale..

Et voici le kicker: Parfois, laisser l'extrémité ouverte fait la différence entre une fondation qui dure cinquante ans et un pieu qui se déforme avant de heurter un refus.

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Les premières choses d'abord: De quoi parle-t-on réellement?

Un tas de tuyaux à extrémité ouverte est exactement ce à quoi cela ressemble. Tuyau en acier. Enfoncé dans le sol. Pas de chaussure. Pas de plaque. Juste un cylindre creux avec un bord tranchant en bas.

La terre n’est pas écartée comme c’est le cas avec un tas fermé. Plutôt, il entre dans le tuyau. Forme un bouchon de terre à l'intérieur. Et ce bouchon, cette colonne de saleté emprisonnée dans l'acier, devient une partie du système structurel..

Concept simple. Mais la mécanique? C'est là que ça devient intéressant.

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La physique de base: Pourquoi ouvrir vs. Affaires closes

Commençons par la différence fondamentale. Lorsque vous conduisez un tuyau à extrémité fermée (ou n'importe quel tas solide), tu déplaces le sol. Vous le repoussez. Cela prend de l'énergie. Cela crée de la résistance. Cela peut aussi soulever le sol autour de vous, soulever les pieux adjacents, et provoquent généralement des maux de tête à tout le monde sur place.

Ouvert? Le sol a un endroit où aller. À l'intérieur du tuyau.

L’équation directrice – celle que je griffonne sur des pages de cahier tachées de café – ressemble à ceci ::

$${\mathrm{R.}}_{tot\mathrm{un}\mathrm{je}}={\mathrm{R.}}_{o\mathrm{toi}tersh\mathrm{un}ft}+{\mathrm{R.}}_{\mathrm{je}nnersh\mathrm{un}ft}+{\mathrm{R.}}_{\mathrm{un}nn\mathrm{toi}\mathrm{je}\mathrm{toi}s}$$

Rtotal = Arbre de routeur + Arbre intérieur + Rannulus

Où:

• L'arbre R_outer est le frottement cutané à l'extérieur du tuyau

• L'arbre R_inner est le frottement entre le bouchon de sol et la paroi intérieure

• R_annulus est le roulement à la pointe (l'acier lui-même, pas le bouchon, juste l'anneau d'acier en bas)

Remarquez ce qui manque? Roulement d'extrémité sur bouchon plein. Parce qu'au départ, il n'y en a pas. La terre remonte à l'intérieur pendant que vous conduisez.

Mais c'est là que ça devient bizarre. A une certaine profondeur, ce bouchon de terre cesse de bouger. Ça bloque. Il se verrouille. Maintenant, vous avez essentiellement créé une pile fermée, mais le sol à l'intérieur est stressé, confiné, et agissant différemment du sol à l'extérieur.

Ce moment, où la prise se verrouille, est critique. Il détermine tout sur le comportement du pieu sous charge.

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Le bouchon de sol: Votre locataire non invité

Je me souviens d'un travail dans Mobile, L'Alabama de retour ’09. Nous enfoncions des pieux ouverts de 36 pouces pour une structure d'amarrage de navire. Sable dense, quelques couches d'argile dure. Conditions du manuel pour les cours à durée indéterminée.

La première pile de test entre en service. Nous surveillons avec PDA. Tout semble normal. Ensuite, nous avons frappé 45 pieds, et le coup compte saute. Pas progressivement, directement. Trente coups par pied deviennent cent cinquante en l'espace de trois pieds.

Nous tirons le marteau, regarde le tuyau avec une lumière. Ce bouchon de terre? Solide comme le béton. Bien verrouillé. Nous ne pouvions même pas y faire passer un tube d'échantillonnage.

C'est le phénomène de branchement. Et c’est pourquoi les pieux ouverts peuvent en réalité avoir une capacité plus élevée que les pieux fermés dans certains sols..

Le taux de colmatage – ce que les universitaires appellent le taux de remplissage incrémentiel (IFR)- c'est quelque chose que nous suivons religieusement:

$$\mathrm{je}F\mathrm{R.}=\frac{\mathrm{D}{L}_{p\mathrm{je}\mathrm{toi}g}}{\mathrm{D}{L}_{p\mathrm{je}\mathrm{je}e}}\times 100\mathrm{\%}$$

IFR=ΔLpile​ΔLplug​​×100%

Si ce nombre descend en dessous 80%? Vous obtenez le développement de plug-ins. Ci-dessous 50%? Cette prise est verrouillée. Ci-dessous 20%? Vous conduisez essentiellement une pile fermée maintenant, que vous en ayez l'intention ou non.

Et voici le truc: un pieu bouché se comporte différemment sous charge. La charge est transférée à travers l'acier, mais aussi à travers cette colonne de sol. Le frottement de l'interface à l'intérieur mobilise. Vous disposez du double de la surface à votre disposition.

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Tableau 1: Ouvert vs. Comparaison de pieux de tuyaux à extrémité fermée

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Quand utilisons-nous réellement la version ouverte?

Scénario 1: Construction maritime (Le cas classique)

Vous construisez un quai. Ou une jetée. Ou un dauphin auquel les navires pourraient s'amarrer. Tu es dans l'eau. Le sol est variable, peut-être du sable, peut-être de l'argile molle, peut-être quelques couches de matériau rigide. Et tu ne peux pas voir le fond.

L'ouverture est votre ami ici.

Pourquoi? Parce que tu ne peux pas prédire exactement ce que tu vas frapper. Il pourrait y avoir des rochers. Il pourrait y avoir de vieux débris de construction. Il peut y avoir une couche de grès calcaire qui apparaît sur les grumes de forage mais qui est en réalité fracturée et variable..

J'ai enfoncé des pieux dans la baie de San Francisco au début des années 2000. Ancienne zone industrielle. Les sondages ont montré du sable propre. Ce que nous avons réellement touché? Pieux en bois provenant d'une ancienne jetée, morceaux de béton, un essieu de voiture (je ne plaisante pas), et une couche de hasch d'obus qui reflétait si mal la vague de marteau qu'on pensait que le tas se brisait.

Un tuyau à extrémité ouverte a tranché la majeure partie de cela. Une pile fermée? Je me serais arrêté à la première obstruction.

Scénario 2: Pénétrer les couches denses

Parfois, il faut traverser une couche dure pour atteindre la profondeur du palier.. Peut-être que c'est glacial jusqu'à. C'est peut-être une couche de sable dense. Quoi qu'il en soit, C'est dur.

Le tuyau à extrémité ouverte a une zone de pointe efficace plus petite. Juste l'anneau en acier. La résistance à la conduite est donc plus faible. Vous pouvez percer des couches qui arrêteraient un tas fermé à froid.

Le calcul est assez simple:

Pour un tuyau de 24 pouces avec une paroi de 1 pouce:

• Zone de pointe fermée = π × (12²) = 452 pouces carrés
• Surface en acier à extrémité ouverte = π × (12² – 11²) = environ 72 pouces carrés

Cela représente un sixième de la superficie. Un sixième de la résistance au roulement d'extrémité pendant la conduite. Vous traverserez cette couche dense pendant que les pieux fermés font encore rebondir le marteau..

Scénario 3: Prise de roche

C'est là que les pieux ouverts brillent vraiment.

Lorsque vous avez besoin de vous enfoncer dans la roche (forer ou enfoncer dans le substrat rocheux), vous voulez une. Pourquoi? Parce que tu peux nettoyer l'intérieur. Vous pouvez percer le bouchon, étendre la prise, et inspecter le rocher au fond.

J'ai fait un travail dans le Kentucky où le substrat rocheux était constitué de calcaire altéré avec des cavités de solution.. Les pieux fermés auraient été un désastre : soit ils s'arrêteraient sur un sommet, soit ils perceraient dans le vide sans avertissement..

Ouvert? Nous avons conduit au refus, puis j'ai utilisé un pont aérien pour nettoyer l'intérieur. J'ai allumé une lumière là-bas. On pouvait voir l'état de la roche, les vides, tout. Nous avons même envoyé une caméra une fois. Ce n'est pas possible avec un système fermé.

Scénario 4: Sites sensibles au déplacement

En voici un sur lequel les manuels ne mettent pas suffisamment l’accent.

Si vous enfoncez des pieux rapprochés, comme pour une fondation en tapis ou un cluster à haute densité, le soulèvement du sol devient un réel problème.. Les pieux fermés déplacent le sol. Ce sol doit aller quelque part. Ça monte. Il bouge de côté. Il soulève des pieux préalablement battus.

J'ai observé un travail à Boston où l'entrepreneur utilisait des tuyaux à extrémité fermée dans un réseau serré.. Trois jours plus tard, les premiers pieux étaient deux pouces plus hauts que lorsque nous les avons enfoncés. J'ai dû reconduire chacun d'entre eux. Coûte une fortune.

Ouvert? Déplacement minimal. La terre rentre dans le tuyau. Le sol autour reste en place. Votre contrôle d'enquête reste heureux. Votre client reste heureux. Vous restez employé.

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Les modes de défaillance (Et comment les réparer)

Soyons honnêtes: les piles ouvertes ne sont pas magiques. Ils échouent. je l'ai vu. Tu le verras si tu fais ça assez longtemps.

Mode de défaillance 1: Le trou à rat

Cela se produit dans les sables meubles ou les argiles molles. Le bouchon de sol ne se développe pas. Il continue de couler à l'intérieur du tuyau. Vous conduisez cinquante pieds, et le sol à l'intérieur a cinquante pieds de profondeur. Pas de branchement. Pas de développement de friction interne.

Pourquoi c'est important: Votre capacité est bien inférieure à celle que vous avez calculée. Vous comptez uniquement sur la friction de la peau externe et peut-être sur un petit appui de pointe sur l'anneau en acier..

Le correctif: Arrêtez de conduire. Laissez reposer toute la nuit. Parfois le sol se met en place et gagne en force. Ou, et je l'ai fait, pompez un bouchon de coulis à faible résistance au fond pour créer un palier d'extrémité artificiel.. C'est un remède, mais ça marche.

Mode de défaillance 2: Libération soudaine de la prise

Le son le plus effrayant lors du battage de pieux.

Vous conduisez, fiche verrouillée, le coup compte régulièrement. Et puis paf, le tas tombe de six pouces d'un seul coup. La fiche libérée. Du coup tu as cinquante coups par pied et puis dix. Tout le chemin de chargement a changé.

Pourquoi c'est important: Si vous ne voyez pas ça sur votre PDA, tu penseras que tu as touché une zone faible. Tu continueras à conduire. La fiche pourrait se verrouiller à nouveau plus profondément, mais vous avez perdu la corrélation des données. Vos estimations de capacité sont des ordures.

Le correctif: Regardez les records de conduite comme un faucon. Baisse soudaine du nombre de coups? Vérifiez le niveau de la bougie. S'il est tombé, tu as eu une libération. Tout recalculer.

Mode de défaillance 3: Flambage pendant la conduite

Celui-ci est rare avec des tuyaux à paroi épaisse, mais je l'ai vu avec des parois plus fines dans un sol très dense.

La pile est ouverte. Le bouchon de sol se verrouille. Vous conduisez désormais efficacement une pile fermée, mais le mur est mince. Les contraintes de conduite se concentrent à la pointe. Boom – flambement local.

Le correctif: Mur plus lourd à la pointe. Chaussures de conduite. Ou passez à un marteau plus petit. Parfois, le problème n’est pas le tas, c’est l’entrepreneur qui essaie de rouler trop vite avec trop d’énergie..

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Tableau 2: Applications typiques de pieux de tuyaux à extrémité ouverte par région

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Le problème de l'inspection (Et pourquoi c'est important)

Voilà un truc dont personne ne parle dans les bureaux d'études.

Avec pieux fermés, tu voles à l'aveugle. Vous n'avez aucune idée de ce qui se passe à la pointe. Est-ce que ça a heurté quelque chose? Est-il endommagé? Est-ce qu'il repose sur un rocher au lieu d'un substrat rocheux ?? Bonne chance pour comprendre ça.

Le format ouvert vous offre des options.

Je spécifie toujours des extrémités ouvertes pour les pieux critiques car je peux les inspecter après avoir conduit. Lâchez une lumière. Envoyer une caméra. Mesurer la fiche. Échantillonnez le matériau en bas.

À Miami, nous avions un projet où la spécification exigeait des douilles rocheuses. L'entrepreneur a conduit des pieux d'essai à extrémité fermée. Tests de charge statique réussis. Super. Puis la production a commencé, et soudain, les pieux se sont effondrés à la moitié de la charge d'essai.

Il s'avère, le calcaire avait des cavités de solution. Certains pieux reposaient sur une fine croûte avec du vide en dessous. Le système fermé ne pouvait pas nous le dire. Ouvert? On aurait vu la cavité quand on aurait nettoyé le bouchon.

Nous les avons fait changer. Dépassements de coûts. Poursuites. Tout le désordre. Tout ça parce que quelqu'un voulait économiser quelques dollars sur la fabrication.

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Les règles de l'ingénieur grincheux pour les pieux de tuyaux à extrémité ouverte

Après trente ans, J'ai quelques règles. Ils ne sont pas dans les codes. Ils ne sont pas dans les manuels. Mais ils vous éviteront des ennuis.

Règle 1: En cas de doute, laisse-le ouvert.

À moins que vous n'ayez une raison impérieuse de fermer l'extrémité (par exemple si vous avez besoin d'appuyer immédiatement sur une couche dure et que vous ne pouvez pas risquer de la boucher), laissez-la simplement ouverte.. Vous aurez plus d'options plus tard. Vous pouvez toujours jointoyer l'intérieur. Vous pouvez toujours conduire un mandrin. Vous pouvez toujours ajouter une plaque après avoir conduit si vous avez vraiment besoin d'un comportement fermé. Mais vous ne pouvez pas ouvrir une pile fermée.

Règle 2: Surveiller la prise.

Tous les dix pieds, vérifier le niveau de la bougie. Marquez l'intérieur avec un ruban lesté. Sachez ce que fait votre prise. Si ça ne se développe pas, ajustez vos estimations de capacité. S'il se verrouille plus tôt, attendez-vous à des contraintes de conduite plus élevées.

Règle 3: Ne faites pas confiance aux journaux ennuyeux.

Ce sont des suppositions. Une supposition éclairée, mais encore une supposition. Les pieux ouverts gèrent mieux les surprises. Quand le journal dit “sable” et tu as heurté des rochers, tu seras heureux que la fin soit ouverte.

Règle 4: Nettoyez-le si vous avez besoin d'un roulement d'extrémité.

Si vous comptez sur un appui d'extrémité dans la roche ou un matériau dense, nettoyer la fiche. Percez-le. Transportez-le par avion. Ne présumez pas que la prise transférera la charge pour toujours. En cas de chargement cyclique, comme dans les zones sismiques ou les environnements marins, ce bouchon peut se desserrer avec le temps..

Règle 5: Considérez la corrosion.

L’intérieur compte aussi. Les pieux ouverts ont une surface intérieure exposée à l’air, Eau, ou du sol. En milieu marin, cet intérieur peut se corroder plus rapidement que l'extérieur. J'ai vu des tuyaux muraux de 1 pouce se transformer en fromage suisse à l'intérieur parce que personne n'avait pensé à la corrosion intérieure.. Enduisez l’intérieur si vous le pouvez. Pensez-y au moins.

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Tendances récentes: Ce que je vois dans 2024-2025

L’industrie évolue. Lentement, mais ça change.

Les diamètres plus grands deviennent courants. Je vois maintenant des pieux ouverts de 60 et 72 pouces pour les fondations éoliennes offshore.. La mécanique est la même, mais l'échelle change tout. Ce bouchon de sol pèse des tonnes. Le nettoyer nécessite un équipement sérieux.

La surveillance devient plus intelligente. Nous utilisons désormais des fibres optiques : des jauges de contrainte sur toute la longueur, à l'intérieur et à l'extérieur. Regarder comment le bouchon charge le tas en temps réel. Les données sont incroyables. Nous apprenons que nos anciennes hypothèses sur le comportement des fiches étaient parfois fausses..

Des systèmes hybrides font leur apparition. Conduire une pile ouverte, nettoyez-le, insérer une cage de renfort, et remplir de béton. Vous obtenez la maniabilité de l'acier à extrémités ouvertes avec la capacité et la résistance à la corrosion du béton. Intelligent. J'aime ça.

Les réglementations environnementales se durcissent. Dans certaines régions, vous ne pouvez plus enfoncer des pieux fermés à cause du déplacement du sol. Trop de risque pour les structures adjacentes. L’aménagement ouvert devient obligatoire dans les projets urbains intercalaires.

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L'étude de cas qui me garde humble

Laisse-moi te parler d'un travail qui a failli m'achever.

La Nouvelle-Orléans. 2017. Remplacement du mur anti-inondation. La spécification prévoyait un tuyau à extrémité fermée de 24 pouces, 80 pieds profonds, pieux battus pour la résistance latérale. Trucs standards.

Premier jour de conduite, la toute première pile rencontre un refus à 40 pieds. Je ne peux pas le déplacer. Le marteau rebondit. On le tire, la pointe est écrasée. Courbé vers l'intérieur comme une canette de soda.

Il s'avère, il y avait un matelas en béton enterré provenant d'une ancienne digue en réparation. Personne n'était au courant. Aucun enregistrement historique. Aucune mention dans le rapport géotechnologique. Juste du béton aléatoire à 38 pieds.

Nous sommes passés à une durée indéterminée. J'ai traversé tout ça. L'extrémité ouverte taillée dans le béton, l'a fracturé, mis les morceaux de côté. La terre est entrée à l'intérieur. Nous l'avons nettoyé plus tard, j'ai enfoncé encore dix pieds dans l'argile natale, et a réussi le test de charge avec brio.

Si nous étions restés avec un système fermé? Nous serions toujours là-bas, probablement, se cogner la tête contre le béton et se demander pourquoi on a choisi ce métier.

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Les chiffres: Référence rapide

Dimensions typiques que j'utilise:

• Epaisseur de paroi: Minimum 0,5″ pour 24″ diamètre, évoluer avec la taille
• Biseau de la pointe: 30-45 degrés à l'extérieur, feuilles à l'intérieur du carré
• Épissures: Soudures bout à bout à pénétration totale, parfois avec des anneaux de support

Estimations de capacité (Brut : ne construisez pas sans analyse):

Pour un 24″ × 0,5″ tas ouvert dans du sable dense:

• Peau extérieure: 2-3 kips par pied
• Peau intérieure (si branché): 1-2 kips par pied
• Conseil (acier uniquement): 50-100 kips selon la densité
• Total ultime: 300-500 kips typiques

Pour la même pile fermée, tu pourrais obtenir 400-600 kips, mais tu ne l'enfonceras jamais aussi profondément. Des compromis partout.

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L'essentiel

Les pieux de tuyaux ouverts existent parce que le sol n’est pas un manuel. C'est le désordre. C'est imprévisible. Il cache des rochers, de vieux essieux de voitures et des morceaux de béton provenant de projets d'il y a cinquante ans..

Laisser la fin ouverte vous donne des options. Vous pouvez traverser des objets qui arrêteraient une pile fermée. Vous pouvez inspecter après avoir conduit. Vous pouvez nettoyer et insérer dans la roche. Vous pouvez jointoyer pour une capacité supplémentaire. Tu peux tout faire, ou rien de tout ça, ça dépend de ce que tu trouves là-bas.

Sont-ils adaptés à chaque travail? Non. Si votre sol est propre, bonne couche portante à profondeur constante, et aucun problème d'inspection, le fermé pourrait être plus simple et moins cher.

Mais si vous travaillez en terrain inconnu, et soyons honnêtes, quand connais-tu vraiment le terrain?—une durée indéterminée est la solution la plus sûre. C'est la différence entre deviner et savoir. Entre espérer que tout va bien et le voir réellement.

Et dans cette affaire, Je vais prendre soin d'espérer à chaque fois.