Pali di tubi a estremità aperta: Perché lasciamo il fondo aperto (E quando ti salva la pancetta)

Di un ingegnere sul campo che ha visto troppi fallimenti con i piedi chiusi

---

Sai, Ricevo spesso questa domanda da giovani ingegneri appena usciti dalla scuola. Sono sul posto, guardando questo grosso tubo d'acciaio che pende dalla gru, e vedono che il fondo è giusto… aprire. Niente lì. Solo un cilindro d'acciaio con il bordo tagliente pronto a colpire la terra.

E chiedono sempre la stessa cosa: “Eh… non dovremmo limitarlo?? Lo sporco non entrerà all'interno?”

Benedici i loro cuori.

Se avessi un dollaro per ogni volta che ho sentito quella domanda, Mi ritirerei in Florida e non guarderei mai più un altro impianto di battipalo. Ma è una domanda giusta se hai avuto a che fare solo con pali di cemento o pali ad H. La pila di tubi a estremità aperta sembra sbagliata se non capisci cosa sta effettivamente facendo laggiù.

Quindi mettiamo le cose in chiaro. I pali di tubi a estremità aperta non costituiscono una svista di progettazione. Non sono una misura di riduzione dei costi nel caso in cui abbiamo esaurito la lamiera d’acciaio. Sono una scelta deliberata – a volte l’unica scelta – quando il terreno diventa pericoloso.

Ed ecco il kicker: a volte lasciare l'estremità aperta è la differenza tra una fondazione che dura cinquant'anni e un mucchio che si deforma prima di colpire i rifiuti

---

Per prima cosa: Di cosa stiamo effettivamente parlando?

Una pila di tubi a estremità aperta è esattamente quello che sembra. Tubo d'acciaio. Conficcato nel terreno. Nessuna scarpa. Nessun piatto. Solo un cilindro cavo con un bordo tagliente nella parte inferiore.

Il terreno non viene spostato da parte come avviene con un mucchio chiuso. Invece, entra nel tubo. Forma un tappo di terreno all'interno. E quel tappo, quella colonna di sporco intrappolata nell’acciaio, diventa parte del sistema strutturale.

Concetto semplice. Ma la meccanica? È qui che diventa interessante.

---

La fisica di base: Perché Open vs. Questioni chiuse

Cominciamo con la differenza fondamentale. Quando guidi un tubo a estremità chiusa (o qualsiasi pila solida), stai spostando il suolo. Lo stai spingendo via. Ciò richiede energia. Crea resistenza. Può anche sollevare il terreno intorno a te, sollevare pile adiacenti, e generalmente causano mal di testa a tutti sul posto.

A tempo indeterminato? Il terreno ha un posto dove andare. All'interno del tubo.

L’equazione fondamentale, quella che scarabocchio sulle pagine del taccuino macchiate di caffè, assomiglia a questa:

$$R_{tot\mathrm{un}l}=R_{o\mathrm{tu}teRSh\mathrm{un}ft}+R_{\mathrm{io}NNeRSh\mathrm{un}ft}+R_{\mathrm{un}NN\mathrm{tu}l\mathrm{tu}S}$$

Rtotale=Albero fresa+Albero interno+Rannulus

Dove:

• R_albero esterno è l'attrito della pelle all'esterno del tubo

• R_albero interno è l'attrito tra il tappo del terreno e la parete interna

• R_annulus è il cuscinetto sulla punta (l'acciaio stesso, non la spina, solo l'anello d'acciaio sul fondo)

Nota cosa manca? Cuscinetto terminale su una spina solida. Perché inizialmente, non ce n'è uno. Il terreno si solleva all'interno mentre guidi.

Ma è qui che la cosa diventa strana. Ad una certa profondità, quel tappo del terreno smette di muoversi. Si inceppa. Si blocca. Ora hai essenzialmente creato una pila chiusa, ma il terreno interno è stressato, confinato, e agendo in modo diverso rispetto al terreno esterno.

Quel momento, quando la spina si blocca, è fondamentale. Determina tutto sul comportamento del palo sotto carico.

---

Il tappo del suolo: Il tuo inquilino non invitato

Ricordo un lavoro in Mobile, Di nuovo in Alabama ’09. Stavamo piantando pali aperti da 36 pollici per una struttura di attracco di una nave. Sabbia densa, alcuni strati di argilla compatta. Condizioni da libro di testo per il tempo libero.

Viene inserita la prima pila di prova. Stiamo monitorando con PDA. Tutto sembra normale. Poi ci siamo imbattuti 45 piedi, e il colpo conta salta. Non gradualmente, ma direttamente. Trenta colpi per piede diventano centocinquanta nello spazio di tre piedi.

Tiriamo il martello, guarda giù nel tubo con una luce. Quel tappo del terreno? Solido come il cemento. Chiuso stretto. Non siamo riusciti nemmeno a far passare un tubo di campionamento.

Questo è il fenomeno dell’ostruzione. Ed è per questo che in alcuni terreni i pali aperti possono effettivamente avere una capacità maggiore rispetto a quelli chiusi.

Il rapporto di riempimento: quello che gli accademici chiamano rapporto di riempimento incrementale (IFR)- è qualcosa che seguiamo religiosamente:

$$\mathrm{IO}FR=\frac{\mathrm{D}{L}_{pl\mathrm{tu}G}}{\mathrm{D}{L}_{p\mathrm{io}le}}\times 100\mathrm{\%}$$

IFR=ΔLpila​ΔLspina​​×100%

Se quel numero scende al di sotto 80%? Stai ottenendo lo sviluppo plug-in. Sotto 50%? Quella spina è bloccata. Sotto 20%? Praticamente stai guidando una pila chiusa ora, se lo volevi o no.

Ed ecco il punto: un palo tappato si comporta diversamente sotto carico. Il carico si trasferisce attraverso l'acciaio, ma anche attraverso quella colonna di terreno. L'attrito dell'interfaccia all'interno si mobilita. Hai il doppio della superficie che lavora per te.

---

Tavolo 1: A tempo indeterminato vs. Confronto tra pali di tubi a estremità chiusa

---

Quando utilizziamo effettivamente la versione a tempo indeterminato?

Scenario 1: Costruzione marittima (Il caso classico)

Stai costruendo un molo. O un molo. O un delfino a cui attraccare le navi. Sei nell'acqua. Il terreno è variabile, forse sabbia, forse argilla morbida, forse alcuni strati di materiale rigido. E non puoi vedere il fondo.

Il tempo libero è tuo amico qui.

Perché? Perché non puoi prevedere esattamente cosa colpirai. Potrebbero esserci dei massi. Potrebbero esserci vecchi detriti di costruzione. Potrebbe esserci uno strato di arenaria calcarea che si presenta sui tronchi forati ma in realtà è fratturato e variabile.

Ho piantato pali nella baia di San Francisco all'inizio degli anni 2000. Vecchia zona industriale. I sondaggi mostravano sabbia pulita. Quello che abbiamo effettivamente colpito? Mucchi di legname da un vecchio molo, pezzi di cemento, un asse di automobile (Non sto scherzando), e uno strato di hashish che rifletteva l'onda del martello così forte che pensavamo che il mucchio si stesse rompendo.

Il tubo aperto ne tagliava la maggior parte. Una pila chiusa? Si sarebbe fermato al primo ostacolo.

Scenario 2: Penetrazione di strati densi

A volte è necessario attraversare uno strato duro per raggiungere la profondità di rilevamento. Forse è glaciale fino al momento. Forse è un denso strato di sabbia. Qualunque cosa sia, È dura.

Il tubo con estremità aperta ha un'area effettiva della punta più piccola. Solo l'anello d'acciaio. Quindi la resistenza alla guida è inferiore. Puoi perforare strati che fermerebbero il freddo di un mucchio chiuso.

La matematica è abbastanza semplice:

Per un tubo da 24 pollici con parete da 1 pollice:

• Area della punta chiusa = π × (12²) = 452 pollici quadrati
• Area dell'acciaio a estremità aperta = π × (12² – 11²) = circa 72 pollici quadrati

Questo è un sesto dell’area. Un sesto della resistenza del cuscinetto terminale durante la guida. Attraverserai quello strato denso mentre i pali chiusi continuano a far rimbalzare il martello.

Scenario 3: Incastro per roccia

È qui che le pile aperte brillano davvero.

Quando hai bisogno di incastrare la roccia, perforare o piantare nella roccia, vuoi una soluzione a tempo indeterminato. Perché? Perché puoi pulire l'interno. Puoi forare la spina, estendere la presa, e effettivamente ispezionare la roccia sul fondo.

Ho svolto un lavoro in Kentucky in cui il substrato roccioso era calcare esposto alle intemperie con cavità di soluzione. I pali chiusi sarebbero stati un disastro: si sarebbero fermati su un pinnacolo o sarebbero finiti nel vuoto senza preavviso.

A tempo indeterminato? Siamo arrivati ​​al rifiuto, poi ha utilizzato un ponte aereo per ripulire l'interno. Brillava una luce laggiù. Potevo vedere le condizioni della roccia, i vuoti, qualunque cosa. Una volta abbiamo anche mandato giù una telecamera. Questo non è possibile con il circuito chiuso.

Scenario 4: Siti sensibili allo spostamento

Eccone uno che i libri di testo non enfatizzano abbastanza.

Se stai piantando pali ravvicinati, ad esempio per una fondazione opaca o un grappolo ad alta densità, il sollevamento del terreno diventa un vero problema. I pali chiusi spostano il terreno. Quel terreno deve andare da qualche parte. Sale. Si muove lateralmente. Solleva pali precedentemente battuti.

Ho osservato un lavoro a Boston in cui l'appaltatore utilizzava tubi a estremità chiusa in una griglia stretta. Tre giorni dopo, i primi mucchi erano due pollici più alti di quando li avevamo piantati. Ho dovuto riguidarli tutti. Costa una fortuna.

A tempo indeterminato? Spostamento minimo. Il terreno entra nel tubo. Il terreno intorno resta fermo. Il controllo del tuo sondaggio rimane felice. Il tuo cliente rimane felice. Rimani occupato.

---

Le modalità di fallimento (E come risolverli)

Siamo onesti: le pile aperte non sono magiche. Falliscono. L'ho visto. Lo vedrai se lo fai abbastanza a lungo.

Modalità di fallimento 1: La tana dei topi

Ciò accade in sabbie sciolte o argille morbide. Il tappo del terreno non si sviluppa. Continua a correre all'interno del tubo. Guidi per cinquanta piedi, e il terreno all'interno è profondo cinquanta piedi. Nessun collegamento. Nessuno sviluppo di attrito interno.

Perché è importante: La tua capacità è molto inferiore a quella calcolata. Ti affidi solo all'attrito della pelle esterna e forse a un piccolo cuscinetto della punta sull'anello in acciaio.

La soluzione: Smetti di guidare. Lascia riposare per una notte. A volte il terreno si consolida e acquista forza. Oppure, e l'ho fatto, pompare un tappo di malta a bassa resistenza sul fondo per creare un cuscinetto terminale artificiale. È un rimedio, ma funziona.

Modalità di fallimento 2: Rilascio improvviso della spina

Il suono più spaventoso durante la guida su pali.

Stai guidando, spina bloccata, il conteggio dei colpi è costante. Poi bam... il mucchio cade di quindici centimetri con un solo colpo. La spina si staccò. All'improvviso hai cinquanta colpi per piede e poi dieci. L'intero percorso di carico è cambiato.

Perché è importante: Se non lo vedi sul PDA, penserai di aver colpito una zona debole. Continuerai a guidare. La spina potrebbe bloccarsi nuovamente più in profondità, ma hai perso la correlazione dei dati. Le tue stime sulla capacità sono spazzatura.

La soluzione: Guarda i record di guida come un falco. Calo improvviso del conteggio dei colpi? Controllare il livello della spina. Se cadesse, hai avuto una liberazione. Ricalcola tutto.

Modalità di fallimento 3: Deformazione durante la guida

Questo è raro con tubi a parete pesante, ma l'ho visto con pareti più sottili in un terreno molto denso.

La pila è aperta. Il tappo del terreno si blocca. Ora stai guidando una pila chiusa in modo efficace, ma il muro è sottile. Le sollecitazioni di guida si concentrano sulla punta. Boom: instabilità locale.

La soluzione: Parete più pesante in punta. Scarpe da guida. Oppure passa a un martello più piccolo. A volte il problema non è la pila, ma l’appaltatore che cerca di guidare troppo velocemente con troppa energia.

---

Tavolo 2: Applicazioni tipiche di pali di tubi a estremità aperta per regione

---

Il problema dell'ispezione (E perché è importante)

Ecco qualcosa di cui nessuno parla nell’ufficio di progettazione.

Con pali chiusi, stai volando alla cieca. Non hai idea di cosa sta succedendo sulla punta. Ha colpito qualcosa?? È danneggiato?? Si appoggia su un masso invece che su un substrato roccioso? Buona fortuna per capirlo.

Il tempo aperto ti offre opzioni.

Ho sempre scelto un numero illimitato di pile critiche perché posso ispezionarle dopo aver guidato. Metti una luce. Manda una macchina fotografica. Misurare la spina. Prova il materiale in basso.

A Miami, avevamo un progetto in cui le specifiche richiedevano prese da roccia. L'appaltatore ha installato pali di prova chiusi. Test di carico statico superati. Grande. Poi è iniziata la produzione, e all'improvviso i pali cedevano alla metà del carico di prova.

Risulta, il calcare presentava cavità di soluzione. Alcuni pali poggiavano su una sottile crosta con il vuoto sottostante. Il sistema chiuso non potrebbe dircelo. A tempo indeterminato? Avremmo visto la cavità quando avremmo ripulito la spina.

Li abbiamo fatti scambiare. Superamento dei costi. Cause legali. Tutto il caos. Tutto perché qualcuno voleva risparmiare qualche soldo sulla fabbricazione.

---

Le regole dell'ingegnere scontroso per i pali di tubi con estremità aperte

Dopo trent'anni, Ho alcune regole. Non sono nei codici. Non sono nei libri di testo. Ma ti terranno fuori dai guai.

Regola 1: In caso di dubbio, lasciarlo aperto.

A meno che tu non abbia un motivo convincente per chiudere l'estremità, ad esempio se hai bisogno che l'estremità si appoggi immediatamente su uno strato duro e non puoi rischiare di intasarla, lasciala aperta. Avrai più opzioni in seguito. Puoi sempre stuccare l'interno. Puoi sempre guidare un mandrino. Puoi sempre aggiungere una targa dopo la guida se hai davvero bisogno di un comportamento a fondo chiuso. Ma non puoi aprire una pila chiusa.

Regola 2: Monitorare la spina.

Ogni dieci piedi, controlla il livello della presa. Segna l'interno con un nastro appesantito. Scopri cosa sta facendo la tua spina. Se non si sta sviluppando, modificare le stime di capacità. Se si chiude presto, aspettarsi stress di guida più elevati.

Regola 3: Non fidarti dei registri noiosi.

Sono solo supposizioni. Un'ipotesi plausibile, ma è ancora un'ipotesi. Le pile aperte gestiscono meglio le sorprese. Quando il registro dice “sabbia” e colpisci i massi, sarai felice che la fine sia aperta.

Regola 4: Puliscilo se hai bisogno del cuscinetto terminale.

Se fai affidamento su cuscinetti terminali in roccia o materiale denso, pulire la spina. Perforalo. Sollevalo in aereo. Non dare per scontato che la spina trasferisca il carico per sempre. Nei carichi ciclici, come nelle aree sismiche o negli ambienti marini, il tappo può allentarsi nel tempo.

Regola 5: Considera la corrosione.

Anche l'interno conta. I pali aperti hanno una superficie interna esposta all'aria, Acqua, o suolo. Negli ambienti marini, quell'interno può corrodersi più velocemente dell'esterno. Ho visto un tubo a muro da 1 pollice trasformarsi in formaggio svizzero all'interno perché nessuno pensava alla corrosione interna. Rivesti l'interno se puoi. Almeno pensaci.

---

Tendenze recenti: Quello che vedo dentro 2024-2025

Il settore sta cambiando. Lentamente, ma sta cambiando.

I diametri più grandi stanno diventando comuni. Ora vedo pali aperti da 60 e 72 pollici per le fondazioni eoliche offshore. La meccanica è la stessa, ma la scala cambia tutto. Quel tappo di terra pesa tonnellate. La sua pulizia richiede attrezzature serie.

Il monitoraggio sta diventando più intelligente. Adesso utilizziamo la fibra ottica: estensimetri su tutta la lunghezza, dentro e fuori. Guardando come la spina carica la pila in tempo reale. I dati sono incredibili. Stiamo imparando che le nostre vecchie supposizioni sul comportamento della spina a volte erano sbagliate.

Stanno emergendo sistemi ibridi. Guida una pila aperta, puliscilo, inserire una gabbia di rinforzo, e riempire di cemento. Ottieni la guidabilità dell'acciaio a estremità aperta con la capacità e la resistenza alla corrosione del calcestruzzo. Accorto. Mi piace.

Le norme ambientali si stanno inasprendo. In alcune zone, non è più possibile infiggere pali chiusi a causa dello spostamento del terreno. Troppi rischi per le strutture adiacenti. La durata indeterminata sta diventando obbligatoria nei progetti di riempimento urbano.

---

Il caso di studio che mi mantiene umile

Lascia che ti parli di un lavoro che mi ha quasi distrutto.

Nuova Orleans. 2017. Sostituzione del muro alluvionale. Le specifiche richiedevano un tubo a estremità chiusa da 24 pollici, 80 piedi profondi, pali martoriati per la resistenza laterale. Roba standard.

Primo giorno di guida, la primissima pila colpisce il rifiuto 40 piedi. Non posso spostarlo. Il martello rimbalza. Lo tiriamo: la punta è schiacciata. Piegato verso l'interno come una lattina di soda.

Risulta, c'era un materasso di cemento sepolto da una vecchia riparazione di argini. Nessuno lo sapeva. Nessun documento storico. Nessuna menzione nel rapporto geotecnico. Solo cemento casuale 38 piedi.

Siamo passati al tempo indeterminato. Ci sono passato attraverso. L'estremità aperta tagliata nel cemento, lo ha fratturato, messo da parte i pezzi. Il terreno è entrato. L'abbiamo ripulito più tardi, conficcò altri dieci piedi nell'argilla nativa, e ha superato il test di carico a pieni voti.

Se fossimo rimasti chiusi? Saremmo ancora là fuori, probabilmente, sbattendo la testa contro il cemento e chiedendoci perché abbiamo scelto questa professione.

---

I numeri: Riferimento rapido

Dimensioni tipiche che utilizzo:

• Spessore della parete: Minimo 0,5″ per 24″ diametro, aumentare le dimensioni
• Smusso della punta: 30-45 gradi all'esterno, foglie all'interno del quadrato
• Giunzioni: Saldature di testa a piena penetrazione, a volte con anelli di supporto

Stime di capacità (Approssimativo: non costruire senza analisi):

Per un 24″ × 0,5″ mucchio aperto in sabbia densa:

• Pelle esterna: 2-3 kip per piede
• Pelle interna (se collegato): 1-2 kip per piede
• Mancia (solo acciaio): 50-100 kips a seconda della densità
• Definitivo totale: 300-500 kips tipici

Per la stessa pila chiusa, potresti ottenere 400-600 kips, ma non lo guiderai mai così in profondità. Compromessi ovunque.

---

La linea di fondo

Esistono pali di tubi a estremità aperta perché il terreno non è un libro di testo. È disordinato. È imprevedibile. Nasconde massi, vecchi assi di automobili e pezzi di cemento di progetti di cinquant'anni fa.

Lasciare la fine aperta ti dà delle opzioni. Puoi guidare attraverso cose che fermerebbero una pila chiusa. Puoi ispezionarlo dopo aver guidato. Puoi pulire e incastrare nella roccia. Puoi stuccare per una capacità extra. Puoi fare tutto, o niente di tutto ciò, dipende da cosa trovi laggiù.

Sono adatti per ogni lavoro?? NO. Se hai condizioni di terreno pulite, buon strato portante a profondità costante, e nessuna preoccupazione per l'ispezione, il closed-end potrebbe essere più semplice ed economico.

Ma se lavori su un terreno sconosciuto, e siamo onesti, quando conosci veramente il terreno??- il tempo indeterminato è la scommessa più sicura. È la differenza tra indovinare e sapere. Tra sperare che il mucchio sia a posto e vederlo davvero.

E in questo business, Prenderò il sopravvento sperando ogni volta.