Pale rurowe z otwartymi końcami: Dlaczego zostawiamy dno otwarte (I kiedy uratuje Twój bekon)

Przez inżyniera terenowego, który widział, jak zbyt wiele zakrytych palców zawiodło

---

Wiesz, Często dostaję to pytanie od młodych inżynierów, którzy niedawno ukończyli szkołę. Stoją na miejscu, patrząc na tę dużą stalową rurę zwisającą z dźwigu, i widzą, że dno jest sprawiedliwe… Otwarte. Nic tam. Tylko stalowy cylinder z ostrą krawędzią, gotowy do uderzenia w ziemię.

I zawsze pytają o to samo: “Uch… nie powinniśmy tego ograniczać?? Czy brud nie dostanie się do środka?”

Pobłogosław ich serca.

Gdybym dostawał dolara za każdym razem, gdy słyszę to pytanie, Przeniosłbym się na emeryturę na Florydę i nigdy więcej nie spojrzałbym na inną platformę do wbijania pali. Jest to jednak uczciwe pytanie, jeśli kiedykolwiek miałeś do czynienia tylko z paliami betonowymi lub słupami typu H. Stos rur o otwartych końcach wygląda źle, jeśli nie rozumiesz, co właściwie tam robi.

Wyjaśnijmy więc sprawę. Pale rurowe z otwartymi końcami nie są wynikiem niedopatrzenia projektowego. Nie są one środkiem obniżającym koszty w przypadku, gdy zabrakło nam blachy stalowej. Są to świadomy wybór – czasem jedyny wybór – gdy podłoże staje się nieprzyjazne.

A oto kicker: czasami pozostawienie końca otwartego to różnica między fundamentem, który przetrwa pięćdziesiąt lat, a stosem, który ugina się, zanim uderzy w odmowę

---

Najpierw rzeczy pierwsze: O czym właściwie mówimy?

Stos rur z otwartymi końcami jest dokładnie tym, na co wygląda. Rura stalowa. Wbity w ziemię. Bez buta. Brak talerza. Tylko wydrążony cylinder z krawędzią tnącą na dole.

Gleba nie jest odpychana na bok, jak ma to miejsce w przypadku pryzma o zamkniętym końcu. Zamiast, wchodzi do rury. Tworzy wewnątrz zatyczkę glebową. A ten korek – ta kolumna brudu uwięziona w stali – staje się częścią systemu konstrukcyjnego.

Prosta koncepcja. Ale mechanika? To tam robi się interesująco.

---

Podstawy fizyki: Dlaczego Otwarte vs. Zamknięte sprawy

Zacznijmy od zasadniczej różnicy. Kiedy prowadzisz rurę z zamkniętym końcem (lub jakikolwiek solidny stos), wypierasz ziemię. Spychasz to na dalszy plan. To wymaga energii. Tworzy opór. Może także podnieść ziemię wokół ciebie, podnieść sąsiednie stosy, i ogólnie powoduje bóle głowy u wszystkich na miejscu.

Otwarte? Gleba ma dokąd pójść. Wewnątrz rury.

Równanie rządzące – to, które zapisuję na poplamionych kawą kartkach notesu – wygląda mniej więcej tak:

$$R_{totAl}=R_{o\mathrm{ty}teRSHAFt}+R_{INNeRSHAFt}+R_{ANN\mathrm{ty}l\mathrm{ty}S}$$

Rcałkowita=Wałek frezarski+Wał czołowy+Rannulus

Gdzie:

• R_zewnętrzny wał to tarcie skóry na zewnątrz rury

• R_wewnętrzny wał to tarcie pomiędzy korkiem gruntowym a ścianą wewnętrzną

• R_annulus to łożysko na końcu (samą stal, nie wtyczka, tylko stalowy pierścień na dole)

Zauważ, czego brakuje? Łożysko końcowe na solidnym korku. Ponieważ początkowo, nie ma jednego. Podczas jazdy gleba podnosi się do środka.

Ale tutaj robi się dziwnie. Na pewnej głębokości, ten korek glebowy przestaje się poruszać. Zacina się. Zamyka się. Teraz zasadniczo utworzyłeś stos zamknięty, ale gleba w środku jest naprężona, ograniczony, i zachowują się inaczej niż gleba na zewnątrz.

Ten moment – ​​kiedy wtyczka się zablokuje – jest krytyczny. Decyduje o tym, jak pala zachowuje się pod obciążeniem.

---

Korek glebowy: Twój nieproszony najemca

Pamiętam pracę w Mobile, Powrót Alabamy ’09. Wbijaliśmy 36-calowe pale otwarte do konstrukcji miejsca postojowego statku. Gęsty piasek, kilka warstw sztywnej gliny. Warunki podręcznikowe dla zajęć otwartych.

Wchodzi pierwszy stos testowy. Monitorujemy za pomocą PDA. Wszystko wygląda normalnie. Potem uderzyliśmy 45 stopy, i cios liczy się jako skok. Nie stopniowo – prosto w górę. Trzydzieści uderzeń na stopę zamienia się w sto pięćdziesiąt na przestrzeni trzech stóp.

Wyciągamy młotek, spójrz w dół rury za pomocą latarki. Ta wtyczka do gleby? Solidny jak beton. Zamknięte szczelnie. Nie mogliśmy nawet przełożyć przez niego rurki do pobierania próbek.

To jest zjawisko zatykania. I dlatego w niektórych glebach pale otwarte mogą w rzeczywistości mieć większą nośność niż pale zamknięte.

Współczynnik zatykania — co naukowcy nazywają przyrostowym współczynnikiem wypełnienia (IFR)– jest czymś, co śledzimy religijnie:

$$IFR=\frac{\mathrm{D}{L}_{Pl\mathrm{ty}G}}{\mathrm{D}{L}_{PIle}}\times 100\mathrm{\%}$$

IFR=ΔLstos​ΔLwtyczka​×100%

Jeśli ta liczba spadnie poniżej 80%? Otrzymujesz rozwój wtyczek. Poniżej 50%? Ta wtyczka jest zablokowana. Poniżej 20%? Zasadniczo prowadzisz teraz stos zamknięty, czy miałeś taki zamiar, czy nie.

I o to chodzi: zatkany stos zachowuje się inaczej pod obciążeniem. Obciążenie przenosi się w dół przez stal, ale także przez tę kolumnę gleby. Tarcie interfejsu wewnątrz mobilizuje. Masz podwójną powierzchnię, która Ci odpowiada.

---

Tabela 1: Otwarte vs. Porównanie stosów rur zamkniętych

---

Kiedy właściwie używamy opcji Open-Ended?

Scenariusz 1: Budownictwo Morskie (Klasyczny przypadek)

Budujesz dok. Albo molo. Albo delfin, do którego można przywiązać statki. Jesteś w wodzie. Gleba jest zmienna – może piasek, może miękka glina, może jakieś warstwy sztywnego materiału. I nie widać dna.

Otwarty jest tutaj Twoim przyjacielem.

Dlaczego? Ponieważ nie możesz dokładnie przewidzieć, w co trafisz. Mogą być głazy. Mogą znajdować się tam stare gruzy budowlane. Na wywierconych kłodach może znajdować się warstwa wapiennego piaskowca, która w rzeczywistości jest spękana i zmienna.

Na początku XXI wieku wbijałem stosy w Zatoce San Francisco. Stary teren przemysłowy. Wiercenia wykazały czysty piasek. W co właściwie trafiliśmy? Stosy drewna ze starego molo, kawałki betonu, oś samochodu (Nie żartuję), i warstwa haszyszu z muszli, która odbijała falę młotkową tak mocno, że myśleliśmy, że stos się łamie.

Większość z nich przecięła rura z otwartym końcem. Stos o zamkniętym końcu? Zatrzymałbym się z zimna przy pierwszej przeszkodzie.

Scenariusz 2: Penetrujące gęste warstwy

Czasami trzeba przedostać się przez twardą warstwę, aby dotrzeć do głębokości łożyska. Może to glina lodowcowa. Być może jest to gęsta warstwa piasku. Cokolwiek to jest, to trudne.

Rura z otwartym końcem ma mniejszą efektywną powierzchnię końcówki. Tylko stalowy pierścień. Zatem opór jazdy jest niższy. Możesz przebić się przez warstwy, które zatrzymają zimno stosu o zamkniętym końcu.

Matematyka jest dość prosta:

Do rury 24-calowej z 1-calową ścianką:

• Powierzchnia końcówki zamkniętej = π × (12²) = 452 cale kwadratowe
• Powierzchnia stali otwartej = π × (12² – 11²) = około 72 cale kwadratowe

To jedna szósta obszaru. Jedna szósta oporu łożyska końcowego podczas jazdy. Będziesz przejeżdżał przez tę gęstą warstwę, podczas gdy zamknięte stosy wciąż odbijają się od młota.

Scenariusz 3: Gniazdowanie skał

To właśnie tutaj stosy otwarte naprawdę błyszczą.

Kiedy musisz wbić gniazdo w skałę – wiercić lub wbić w podłoże skalne – potrzebujesz otwartego narzędzia. Dlaczego? Ponieważ możesz oczyścić wnętrze. Można przewiercić wtyczkę, przedłużyć gniazdo, i faktycznie sprawdź skałę na dnie.

Pracowałem w Kentucky, gdzie podłożem był zwietrzały wapień z wgłębieniami po roztworze. Pale o zamkniętych końcach byłyby katastrofą – albo zatrzymałyby się na szczycie, albo wbiłyby się w pustkę bez ostrzeżenia.

Otwarte? Doszliśmy do odmowy, następnie użył podnośnika powietrznego, aby oczyścić wnętrze. Zapaliło tam światło. Widziałem stan skał, puste przestrzenie, wszystko. Raz nawet wysłaliśmy na dół kamerę. Nie jest to możliwe przy zamkniętym końcu.

Scenariusz 4: Miejsca wrażliwe na przemieszczenia

Oto kwestia, na którą podręczniki nie kładą wystarczającego nacisku.

Jeśli wbijasz stosy blisko siebie – na przykład w przypadku podkładu matowego lub skupiska o dużej gęstości – unoszenie się gruntu staje się prawdziwym problemem. Pale zamknięte wypierają glebę. Ta ziemia musi gdzieś pójść. To idzie w górę. Porusza się na boki. Podnosi wcześniej wbite pale.

Obserwowałem pracę w Bostonie, gdzie wykonawca zastosował rurę z zamkniętymi końcami w ciasnej siatce. Trzy dni później, pierwsze pale były o dwa cale wyższe niż wtedy, gdy je wbijaliśmy. Musiałem przerobić każdy z nich. Kosztuje fortunę.

Otwarte? Minimalne przemieszczenie. Ziemia wchodzi do rury. Ziemia wokół pozostaje niezmieniona. Twoja kontrola ankiety pozostaje zadowolona. Twój klient pozostaje zadowolony. Pozostajesz zatrudniony.

---

Tryby awarii (I jak je naprawić)

Bądźmy szczerzy: Stosy otwarte nie są magią. Zawodzą. Widziałem to. Zobaczysz to, jeśli będziesz robić to wystarczająco długo.

Tryb awarii 1: Szczurza Dziura

Dzieje się tak w luźnych piaskach lub miękkich glinach. Czop glebowy nie rozwija się. Po prostu płynie wewnątrz rury. Jedziesz pięćdziesiąt stóp, a gleba w środku jest głęboka na pięćdziesiąt stóp. Bez podłączania. Brak rozwoju tarcia wewnętrznego.

Dlaczego to ma znaczenie: Twoja pojemność jest znacznie niższa, niż obliczyłeś. Opierasz się tylko na zewnętrznym tarciu skóry i może niewielkiej końcówce opierającej się na stalowym pierścieniu.

Poprawka: Przestań jeździć. Pozwól mu usiąść na noc. Czasami gleba się stabilizuje i zyskuje siłę. Lub — i ja to zrobiłem — wpompuj na dno zaprawę o niskiej wytrzymałości, aby utworzyć sztuczne łożysko końcowe. To lekarstwo, ale to działa.

Tryb awarii 2: Nagłe zwolnienie wtyczki

Najstraszniejszy dźwięk podczas wbijania pali.

Jedziesz razem, wtyczka zablokowana, ciosy liczą się stale. A potem bum – za jednym uderzeniem stos opadnie o sześć cali. Wtyczka zwolniona. Nagle masz pięćdziesiąt uderzeń na stopę, a potem dziesięć. Zmieniła się cała ścieżka obciążenia.

Dlaczego to ma znaczenie: Jeśli nie złapiesz tego na PDA, pomyślisz, że trafiłeś w słabą strefę. Będziesz kontynuować jazdę. Wtyczka może ponownie zatrzasnąć się głębiej, ale utraciłeś korelację danych. Twoje szacunki dotyczące wydajności są bzdurą.

Poprawka: Oglądaj zapisy jazdy jak jastrząb. Nagły spadek liczby ciosów? Sprawdź poziom wtyczki. Jeśli spadło, miałeś zwolnienie. Przelicz wszystko.

Tryb awarii 3: Wyboczenie podczas jazdy

Ten jest rzadki w przypadku rur o grubych ściankach, ale widziałem to z cieńszymi ścianami w bardzo gęstej glebie.

Stos jest otwarty. Korek glebowy blokuje się. Teraz skutecznie wbijasz stos zamknięty, ale ściana jest cienka. Naprężenia podczas jazdy skupiają się na końcówce. Boom – lokalne wyboczenie.

Poprawka: Cięższa ściana na końcu. Buty do jazdy. Lub zmień młotek na mniejszy. Czasami problemem nie jest stos, lecz wykonawca próbujący jechać zbyt szybko i zużywający zbyt dużo energii.

---

Tabela 2: Typowe zastosowania pali rurowych z otwartymi końcami według regionu

---

Problem inspekcji (I dlaczego to ma znaczenie)

Oto coś, o czym nikt nie mówi w biurze projektowym.

Z paliami zamkniętymi, lecisz na ślepo. Nie masz pojęcia, co dzieje się na końcu. Czy w coś uderzyło? Czy jest uszkodzony? Czy opiera się na głazie, a nie na skale? Powodzenia w rozwiązywaniu tego.

Otwarte daje opcje.

Zawsze wybieram opcję otwartą dla stosów krytycznych, ponieważ mogę sprawdzić po jeździe. Rzuć światło. Wyślij kamerę. Zmierz wtyczkę. Próbka materiału na dole.

W Miami, mieliśmy projekt, w którym specyfikacja wymagała gniazd skalnych. Wykonawca wbił zamknięte pale testowe. Testy obciążenia statycznego zaliczone. Świetnie. Potem ruszyła produkcja, i nagle pale przestały działać przy połowie obciążenia testowego.

Okazuje się, wapień miał wnęki roztworowe. Niektóre stosy opierały się na cienkiej skorupie, pod którą znajdowała się pustka. Zamknięty nie mógł nam tego powiedzieć. Otwarte? Gdy czyściliśmy wtyczkę, zobaczylibyśmy wnękę.

Zmusiliśmy ich do zmiany. Przekroczenia kosztów. Pozwy. Cały bałagan. Wszystko dlatego, że ktoś chciał zaoszczędzić kilka dolców na produkcji.

---

Zasady zrzędliwego inżyniera dotyczące pali rurowych z otwartymi końcami

Po trzydziestu latach, Mam pewne zasady. Nie ma ich w kodach. Nie ma ich w podręcznikach. Ale uchronią cię od kłopotów.

Reguła 1: Kiedy masz wątpliwości, zostaw to otwarte.

Jeśli nie masz ważnego powodu, aby zamknąć końcówkę – na przykład potrzebujesz natychmiastowego osadzenia końcówki na twardej warstwie i nie możesz ryzykować zatkania – po prostu zostaw ją otwartą. Później będziesz mieć więcej opcji. Zawsze możesz zaszpachlować wnętrze. Zawsze możesz wbić trzpień. Zawsze możesz dodać tablicę po jeździe, jeśli naprawdę potrzebujesz zamkniętego zachowania. Ale nie można odblokować zamkniętego stosu.

Reguła 2: Monitoruj wtyczkę.

Co dziesięć stóp, sprawdź poziom wtyczki. Zaznacz wnętrze taśmą obciążaną. Dowiedz się, co robi Twoja wtyczka. Jeśli się nie rozwija, dostosuj swoje szacunki wydajności. Jeśli zamyka się wcześniej, spodziewać się większych obciążeń podczas jazdy.

Reguła 3: Nie ufaj nudnym dziennikom.

To domysł. Wykształcone przypuszczenie, ale to wciąż domysł. Pale otwarte lepiej radzą sobie z niespodziankami. Kiedy dziennik mówi “piasek” i uderzasz w głazy, będziesz zadowolony, że koniec jest otwarty.

Reguła 4: Wyczyść go, jeśli potrzebujesz łożyska końcowego.

Jeśli polegasz na łożysku końcowym w skale lub gęstym materiale, oczyścić wtyczkę. Wywierć to. Podnieś go powietrzem. Nie zakładaj, że wtyczka będzie przenosić obciążenie w nieskończoność. W przypadku cyklicznego obciążenia – na przykład w obszarach sejsmicznych lub w środowisku morskim – wtyczka może z czasem poluzować się.

Reguła 5: Weź pod uwagę korozję.

Wnętrze też się liczy. Pale otwarte mają powierzchnię wewnętrzną wystawioną na działanie powietrza, Woda, lub gleba. W środowiskach morskich, że wnętrze może korodować szybciej niż na zewnątrz. Widziałem, jak 1-calowa rura ścienna zamienia się w środku w ser szwajcarski, ponieważ nikt nie pomyślał o korozji wewnętrznej. Jeśli możesz, posmaruj wnętrze. Przynajmniej o tym pomyśl.

---

Najnowsze trendy: W czym widzę 2024-2025

Branża się zmienia. Powoli, ale to się zmienia.

Większe średnice stają się powszechne. Widzę teraz pale otwarte o średnicy 60 i 72 cali do fundamentów morskich elektrowni wiatrowych. Mechanika jest taka sama, ale skala zmienia wszystko. Ten korek glebowy waży tony. Do jego oczyszczenia potrzebny jest poważny sprzęt.

Monitorowanie staje się coraz mądrzejsze. Używamy teraz światłowodów – tensometrów na całej długości, wewnątrz i na zewnątrz. Oglądanie, jak wtyczka ładuje stos w czasie rzeczywistym. Dane są niesamowite. Uczymy się, że nasze stare założenia dotyczące zachowania wtyczek były czasami błędne.

Pojawiają się systemy hybrydowe. Wbij stos otwarty, wyczyść to, włóż klatkę wzmacniającą, i zalać betonem. Otrzymujesz właściwości jezdne stali otwartej z wydajnością i odpornością na korozję betonu. Mądry. Podoba mi się to.

Zaostrzają się przepisy dotyczące ochrony środowiska. W niektórych obszarach, nie można już wbijać pali zamkniętych ze względu na przemieszczenie gruntu. Zbyt duże ryzyko dla sąsiednich konstrukcji. Otwarte stają się obowiązkowe w projektach wypełnień miejskich.

---

Studium przypadku, które pozwala mi zachować pokorę

Opowiem Ci o pracy, która prawie mnie zakończyła.

Nowy Orlean. 2017. Wymiana ściany przeciwpowodziowej. Specyfikacja wymagała 24-calowej rury z zamkniętym końcem, 80 stopy głęboko, poobijane pale dla oporu bocznego. Standardowe rzeczy.

Pierwszy dzień jazdy, pierwszy stos trafia w odmowę 40 stopy. Nie można tego przenieść. Hammer podskakuje. Wyciągamy – końcówka jest zmiażdżona. Wygięty do wewnątrz jak puszka napoju gazowanego.

Okazuje się, leżał zakopany betonowy materac po naprawie starej tamy. Nikt o tym nie wiedział. Brak zapisów historycznych. Żadnej wzmianki w raporcie geotechnicznym. Po prostu przypadkowy beton o godz 38 stopy.

Przeszliśmy na wersję otwartą. Przejedź przez to. Otwarty koniec wcina się w beton, złamał to, odsunął kawałki na bok. Ziemia dostała się do środka. Sprzątaliśmy to później, wbił kolejne dziesięć stóp w rodzimą glinę, i przeszedł test obciążeniowy śpiewająco.

Gdybyśmy utknęli w trybie zamkniętym? Nadal bylibyśmy tam, prawdopodobnie, bijąc głową o beton i zastanawiając się, dlaczego wybraliśmy ten zawód.

---

Księga Liczb: Szybkie odniesienie

Typowe wymiary, których używam:

• Grubość ścianki: Minimum 0,5″ na 24″ średnica, skaluj wraz z rozmiarem
• Skos końcówki: 30-45 stopni na zewnątrz, pozostawia wewnątrz kwadratu
• Złącza: Spoiny doczołowe z pełną penetracją, czasami z pierścieniami podkładowymi

Szacunki pojemności (Ostro – nie buduj bez analizy):

Na 24″ × 0,5″ stos otwarty w gęstym piasku:

• Zewnętrzna skóra: 2-3 kipów na stopę
• Wewnętrzna skóra (jeśli jest podłączony): 1-2 kipów na stopę
• Wskazówka (tylko stal): 50-100 kips w zależności od gęstości
• Całkowita ostateczność: 300-500 kipie typowe

Dla tego samego stosu zamkniętego, możesz dostać 400-600 kipie, ale nigdy nie wjedziesz tak głęboko. Wszędzie kompromisy.

---

Konkluzja

Pale rur z otwartymi końcami istnieją, ponieważ grunt nie jest podręcznikiem. Jest bałagan. To nieprzewidywalne. Ukrywa głazy, stare osie samochodów i kawałki betonu z projektów sprzed pięćdziesięciu lat.

Pozostawienie końca otwartego daje opcje. Możesz przejechać przez rzeczy, które zatrzymałyby zamknięty stos. Można sprawdzić po jeździe. Możesz oczyścić i wbić gniazdo w skałę. Można spoinować, aby zwiększyć pojemność. Możesz to wszystko zrobić, albo nic z tego, w zależności od tego, co tam znajdziesz.

Czy nadają się do każdej pracy? NIE. Jeśli masz czyste warunki glebowe, dobra warstwa nośna na stałej głębokości, i żadnych obaw związanych z inspekcją, metoda zamknięta może być prostsza i tańsza.

Ale jeśli pracujesz w nieznanym terenie – i bądźmy szczerzy, kiedy naprawdę znasz ziemię?— opcja otwarta jest bezpieczniejsza. To jest różnica między zgadywaniem a wiedzą. Między nadzieją, że stos jest w porządku, a faktycznym zobaczeniem go.

I w tym biznesie, Za każdym razem przejmę widzenie zamiast nadziei.