Сваи из труб с открытым концом: Почему мы оставляем дно открытым (И когда это спасет ваш бекон)

От полевого инженера, который видел слишком много неудачных попыток сомкнутых пальцев ног

---

Ты знаешь, Я часто получаю этот вопрос от молодых инженеров, только что окончивших школу.. Они стоят на месте, смотрю на эту большую стальную трубу, свисающую с крана, и они видят, что дно просто… открыть. Ничего там. Просто стальной цилиндр с острым краем, готовый удариться о грязь..

И они всегда спрашивают одно и то же: “Эм-м-м… разве мы не должны ограничить это? Не попадет грязь внутрь?”

Благослови их сердца.

Если бы мне давали доллар каждый раз, когда я слышал этот вопрос, Я бы ушёл на пенсию во Флориду и больше никогда не смотрел бы на другую сваебойную установку.. Но это справедливый вопрос, если вы когда-либо имели дело только с бетонными сваями или двутавровыми сваями.. Свая из труб с открытым концом выглядит неправильно, если не понимать, что она там на самом деле делает..

Итак, давайте установим рекорд прямо. Сваи из труб с открытыми концами не являются ошибкой проектирования. Это не мера по сокращению расходов, когда у нас закончился стальной лист.. Это сознательный выбор, а иногда и единственный, когда земля становится опасной..

И вот кикер: иногда оставлять конец открытым — это разница между фундаментом, который прослужит пятьдесят лет, и сваей, которая прогибается, прежде чем ударится о мусор.

---

Перво-наперво: О чем мы на самом деле говорим?

Свая из труб с открытым концом – это именно то, на что это похоже.. Стальная труба. Загнан в землю. Нет обуви. Нет пластины. Просто полый цилиндр с режущей кромкой внизу.

Почва не отодвигается в сторону, как при использовании сваи с закрытым концом.. Вместо, он входит в трубу. Образует внутри почвенную пробку. И эта пробка — этот столб грязи, застрявший в стали, — становится частью структурной системы..

Простая концепция. Но механика? Вот тут становится интересно.

---

Базовая физика: Почему Open против. Закрытые дела

Начнем с принципиальной разницы. Когда едешь по трубе с закрытым концом (или любая твердая куча), ты вытесняешь почву. Ты отталкиваешь его с дороги. Это требует энергии. Это создает сопротивление. Он также может поднять землю вокруг вас., поднять соседние сваи, и вообще вызывают головную боль у всех на месте.

Открытый? Почве есть куда деваться. Внутри трубы.

Управляющее уравнение — то, которое я записываю на запятнанных кофе страницах блокнота — выглядит примерно так::

$${р}_{тотал}"="{р}_{о\mathrm{ты}терс\mathrm{час}ажт}+{р}_{яннерс\mathrm{час}ажт}+{р}_{анн\mathrm{ты}л\mathrm{ты}с}$$

Rtotal=Фрезерный вал+Риннервал+Раннулус

Где:

• R_outer вал — поверхностное трение на внешней стороне трубы.

• R_внутренний вал — это трение между почвенной пробкой и внутренней стеной.

• R_annulus — подшипник на кончике (сама сталь, не пробка, а просто стальное кольцо внизу)

Обратите внимание, чего не хватает? Концевой подшипник на цельной заглушке. Потому что изначально, нет ни одного. Почва поднимается внутри, когда вы едете.

Но вот что странно. На некоторой глубине, эта почвенная пробка перестает двигаться. Это застревает. Он блокируется. Теперь вы, по сути, создали стопку с закрытым концом., но почва внутри напряжена, ограниченный, и действует иначе, чем почва снаружи.

Этот момент — когда вилка блокируется — имеет решающее значение.. Он определяет все, как поведет себя свая под нагрузкой..

---

Почвенная пробка: Ваш незваный арендатор

Я помню работу в Мобиле, Алабама снова в ’09. Мы забивали 36-дюймовые сваи открытого типа для причала корабля.. Плотный песок, несколько слоев твердой глины. Условия учебника для открытого типа.

Подается первая тестовая стопка. Мы следим с помощью КПК. Все выглядит нормально. Затем мы ударились о 45 ноги, и счет ударов подскакивает. Не постепенно – прямо вверх. Тридцать ударов на фут превращаются в сто пятьдесят на расстоянии трех футов..

Мы тянем молоток, посмотреть в трубу с фонарем. Эта почвенная пробка? Твердый как бетон. Плотно заперт. Мы даже не смогли провести через него трубку для отбора проб..

Это феномен затыкания. И именно поэтому в некоторых почвах сваи с открытым концом могут оказаться более прочными, чем сваи с закрытым концом..

Коэффициент закупорки — то, что ученые называют коэффициентом дополнительного наполнения. (IFR)— это то, что мы отслеживаем неукоснительно:

$$я\mathrm{Фон}р"="\frac{\mathrm{Д}{л}_{пл\mathrm{ты}г}}{\mathrm{Д}{л}_{пяле}}\times 100\mathrm{\%}$$

IFR = ΔLсвая​ΔLзаглушка​​×100%

Если это число упадет ниже 80%? Вы получаете разработку плагина. Ниже 50%? Эта вилка заблокирована. Ниже 20%? По сути, вы сейчас забиваете сваю закрытого типа., собирались ли вы это сделать или нет.

И вот в чем дело: забитая свая ведет себя по-разному под нагрузкой. Нагрузка передается вниз через сталь, но и через этот столб почвы. Трение интерфейса внутри мобилизует. У вас двойная площадь поверхности, работающая на вас.

---

Стол 1: Открытый против. Сравнение трубных свай закрытого типа

---

Когда мы на самом деле используем открытые?

Сценарий 1: Морское строительство (Классический случай)

Вы строите причал. Или пирс. Или дельфин, к которому можно пришвартовать корабли.. Ты в воде. Почва переменная, возможно, песок., возможно, мягкая глина, возможно, несколько слоев жесткого материала. И ты не видишь дна.

Открытый конец - ваш друг здесь.

Почему? Потому что ты не можешь точно предсказать, во что ты попадешь.. Там могут быть валуны. Там может быть старый строительный мусор.. На буровых бревнах может быть слой известкового песчаника, но на самом деле он трещиноватый и изменчивый..

Я забивал сваи в заливе Сан-Франциско еще в начале 2000-х.. Старая промышленная зона. Скважины показали чистый песок. Что мы на самом деле попали? Кучи древесины от старого пирса, куски бетона, ось автомобиля (я не шучу), и слой гашиша от снарядов, который так сильно отражал волну молота, что мы подумали, что свая рушится..

Большую часть этого места разрезала труба с открытым концом.. Свая с закрытым концом? Остановился бы при первом же препятствии.

Сценарий 2: Проникновение плотных слоев

Иногда вам нужно пройти через твердый слой, чтобы достичь глубины подшипника.. Может быть, это ледниковый период. Возможно, это плотный слой песка. Что бы это ни было, Это тяжело.

Труба с открытым концом имеет меньшую эффективную площадь наконечника.. Просто стальное кольцо. Таким образом, сопротивление движению ниже. Вы можете пробивать слои, которые не позволят свае с закрытым концом остыть..

Математика достаточно проста:

Для 24-дюймовой трубы со стенкой 1 дюйм:

• Площадь наконечника с закрытым концом = π × (12²) "=" 452 квадратные дюймы
• Площадь стали с открытым концом = π × (12² – 11²) = около 72 квадратные дюймы

Это одна шестая площади. Одна шестая сопротивления концевого подшипника во время движения. Вы проедете через этот плотный слой, пока сваи с закрытыми концами все еще подпрыгивают от молота..

Сценарий 3: Камень

Вот где сваи с открытым концом действительно хороши.

Когда вам нужно врезаться в скалу — просверлить или вбить скалу — вам нужны открытые. Почему? Потому что вы можете очистить внутри. Можно просверлить пробку, расширить розетку, и на самом деле осмотреть камень внизу.

Я работал в Кентукки, где коренная порода представляла собой выветрившийся известняк с полостями раствора.. Сваи с закрытым концом были бы катастрофой: они либо остановились бы на вершине, либо без предупреждения пробились бы в пустоту..

Открытый? Мы доехали до отказа, затем воспользовался воздушным лифтом, чтобы вычистить внутреннюю часть. Засиял свет там внизу. Мог увидеть состояние камня, пустоты, все. Однажды мы даже прислали камеру. Это невозможно с закрытым концом.

Сценарий 4: Сайты, чувствительные к смещению

Вот один из вопросов, которому в учебниках уделяется недостаточно внимания..

Если вы забиваете сваи близко друг к другу — например, для матового фундамента или свай высокой плотности — пучение грунта становится настоящей проблемой.. Сваи закрытого типа вытесняют грунт. Эта почва должна куда-то деваться. Это идет вверх. Он движется в сторону. Поднимает ранее забитые сваи.

Я наблюдал за работой в Бостоне, где подрядчик использовал трубу с закрытым концом в узкой сетке.. Три дня спустя, первые сваи были на два дюйма выше, чем когда мы их забивали. Пришлось перепрошить каждую. Стоит целое состояние.

Открытый? Минимальное смещение. Грунт попадает внутрь трубы. Земля вокруг остается на месте. Ваш контроль опроса остается счастливым. Ваш клиент остается довольным. Вы остаетесь трудоустроенным.

---

Режимы отказа (И как их исправить)

Давайте будем честными: открытые сваи – это не волшебство. Они терпят неудачу. я это видел. Вы увидите это, если будете делать это достаточно долго.

Режим отказа 1: Крысиная нора

Это происходит в рыхлых песках или мягких глинах.. Почвенная пробка не развивается. Он просто продолжает течь внутри трубы. Вы едете пятьдесят футов, и почва внутри пятьдесят футов глубиной. Нет подключения. Отсутствие развития внутреннего трения.

Почему это важно: Ваша емкость намного ниже, чем вы рассчитывали. Вы полагаетесь только на трение внешней оболочки и, возможно, на небольшой наконечник, опирающийся на стальное кольцо..

Исправление: Хватит водить машину. Пусть постоит ночь. Иногда почва схватывается и набирает силу. Или — и я это сделал — закачать низкопрочную пробку из цементного раствора внизу, чтобы создать искусственный концевой подшипник.. Это лекарство, но это работает.

Режим отказа 2: Внезапный выпуск пробки

Самый страшный звук при забивке свай.

Ты едешь вместе, вилка заблокирована, удар считается стабильным. А потом бац — свая упала на шесть дюймов одним ударом.. Вилка выпущена. Внезапно ты нанесешь пятьдесят ударов на ногу, а потом десять.. Весь путь загрузки изменился.

Почему это важно: Если вы не поймаете это на КПК, вы подумаете, что попали в слабую зону. Ты будешь продолжать водить машину. Вилка может снова зафиксироваться глубже, но вы потеряли корреляцию данных. Ваши оценки мощности - мусор.

Исправление: Следите за записями вождения, как ястреб.. Внезапное снижение количества ударов? Проверьте уровень пробки. Если оно упало, у тебя было освобождение. Пересчитать все.

Режим отказа 3: Искривление во время вождения

Это редкость для толстостенной трубы., но я видел с более тонкими стенками в очень плотной почве.

Свая имеет открытый конец. Заглушка для почвы запирается. Теперь вы эффективно забиваете сваю закрытого типа., но стена тонкая. Напряжения движения концентрируются на кончике. Стрела — местное выпучивание.

Исправление: Более тяжелая стена на кончике. Дисковые туфли. Или переключитесь на молоток меньшего размера.. Иногда проблема не в свае, а в том, что подрядчик пытается ехать слишком быстро, используя слишком много энергии..

---

Стол 2: Типичные применения трубчатых свай с открытым концом по регионам

---

Проблема проверки (И почему это важно)

Вот о чем никто не говорит в конструкторском бюро.

С закрытыми сваями, ты летишь вслепую. Вы понятия не имеете, что происходит на кончике. Это что-то ударило? Он поврежден?? Это касается валуна, а не скалы?? Удачи в выяснении этого.

Открытый вариант дает вам варианты.

Я всегда использую открытые конструкции для критических свай, потому что могу проверить их после поездки.. Бросьте свет. Отправить камеру. Измерьте вилку. Образец материала внизу.

В Майами, у нас был проект, в котором спецификация предусматривала каменные розетки. Подрядчик забил закрытые испытательные сваи. Статические нагрузочные испытания пройдены. Большой. Затем началось производство, и вдруг сваи разрушались при половине испытательной нагрузки.

Оказывается, в известняке были полости для раствора. Некоторые сваи опирались на тонкую корку с пустотой под ней.. Закрытый конец не мог нам этого сказать. Открытый? Мы бы увидели полость, когда чистили пробку.

Мы заставили их переключиться. Перерасход средств. Судебные процессы. Весь беспорядок. Все потому, что кто-то хотел сэкономить несколько баксов на изготовлении..

---

Правила сварливого инженера для трубных свай с открытыми концами

Спустя тридцать лет, У меня есть некоторые правила. их нет в кодах. Их нет в учебниках. Но они уберегут тебя от неприятностей.

Правило 1: Когда сомневаешься, оставь это открытым.

Если у вас нет веской причины закрыть конец (например, вам нужно немедленно прижать конец к твердому слою и вы не можете рисковать засорением), просто оставьте его открытым.. Позже у вас появятся дополнительные возможности. Всегда можно затереть изнутри. Всегда можно загнать оправку. Вы всегда можете добавить табличку после поездки, если вам действительно нужно закрытое поведение.. Но вы не можете разблокировать закрытую кучу.

Правило 2: Следите за вилкой.

Каждые десять футов, проверь уровень пробки. Отметьте внутреннюю часть утяжеленной лентой.. Знайте, что делает ваша вилка. Если оно не развивается, скорректируйте оценку мощности. Если он блокируется раньше времени, ожидайте более высоких стрессов от вождения.

Правило 3: Не верьте скучным журналам.

Это предположение. Обоснованное предположение, но все же предположение. Открытые сваи лучше справляются с неожиданностями. Когда в журнале написано “песок” и ты натыкаешься на валуны, ты будешь рад, что конец открыт.

Правило 4: Очистите его, если вам нужен концевой подшипник..

Если вы полагаетесь на торцевую опору в камне или плотном материале, почистить вилку. Просверлите это. Поднимите его по воздуху. Не думайте, что вилка будет передавать нагрузку вечно.. При циклических нагрузках, например, в сейсмических зонах или морской среде, эта пробка со временем может ослабнуть..

Правило 5: Рассмотрим коррозию.

Внутри тоже важно. Сваи с открытым концом имеют внутреннюю поверхность, которая подвергается воздействию воздуха., вода, или почва. В морской среде, что интерьер может ржаветь быстрее, чем снаружи. Я видел, как труба с толщиной стенки в 1 дюйм превратилась внутри в швейцарский сыр, потому что никто не подумал о внутренней коррозии.. Покройте внутреннюю часть, если можете.. По крайней мере, подумайте об этом.

---

Последние тенденции: Что я вижу в 2024-2025

Отрасль меняется. Медленно, но это меняется.

Больший диаметр становится обычным явлением.. Сейчас я вижу 60-дюймовые и 72-дюймовые сваи с открытым концом для морских ветровых фундаментов.. Механика та же самая, но масштаб меняет все. Эта почвенная пробка весит тонны. Для его очистки требуется серьезное оборудование..

Мониторинг становится умнее. Мы сейчас используем оптоволокно — тензодатчики по всей длине., внутри и снаружи. Наблюдая за тем, как пробка загружает сваю, в режиме реального времени. Данные невероятные. Мы узнаем, что наши старые предположения о поведении вилок иногда были ошибочными..

Появляются гибридные системы. Забейте сваю с открытым концом, очистить это, вставить арматурный каркас, и заливаем бетоном. Вы получаете управляемость открытой стали с производительностью и коррозионной стойкостью бетона.. Умный. Мне это нравится.

Экологические нормы ужесточаются. В некоторых областях, забивать закрытые сваи уже нельзя из-за смещения грунта. Слишком большой риск для соседних построек. Открытость становится обязательной в городских проектах заполнения.

---

Практический пример, который заставляет меня смириться

Позвольте мне рассказать вам о работе, которая чуть не покончила со мной..

Новый Орлеан. 2017. Замена паводковой стены. Спецификация предусматривала 24-дюймовую трубу с закрытым концом., 80 футов глубиной, битые сваи для бокового сопротивления. Стандартные вещи.

Первый день вождения, самая первая стопка попадает в отказ на 40 ноги. Не могу переместить это. Хаммер подпрыгивает. Тянем — кончик раздавлен. Согнутый внутрь, как банка с газировкой.

Оказывается, там был закопанный бетонный матрас после ремонта старой дамбы. Никто об этом не знал. Никаких исторических записей. Никакого упоминания в геотехнологическом отчете.. Просто случайный бетон в 38 ноги.

Мы перешли на открытый формат. Проехал прямо через это. Открытый конец врезан в бетон, сломал его, отодвинул кусочки в сторону. Почва попала внутрь. Мы почистили это позже, въехал еще футов на десять в родную глину, и прошел нагрузочный тест с честью.

Если бы мы придерживались закрытого конца? Мы все еще были бы там, вероятно, бьем головой о бетон и удивляемся, почему мы выбрали эту профессию.

---

Числа: Краткий справочник

Типичные размеры, которые я использую:

• толщина стен: Минимум 0,5″ за 24″ диаметр, масштабироваться по размеру
• Скос наконечника: 30-45 градусы снаружи, листья внутри квадрата
• Сращивания: Стыковые сварные швы с полным проплавлением, иногда с опорными кольцами

Оценка мощности (Грубо: не стройте без анализа):

за 24″ × 0,5″ открытая свая в плотном песке:

• Внешняя оболочка: 2-3 тысячи фунтов на фут
• Внутренняя кожа (если подключен): 1-2 тысячи фунтов на фут
• Кончик (только сталь): 50-100 тысяч фунтов в зависимости от плотности
• Итого ультимейт: 300-500 тысяч фунтов типичный

Для той же сваи закрытого типа, ты можешь получить 400-600 тысячи фунтов, но ты никогда не заедешь его так глубоко. Компромиссы повсюду.

---

Итог

Сваи из труб с открытым концом существуют, потому что земля – это не учебник. Это грязно. Это непредсказуемо. Он скрывает валуны, старые автомобильные оси и куски бетона, построенные пятьдесят лет назад..

Если оставить конец открытым, у вас появится выбор.. Вы можете проезжать через предметы, которые остановили бы сваю с закрытым концом.. Вы можете проверить после поездки. Вы можете очистить и вбить в камень. Вы можете залить раствором для дополнительной емкости. Вы можете сделать все это, или ничего из этого, в зависимости от того, что ты там найдешь.

Подходят ли они для любой работы?? Нет. Если у вас чистая почва, хороший несущий слой на постоянной глубине, и никаких проблем с проверкой, закрытый вариант может быть проще и дешевле.

Но если вы работаете в незнакомой местности — и давайте будем честными, когда ты действительно знаешь землю?— открытый конец — более безопасный вариант. Это разница между догадкой и знанием. Между надеждой, что с кучей все в порядке, и тем, что она действительно видна.

И в этом деле, Я буду смотреть, а не надеяться каждый раз.