Cọc ống hở: Tại sao chúng tôi để đáy mở (Và khi nó cứu thịt xông khói của bạn)

Bởi một kỹ sư hiện trường đã chứng kiến ​​quá nhiều thất bại bí mật

---

Bạn biết, Tôi nhận được câu hỏi này rất nhiều từ các kỹ sư trẻ mới ra trường. Họ đang đứng tại chỗ, nhìn vào ống thép lớn treo trên cần cẩu, và họ thấy đáy chỉ là… mở. Không có gì ở đó. Chỉ cần một chiếc trụ thép có cạnh sắc sẵn sàng đập vào đất.

Và họ luôn hỏi những điều tương tự: “Ờ… chúng ta không nên giới hạn điều đó sao? Bụi bẩn sẽ không lọt vào bên trong?”

Ban phước cho trái tim của họ.

Nếu tôi có một đô la cho mỗi lần tôi nghe câu hỏi đó, Tôi sẽ nghỉ hưu ở Florida và không bao giờ nhìn vào giàn đóng cọc nào nữa. Nhưng đó là một câu hỏi công bằng nếu bạn chỉ từng xử lý cọc bê tông hoặc cọc H. Cọc ống hở có vẻ sai nếu bạn không hiểu nó thực sự đang làm gì ở dưới đó.

Vậy hãy lập kỷ lục thẳng thắn. Cọc ống hở không phải là sai sót trong thiết kế. Chúng không phải là biện pháp cắt giảm chi phí khi chúng tôi hết thép tấm. Đó là một sự lựa chọn có chủ ý—đôi khi là sự lựa chọn duy nhất—khi mặt đất trở nên khó chịu.

Và đây là người đá chính: đôi khi để ngỏ phần cuối chính là sự khác biệt giữa một nền móng tồn tại được năm mươi năm và một đống đổ nát trước khi nó chạm tới vết nứt

---

Những điều đầu tiên đầu tiên: Thực ra chúng ta đang nói về điều gì?

Một cọc ống có đầu hở đúng như tên gọi của nó. Ống thép. Bị đẩy vào lòng đất. Không có giày. Không có đĩa. Chỉ là một hình trụ rỗng có lưỡi cắt ở phía dưới.

Đất không bị đẩy sang một bên như cọc đóng. Thay vì, nó đi vào đường ống. Tạo thành lớp đất bịt kín bên trong. Và nút chặn đó—cột đất bị mắc kẹt trong thép—trở thành một phần của hệ thống kết cấu.

Khái niệm đơn giản. Nhưng cơ khí? Đó là nơi nó trở nên thú vị.

---

Vật lý cơ bản: Tại sao mở vs. Vấn đề đã đóng

Hãy bắt đầu với sự khác biệt cơ bản. Khi bạn lái một đường ống kín (hoặc bất kỳ cọc rắn nào), bạn đang di chuyển đất. Bạn đang đẩy nó ra khỏi đường đi. Điều đó tiêu tốn năng lượng. Nó tạo ra sự phản kháng. Nó cũng có thể nâng mặt đất xung quanh bạn, nâng các cọc liền kề, và thường gây đau đầu cho mọi người trên trang web.

Kết thúc mở? Đất có nơi nào đó để đi. Bên trong đường ống.

Phương trình chi phối—phương trình tôi viết nguệch ngoạc trên những trang sổ tay dính đầy cà phê—trông giống như thế này:

$$R_{tồt\mathrm{Một}\mathrm{tôi}}=R_{ồ\mathrm{bạn}terSh\mathrm{Một}ft}+R_{\mathrm{Tôi}NNerSh\mathrm{Một}ft}+R_{\mathrm{Một}NN\mathrm{bạn}\mathrm{tôi}\mathrm{bạn}S}$$

Rtotal=Trục định tuyến+Trục rửa+Rannulus

Ở đâu:

• Trục R_outer là ma sát bề mặt ở mặt ngoài của ống

• Trục R_inner là ma sát giữa nút đất và tường trong

• R_annulus là ổ đỡ ở đầu (bản thân thép, không phải phích cắm—chỉ là vòng thép ở phía dưới)

Chú ý những gì còn thiếu? Ổ trục cuối trên phích cắm đặc. Bởi vì ban đầu, không có cái nào cả. Đất di chuyển lên bên trong khi bạn lái xe.

Nhưng đây là nơi nó trở nên kỳ lạ. Ở độ sâu nào đó, cái chốt đất đó ngừng chuyển động. Nó bị kẹt. Nó khóa lại. Bây giờ về cơ bản bạn đã tạo xong một đống đóng, nhưng đất bên trong bị căng thẳng, hạn chế, và hoạt động khác với đất bên ngoài.

Thời điểm đó—khi phích cắm khóa—là rất quan trọng. Nó quyết định mọi thứ về cách hoạt động của cọc dưới tác dụng của tải trọng.

---

Cắm đất: Người thuê nhà không được mời của bạn

Tôi nhớ một công việc ở Mobile, Alabama trở lại ’09. Chúng tôi đang đóng cọc hở 36 inch cho kết cấu bến tàu. Cát đặc, một số lớp đất sét cứng. Điều kiện sách giáo khoa mở.

Cọc thử đầu tiên được đưa vào. Chúng tôi đang theo dõi bằng PDA. Mọi thứ trông bình thường. Sau đó chúng tôi đánh khoảng 45 bàn chân, và số lần nhảy. Không phải dần dần - thẳng lên. Ba mươi đòn mỗi chân trở thành một trăm năm mươi trong khoảng cách ba feet.

Chúng tôi kéo búa, nhìn xuống đường ống có ánh sáng. Cái chốt đất đó? Vững chắc như bê tông. Khóa chặt. Chúng tôi thậm chí còn không thể đưa ống lấy mẫu xuyên qua nó.

Đó là hiện tượng cắm. Và đó là lý do tại sao cọc hở có thể thực sự có công suất cao hơn cọc đóng ở một số loại đất.

Tỷ lệ cắm - cái mà các học giả gọi là Tỷ lệ lấp đầy tăng dần (IFR)—là thứ chúng tôi theo dõi một cách tôn giáo:

$$\mathrm{TÔI}FR=\frac{\mathrm{D}{L}_{P\mathrm{tôi}\mathrm{bạn}g}}{\mathrm{D}{L}_{P\mathrm{Tôi}\mathrm{tôi}e}}\times 100\mathrm{\%}$$

IFR=ΔLpile​ΔLplug​×100%

Nếu con số đó giảm xuống dưới 80%? Bạn đang nhận được quá trình phát triển phích cắm. Dưới 50%? Ổ cắm đó đã bị khóa. Dưới 20%? Về cơ bản, bây giờ bạn đang lái một đống hàng đóng kín, dù bạn có ý định hay không.

Và đây là điều: một cọc cắm hoạt động khác nhau dưới tải. Tải trọng truyền xuống qua thép, mà còn qua cột đất đó. Ma sát giao diện ở bên trong huy động. Bạn đã có gấp đôi diện tích bề mặt làm việc cho mình.

---

Bàn 1: Kết thúc mở vs. So sánh cọc ống kín

---

Khi nào chúng ta thực sự sử dụng kết thúc mở?

Kịch bản 1: Xây dựng biển (Trường hợp cổ điển)

Bạn đang xây dựng một bến tàu. Hoặc một bến tàu. Hoặc một con cá heo để buộc tàu. Bạn đang ở trong nước. Đất có thể thay đổi - có thể là cát, có thể là đất sét mềm, có thể một số lớp vật liệu cứng. Và bạn không thể nhìn thấy đáy.

Kết thúc mở là bạn của bạn ở đây.

Tại sao? Bởi vì bạn không thể dự đoán chính xác những gì bạn sẽ đánh. Có thể có những tảng đá. Có thể có mảnh vụn xây dựng cũ. Có thể có một lớp sa thạch chứa canxi xuất hiện trên các khúc gỗ khoan nhưng thực tế là bị nứt nẻ và biến đổi.

Tôi đã đóng cọc ở Vịnh San Francisco vào đầu những năm 2000. Khu công nghiệp cũ. Các mũi khoan cho thấy cát sạch. Những gì chúng tôi thực sự đánh? Những đống gỗ từ một bến tàu cũ, khối bê tông, một trục xe (Tôi không đùa đâu), và một lớp vỏ sò phản xạ sóng búa mạnh đến nỗi chúng tôi tưởng đống gạch sắp vỡ.

Đường ống có đầu mở cắt xuyên qua hầu hết những thứ đó. Một đống đóng? Sẽ hết lạnh khi gặp trở ngại đầu tiên.

Kịch bản 2: Thâm nhập các lớp dày đặc

Đôi khi bạn cần phải vượt qua một lớp cứng để đạt được độ sâu chịu lực. Có lẽ trời băng giá cho đến khi. Có lẽ đó là tầng cát dày đặc. Dù nó là gì, nó khó khăn.

Ống có đầu mở có diện tích đầu hiệu quả nhỏ hơn. Chỉ là vòng thép. Vì vậy lực cản lái xe thấp hơn. Bạn có thể đục lỗ xuyên qua các lớp để ngăn chặn tình trạng lạnh đóng cọc.

Toán học đủ đơn giản:

Đối với ống 24 inch có thành 1 inch:

• Diện tích đầu kín = π × (12²) = 452 inch vuông
• Diện tích thép hở = π × (12² – 11²) = về 72 inch vuông

Đó là một phần sáu diện tích. Một phần sáu lực cản cuối cùng trong quá trình lái xe. Bạn sẽ lái xe qua lớp dày đặc đó trong khi các cọc kín vẫn đang đập búa.

Kịch bản 3: Ổ cắm đá

Đây là nơi cọc mở thực sự tỏa sáng.

Khi bạn cần cắm vào đá—khoan hoặc đóng vào đá gốc—bạn muốn có kết thúc mở. Tại sao? Bởi vì bạn có thể làm sạch bên trong. Bạn có thể khoan qua phích cắm, mở rộng ổ cắm, và thực sự kiểm tra tảng đá ở phía dưới.

Tôi đã làm một công việc ở Kentucky, nơi nền đá vôi bị phong hóa với các khoang chứa dung dịch. Những cọc đóng sẽ là một thảm họa – chúng sẽ dừng lại ở đỉnh cao hoặc lao thẳng vào khoảng trống mà không báo trước.

Kết thúc mở? Chúng tôi lái xe để từ chối, sau đó sử dụng máy bay để dọn dẹp bên trong. Chiếu ánh sáng xuống đó. Có thể thấy tình trạng đá, những khoảng trống, mọi thứ. Chúng tôi thậm chí còn gửi máy ảnh xuống một lần. Điều đó là không thể với đóng.

Kịch bản 4: Các địa điểm nhạy cảm với dịch chuyển

Đây là một trong những sách giáo khoa không nhấn mạnh đủ.

Nếu bạn đóng các cọc gần nhau—chẳng hạn như làm móng dạng thảm hoặc cụm cọc có mật độ cao—núi đất sẽ trở thành một vấn đề thực sự. Cọc đóng chiếm đất. Đất đó phải đi đâu đó. Nó đi lên. Nó di chuyển sang một bên. Nó nâng các cọc đã đóng trước đó.

Tôi đã xem một công việc ở Boston nơi nhà thầu sử dụng đường ống kín trong một mạng lưới chặt chẽ. Ba ngày sau, những cọc đầu tiên cao hơn 2 inch so với lúc chúng tôi đóng chúng. Phải chạy lại từng cái một. Tốn cả gia tài.

Kết thúc mở? Chuyển vị tối thiểu. Đất đi vào bên trong đường ống. Mặt đất xung quanh vẫn giữ nguyên. Kiểm soát khảo sát của bạn vẫn vui vẻ. Khách hàng của bạn vẫn hạnh phúc. Bạn vẫn có việc làm.

---

Các chế độ thất bại (Và cách khắc phục chúng)

Hãy trung thực: cọc mở không phải là phép thuật. Họ thất bại. Tôi đã nhìn thấy nó. Bạn sẽ thấy nó nếu bạn làm điều này đủ lâu.

Chế độ lỗi 1: Hang Chuột

Điều này xảy ra ở vùng cát rời hoặc đất sét mềm. Nút đất không phát triển. Nó cứ chạy lên trong đường ống. Bạn lái xe năm mươi feet, và đất bên trong sâu 50 feet. Không cắm. Không phát triển ma sát bên trong.

Tại sao nó quan trọng: Năng lực của bạn thấp hơn nhiều so với bạn tính toán. Bạn chỉ dựa vào ma sát của lớp da bên ngoài và có thể là một đầu nhỏ chịu lực trên vòng thép.

Cách khắc phục: Dừng lái xe. Hãy để nó ngồi qua đêm. Đôi khi đất cứng lại và có được sức mạnh. Hoặc—và tôi đã làm điều này—bơm nút vữa cường độ thấp ở phía dưới để tạo ra ổ trục nhân tạo. Đó là một phương thuốc, nhưng nó hoạt động.

Chế độ lỗi 2: Nhả phích cắm đột ngột

Âm thanh đáng sợ nhất khi đóng cọc.

Bạn đang lái xe cùng, ổ cắm bị khóa, số đòn đánh ổn định. Rồi wham—cọc rơi xuống sáu inch chỉ bằng một cú đập. Phích cắm đã được nhả. Đột nhiên bạn có năm mươi cú đánh mỗi bước và sau đó là mười. Toàn bộ đường dẫn tải đã thay đổi.

Tại sao nó quan trọng: Nếu bạn không nắm bắt được điều này trên PDA, bạn sẽ nghĩ mình đã chạm tới điểm yếu. Bạn sẽ tiếp tục lái xe. Phích cắm có thể khóa lại sâu hơn, nhưng bạn đã mất mối tương quan dữ liệu. Ước tính năng lực của bạn là rác rưởi.

Cách khắc phục: Xem hồ sơ lái xe như chim ưng. Số lần ra đòn giảm đột ngột? Kiểm tra mức độ phích cắm. Nếu nó rơi, bạn đã có một bản phát hành. Tính toán lại mọi thứ.

Chế độ lỗi 3: Oằn mình khi lái xe

Cái này hiếm có với ống tường nặng, nhưng tôi đã thấy nó với những bức tường mỏng hơn trong lớp đất rất dày đặc.

Cọc có kết thúc mở. Khóa cắm đất. Bây giờ bạn đang đóng cọc đóng một cách hiệu quả, nhưng bức tường mỏng. Ứng suất dẫn động tập trung ở đầu. Boom—oằn cục bộ.

Cách khắc phục: Bức tường nặng hơn ở đầu. Giày lái xe. Hoặc chuyển sang búa nhỏ hơn. Đôi khi vấn đề không phải là cọc—mà là do nhà thầu cố lái xe quá nhanh với quá nhiều sức lực.

---

Bàn 2: Các ứng dụng cọc ống hở điển hình theo khu vực

---

Vấn đề kiểm tra (Và tại sao nó lại quan trọng)

Đây là điều không ai nói đến trong văn phòng thiết kế.

Với cọc đóng, bạn đang bị mù. Bạn không biết chuyện gì đang xảy ra ở phần đầu. Nó có va phải cái gì không? Nó có bị hư không? Có phải nó chịu lực trên một tảng đá thay vì nền đá? Chúc may mắn khi tìm ra điều đó.

Kết thúc mở mang lại cho bạn nhiều lựa chọn.

Tôi luôn chỉ định phần mở cho các cọc quan trọng vì tôi có thể kiểm tra sau khi lái xe. Thả một ngọn đèn. Gửi máy ảnh. Đo phích cắm. Lấy mẫu vật liệu ở phía dưới.

ở Miami, chúng tôi đã có một dự án trong đó thông số kỹ thuật yêu cầu ổ cắm bằng đá. Nhà thầu thi công đóng cọc thử nghiệm. Kiểm tra tải tĩnh đã vượt qua. Tuyệt. Sau đó bắt đầu sản xuất, và đột nhiên cọc bị hư ở mức một nửa tải trọng thử nghiệm.

Hoá ra, đá vôi có lỗ rỗng dung dịch. Một số cọc chịu lực trên một lớp vỏ mỏng có khoảng trống bên dưới. Close-end không thể cho chúng tôi biết điều đó. Kết thúc mở? Chúng tôi đã nhìn thấy khoang khi chúng tôi làm sạch phích cắm.

Chúng tôi đã khiến họ chuyển đổi. Vượt chi phí. Kiện tụng. Toàn bộ mớ hỗn độn. Tất cả chỉ vì ai đó muốn tiết kiệm một vài đô la khi chế tạo.

---

Quy tắc của kỹ sư gắt gỏng đối với cọc ống có đầu hở

Sau ba mươi năm, Tôi có một số quy tắc. Chúng không có trong mã. Chúng không có trong sách giáo khoa. Nhưng họ sẽ giúp bạn tránh khỏi rắc rối.

Luật lệ 1: Khi nghi ngờ, để nó mở.

Trừ khi bạn có lý do thuyết phục để đóng phần cuối—chẳng hạn như bạn cần phần cuối chịu lực trên một lớp cứng ngay lập tức và không thể mạo hiểm cắm vào—chỉ cần để nó mở. Bạn có nhiều lựa chọn hơn sau này. Bạn luôn có thể trát vữa bên trong. Bạn luôn có thể lái một trục gá. Bạn luôn có thể thêm biển số sau khi lái xe nếu bạn thực sự cần hành vi khép kín. Nhưng bạn không thể mở một đống đã đóng.

Luật lệ 2: Giám sát phích cắm.

Mỗi mười feet, kiểm tra mức độ phích cắm. Đánh dấu bên trong bằng băng dính có trọng lượng. Biết phích cắm của bạn đang làm gì. Nếu nó không phát triển, điều chỉnh ước tính năng lực của bạn. Nếu nó khóa sớm, mong đợi căng thẳng lái xe cao hơn.

Luật lệ 3: Đừng tin vào nhật ký nhàm chán.

Họ là một phỏng đoán. Một phỏng đoán có giáo dục, nhưng vẫn là phỏng đoán. Cọc mở xử lý những điều bất ngờ tốt hơn. Khi nhật ký nói “cát” và bạn va vào những tảng đá, bạn sẽ vui mừng khi kết thúc đã mở.

Luật lệ 4: Làm sạch nó nếu bạn cần ổ trục cuối.

Nếu bạn đang dựa vào ổ đỡ cuối trong đá hoặc vật liệu dày đặc, làm sạch phích cắm. Khoan nó ra. Nâng nó lên bằng máy bay. Đừng cho rằng phích cắm sẽ truyền tải mãi mãi. Trong tải trọng theo chu kỳ—như ở khu vực có động đất hoặc môi trường biển—phích cắm đó có thể lỏng lẻo theo thời gian.

Luật lệ 5: Hãy xem xét sự ăn mòn.

Vấn đề bên trong cũng vậy. Cọc hở có diện tích bề mặt bên trong tiếp xúc với không khí, Nước, hoặc đất. Trong môi trường biển, bên trong có thể ăn mòn nhanh hơn bên ngoài. Tôi đã từng thấy ống tường 1 inch biến thành pho mát Thụy Sĩ bên trong vì không ai nghĩ đến sự ăn mòn bên trong. Phủ bên trong nếu có thể. Ít nhất hãy nghĩ về nó.

---

Xu hướng gần đây: Những gì tôi đang thấy trong 2024-2025

Ngành công nghiệp đang thay đổi. Chậm, nhưng nó đang thay đổi.

Đường kính lớn hơn đang trở nên phổ biến. Hiện tại tôi đang thấy các cọc mở có kích thước 60 inch và 72 inch dành cho nền móng gió ngoài khơi. Cơ chế là như nhau, nhưng quy mô thay đổi mọi thứ. Cái cục đất đó nặng hàng tấn. Làm sạch nó đòi hỏi thiết bị nghiêm túc.

Giám sát ngày càng thông minh hơn. Hiện nay chúng tôi đang sử dụng cáp quang—máy đo biến dạng dọc theo chiều dài, trong và ngoài. Xem cách phích cắm tải cọc trong thời gian thực. Dữ liệu thật đáng kinh ngạc. Chúng tôi nhận ra rằng những giả định cũ của chúng tôi về hoạt động của phích cắm đôi khi sai.

Hệ thống hybrid đang xuất hiện. Đóng cọc hở, làm sạch nó ra, chèn một lồng gia cố, và đổ đầy bê tông. Bạn có được khả năng dẫn động của thép không gỉ với khả năng chịu tải và khả năng chống ăn mòn của bê tông. Thông minh. tôi thích nó.

Quy định về môi trường đang được thắt chặt. Ở một số khu vực, bạn không thể đóng cọc kín nữa vì sự dịch chuyển của mặt đất. Quá nhiều rủi ro cho các công trình lân cận. Kết thúc mở đang trở thành bắt buộc trong các dự án xâm nhập đô thị.

---

Nghiên cứu trường hợp giúp tôi khiêm tốn

Hãy để tôi kể cho bạn nghe về một công việc gần như đã kết thúc tôi.

New Orleans. 2017. Thay thế tường lũ. Thông số kỹ thuật yêu cầu ống kín 24 inch, 80 chân sâu, cọc đập để chịu lực ngang. Hàng chuẩn.

Ngày đầu tiên lái xe, đống đầu tiên chạm đến sự từ chối tại 40 bàn chân. Không thể di chuyển nó. Búa nảy lên. Chúng tôi kéo nó - đầu bị nghiền nát. Uốn cong vào trong như lon soda.

Hoá ra, có một tấm nệm bê tông bị chôn vùi sau khi sửa chữa con đê cũ. Không ai biết về nó. Không có ghi chép lịch sử. Không đề cập đến trong báo cáo công nghệ địa lý. Chỉ cần bê tông ngẫu nhiên tại 38 bàn chân.

Chúng tôi chuyển sang kết thúc mở. Lái xe xuyên qua nó. Đầu hở cắt vào bê tông, làm gãy nó, đẩy từng mảnh sang một bên. Đất đi vào bên trong. Chúng tôi đã dọn dẹp nó sau đó, lái thêm mười feet nữa vào đất sét bản địa, và đã vượt qua bài kiểm tra tải một cách xuất sắc.

Nếu chúng ta mắc kẹt với kết thúc đóng? Chúng ta vẫn sẽ ở ngoài đó, có lẽ, đập đầu vào bê tông và tự hỏi tại sao chúng tôi lại chọn nghề này.

---

Những con số: Tham khảo nhanh

Kích thước điển hình tôi sử dụng:

• độ dày của tường: Tối thiểu 0,5″ trong 24″ đường kính, tăng quy mô theo kích thước
• Góc xiên: 30-45 độ bên ngoài, lá bên trong hình vuông
• mối nối: Mối hàn đối đầu xuyên thấu hoàn toàn, đôi khi có vòng đệm

Ước tính công suất (Thô sơ—Đừng xây dựng mà không phân tích):

Trong 24″ × 0,5″ cọc hở trên cát dày đặc:

• Da bên ngoài: 2-3 kip mỗi foot
• Da bên trong (nếu cắm): 1-2 kip mỗi foot
• Mẹo (chỉ thép): 50-100 kips tùy thuộc vào mật độ
• Tổng số cuối cùng: 300-500 kip điển hình

Đối với cùng một đống đóng kín, bạn có thể nhận được 400-600 tiền xu, nhưng bạn sẽ không bao giờ lái nó sâu đến thế. Đánh đổi ở mọi nơi.

---

Điểm mấu chốt

Cọc ống hở tồn tại vì nền đất không phải là sách giáo khoa. Thật là lộn xộn. Thật khó đoán. Nó ẩn giấu những tảng đá, trục ô tô cũ và những khối bê tông từ các dự án cách đây 50 năm.

Để phần cuối mở mang lại cho bạn nhiều lựa chọn. Bạn có thể lái xe xuyên qua những thứ có thể chặn được một đống đồ đóng kín. Bạn có thể kiểm tra sau khi lái xe. Bạn có thể làm sạch và cắm vào đá. Bạn có thể trát vữa để tăng thêm sức chứa. Bạn có thể làm tất cả, hoặc không có gì trong số đó, tùy thuộc vào những gì bạn tìm thấy ở dưới đó.

Họ có phù hợp với mọi công việc không? KHÔNG. Nếu bạn có điều kiện đất sạch, lớp chịu lực tốt ở độ sâu phù hợp, và không có mối quan tâm kiểm tra, đóng có thể đơn giản hơn và rẻ hơn.

Nhưng nếu bạn đang làm việc ở một lĩnh vực không xác định—và hãy thành thật mà nói, khi nào bạn thực sự biết mặt đất?—kết thúc mở là đặt cược an toàn hơn. Đó là sự khác biệt giữa đoán và biết. Giữa việc hy vọng đống đồ sẽ ổn và việc thực sự nhìn thấy nó.

Và trong công việc kinh doanh này, Tôi sẽ xem xét lại hy vọng mỗi lần.