Analytical solutions for peak and residual uplift resistance of pipelines

J.F. (Derick) Nixon, James M. Oswell

In the proceedings of: GEO2010 Calgary: 63rd Canadian Geotechnical Conference & 6th Canadian Permafrost Conference

Session: W1-C

ABSTRACT: Cold pipelines that traverse unfrozen (non permafrost) terrain are susceptible to frost heave. The stresses experienced by the pipeline are partially a function of the strength of the soil on the non heaving side of the frozen-unfrozen interface. In this paper, three analytical solutions are proposed to estimate the soil uplift resistance by considering the pipeline and soil to act similar to a strip footing, a punching shear failure, and by considering the formation of horizontal crack emanating from the spring line of the pipe. The study found that the peak uplift resistance and the residual uplift resistance were generally independent and controlled by different factors. The peak resistance is related directly to pipe diameter, and less strongly dependent on springline depth. It is also strongly dependent on soil temperature. In contrast, the residual uplift resistance is strongly dependent on burial depth, weakly dependent on pipe displacement rate and also on soil temperature.

RÉSUMÉ: Les pipelines froids qui traversent des terrains non-gelés (non-pergélisol) sont susceptibles de rencontrer des soulèvements du au gel. Les stress subit par les pipelines dépendent partiellement de la résistance du sol sur le côté non soulevé de l'interface congelé-dégelé. Dans cet article, trois solutions analytiques sont proposées pour estimer la résistance au soulèvement du sol en considérant que le pipeline et le sol ont un comportement similaire à une semelle filante, un échec poinçonnement, et en considérant la formation de fissures horizontales émanant de la gamme de printemps de la conduite. L'étude a révélé que la résistance au soulèvement maximal et la résistance au soulèvement résiduel sont généralement indépendants et contrôlées par différents facteurs. La résistance maximale est directement liée au diamètre du conduit, et moins fortement dépendant de la profondeur en ligne au printemps. Elle est également fortement dépendante de la température du sol. En revanche, la résistance au soulèvement résiduel est fortement dépendante de la profondeur d'enfouissement, faiblement dépendante au taux de déplacement de la conduite et à la température du sol. 1 INTRODUCTION

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