Numerical Modelling of Pipeline Uplift Resistance in Frozen Soil

M Saiyar

In the proceedings of: GeoVancouver 2016: 69th Canadian Geotechnical Conference

Session: INFRASTRUCTURE - VI Pipelines & Tunnels

ABSTRACT: The design of buried pipelines in frost heaving terrain requires knowledge of the uplift resistance of pipes. The uplift resistance of a frozen soil is dependent on properties such as tensile strength, creep and the modulus of deformation; it is also dependent on the magnitude and rate of the pipe displacement as well as the pipe dimensions and soil cover. During the last few decades, a considerable number of studies have been performed to measure and/or predict the pipe uplift resistance using a combination of large-scale test sites, laboratory scale tests and theoretical and numerical modeling techniques. However, given the complexity of soil-pipe interaction in frozen ground and uncertainties associated with frozen soil properties and behaviour with time, a large variation in pipe uplift resistance is expected. A numerical model using Fast Lagrangian Analysis of Continua (FLAC) and the geo-mechanical properties of the frozen soil as input parameters, has been developed to predict the pipe uplift resistance as it is displaced upward at a constant rate through frozen ground. The model is capable of modelling the fracture propagation in frozen soil and predicting the post peak reduction of pipe uplift resistance. The results have been compared with published laboratory measurements on pipe uplift resistance. The predicted peak and post peak uplift resistance values are consistent with those measured in the laboratory.

RÉSUMÉ: La conception des canalisations enterrées en terrain gel déchaussement nécessite la connaissance de la résistance au soulèvement des tuyaux. La résistance à l'arrachement d'un sol gelé dépend des propriétés comme la résistance à la traction, le fluage et le module de déformation; il est aussi fonction de la grandeur et la vitesse de déplacement du tuyau, ainsi que les dimensions du tube et la couverture du sol. Au cours des dernières décennies, un nombre considérable d'études ont été réalisées pour mesurer et / ou de prédire la résistance tuyau de soulèvement en utilisant une combinaison de sites d'essai à grande échelle, des tests à l'échelle de laboratoire et techniques théoriques et numériques de modélisation. Toutefois, étant donné la complexité de l'interaction sol-pipe en terre et les incertitudes liées aux propriétés des sols gelés et le comportement avec le temps congelé, une grande variation de la résistance tuyau de soulèvement est attendue. Un modèle numérique à l'aide rapide lagrangien Analyse des Continua (FLAC) et les propriétés de géo-mécanique du sol gelé en tant que paramètres d'entrée, a été développé pour prédire la résistance tuyau de soulèvement tel qu'il est déplacé vers le haut à une vitesse constante à travers le sol gelé. Le modèle est capable de modéliser la propagation des fractures dans le sol gelé et la prévision de la réduction après pic de résistance tuyau de soulèvement. Les résultats ont été comparés avec des mesures de laboratoire publiées sur la résistance tuyau de soulèvement. Les valeurs de résistance de pointe et post pic soulèvement prédites sont conformes à celles mesurées dans le laboratoire.

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