Modeling the response of buried pipes subjected to axial soil movement using coupled finite-discrete element framework

Masood Meidani, Mohamed A. Meguid, Luc E. Chouinard

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoEdmonton 2018: 71st Canadian Geotechnical Conference; 13th joint with IAH-CNC

Session: Soil Mechanics and Foundations (Numerical Analysis II)

ABSTRACT: The performance of a buried pipe in granular soil subjected to relative axial ground movement is evaluated in this study using a coupled finite-discrete element framework. The pipe is modeled using finite elements (FE) whereas the surrounding soils are modeled using discrete elements (DE). Triangular shaped facet interface elements are used to transfer the contact forces and displacements between the DE and FE domains. Two different pipe materials including a rigid steel pipe and a flexible medium-density polyethylene (MDPE) pipe are modeled. To determine the input parameters needed for each model, calibration is performed using triaxial test data and the microscopic parameters are determined by matching the numerical and experimental results. The particle-induced forces generated on each pipe are calculated and compared with current design guidelines. Results show considerable differences between the common design practice and the numerical results, particularly for pipes installed in the dense sand material. This difference is found to be more significant in rigid steel pipes as compared to flexible MDPE pipes. The detailed behavior of each pipe and the surrounding soil is also investigated based on the coupled FE-DE analysis. It is found that lateral earth pressure is a key factor that affects the soil restraint imposed on the pipe. The proposed coupled FE-DE framework has proven to be effective in investigating this class of soil-pipe interaction problems and capturing the relative movement between the pipe and the surrounding soil.

RÉSUMÉ: La performance d'un tuyau enterré dans un sol granulaire soumis à un déplacement axial relatif du sol est évaluée dans cette étude en utilisant un cadre d'éléments finis-discrets couplés. Le tube est modélisé à l'aide d'éléments finis (FE) tandis que les sols environnants sont modélisés à l'aide d'éléments discrets (DE). Des éléments d'interface à facettes triangulaires sont utilisés pour transférer les forces de contact et les déplacements entre les domaines DE et FE. Deux matériaux de tuyaux différents, y compris un tuyau en acier rigide et un tuyau flexible en polyéthylène moyenne densité (MDPE) sont modélisés. Pour déterminer les paramètres d'entrée nécessaires pour chaque modèle, l'étalonnage est effectué en utilisant des données de test triaxiaux et les paramètres microscopiques sont déterminés en faisant correspondre les résultats numériques et expérimentaux. Les forces du sol générées sur chaque tuyau sont calculées et comparées aux directives de conception actuelles. Les résultats montrent des différences considérables entre la pratique courante et les résultats numériques, en particulier pour les tuyaux installés dans du sable dense. Cette différence est plus importante pour les tuyaux en acier rigide que pour les tuyaux flexibles en MDPE. Le comportement détaillé de chaque tuyau et du sol environnant est également étudié sur la base de l'analyse FE-DE couplée. On constate que la pression latérale du sol est la principale cause de la contrainte exercée sur le sol par le sol. Le cadre FE-DE couplé proposé s'est avéré efficace pour étudier les problèmes d'interaction tridimensionnels sol-tuyau en capturant le mouvement relatif entre le tuyau et le sol environnant.

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