Finite element modeling of pipe-soil interaction under axial loading in dense sand

ABSTRACT: Ground movement is one of the challenges to the structural integrity of buried pipelines, which are the primary ways of transporting oil and gas. In the current study, the axial ground force is investigated for a medium-density polyethylene pipe buried in dense sand. A full-scale laboratory test is conducted, and numerical modeling using the finite element (FE) method is then performed to explore the pipe-soil interaction mechanics for the pipe in dense sand under axial loading conditions. Three-dimensional (3D) FE analysis is performed using Mohr-Coulomb model available in Abaqus/Standard for the backfill material. The laboratory study demonstrated significant influence of soil compaction that increased the contact stress on the pipe surface. The compaction induced contact stresses are simulated applying a uniform thermal load to a thin layer of soil surrounding the pipe. The results of FE analysis are shown to successfully simulate the test results. Finally, the normal stress distribution along the pipe length is investigated using the FE analysis.

RÉSUMÉ: Le mouvement du sol est l'un des défis pour l'intégrité structurelle des pipelines enterrés, qui sont les principaux moyens de transport du pétrole et du gaz. Dans la présente étude, la force axiale au sol est étudiée pour un tuyau en polyéthylène de densité moyenne enfoui dans du sable dense. Un essai en laboratoire à grande échelle est effectué et une modélisation numérique utilisant la méthode des éléments finis (FE) est ensuite effectuée pour explorer la mécanique de l'interaction tuyau-sol pour le tuyau dans le sable dense dans des conditions de chargement axial. L'analyse FE tridimensionnelle (3D) est réalisée à l'aide du modèle Mohr-Coulomb disponible dans Abaqus/Standard pour le matériau de remblai. L'étude en laboratoire a démontré une influence significative du compactage du sol qui a augmenté la contrainte de contact sur la surface du tuyau. Les contraintes de contact induites par le compactage sont simulées en appliquant une charge thermique uniforme à une fine couche de sol entourant le tuyau. Les résultats de l'analyse FE sont montrés pour simuler avec succès les résultats du test. Enfin, la distribution normale des contraintes le long de la longueur du tuyau est étudiée à l'aide de l'analyse FE.