A critical review of the pipe/soil interaction parameters for buried pipeline

Afrouz Nematzadeh, Bahar Farhadi, Nasser Daiyan, Hodjat Shiri

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoNiagara 2021: 74th Canadian Geotechnical Conference; 14th joint with IAH-CNC

RÉSUMÉ: L’intégrité opérationnelle d’un pipeline enfoui est considérablement affectée par le sol environnant, les conditions géotechniques et les géorisques. La modélisation des effets du sol environnant sur un pipeline enfoui est un élément essentiel de toute évaluation des contraintes et des déformations du pipeline sous des charges opérationnelles ou environnementales. La méthode choisie pour modéliser l’interaction pipeline-sol devrait être en mesure de simuler l’effet du déplacement ou la réaction du sol ou sur le pipeline comprisà l’intérieur d’une marge de sécurité. Le modèle numérique poutre-ressort (structurel) est largement utilisé pour l’analyse des contraintes/déformations des pipelines sous différentes conditions de charge. Les constantes de rappel du sol dans l’état actuel de la pratique (p. ex. les lignes directrices de l’American Lifelines Alliance (ALA) 2005 ou du Pipeline Research Council International (PRCI) de 2017) sont définies comme trois ressorts perpendiculaires indépendants dans les directions axiales, latérales et verticales. Des équations sont fournies dans ces lignes directrices pour calculer la rigidité des ressorts dans différentes directions d’après des études expérimentales disponibles dans la littérature. Le présent document passe en revue les hypothèses et les limites des méthodes existantes de modélisation de l’interaction pipeline/sol et étudie la sensibilité des valeurs de contrainte-déformation du pipeline aux paramètres d’interaction pipeline-sol à l’aide du logiciel d’éléments finis ABAQUS. Les résultats de cette étude et les recommandations visant à mettre à jour les équations existantes pour les paramètres d’interaction pipeline-sol d’aprèsles études disponibles réalisées sur des pipelines enfouis ou des systèmes similaires sont présentés et discutés. Il est recommandé de tenir compte d’une marge de sécurité (limites supérieure et inférieure) dans la définition des paramètres d’interaction pipeline-sol pour tenir compte de l’incertitude dans les paramètres d’entrée, ainsi que des hypothèses et des limites des méthodes existantes. L’importance de tenir compte des ’approches recommandées est démontrée au moyen d’exemples de pipelines dans des conditions de déplacement du sol.

ABSTRACT: The operational integrity of a buried pipeline is significantly affected by surrounding soil, geotechnical conditions and geohazards. Modelling the effects of surrounding soil on a buried pipeline is a critical part of any pipeline stress/strain assessment under operational or environmental loads. The selected method for modeling pipe/soil interaction should be able to simulate the effect of ground displacement or ground restraint on the pipeline, within a safety margin. Numerical beam-spring (structural) model is extensively used for pipeline stress/strain analysis under different loading conditions. The soil springs in the current state of practice (e.g., American Lifelines Alliance (ALA) 2005 or Pipeline Research Council International (PRCI) guidelines 2017) are defined as three independent perpendicular springs in axial, lateral and vertical directions. Equations are provided in the guidelines to calculate the stiffness of springs in different directions based on experimental studies available in the literature. This paper reviews the assumptions and limitations of the existing methods for structural pipe/soil interaction modeling and investigates the sensitivity of pipeline stress/strain values to the pipe/soil interaction parameters using Finite Element software ABAQUS. Results from this investigation and recommendations to update the existing equations for pipe/soil interaction parameters based on available studies performed on buried pipelines or analogue systems are presented and discussed. It is recommended to consider a safety margin (upper/lower bound) in defining pipe/soil interaction parameters to account for the uncertainty in the input parameters, and assumptions and limitations of the existing methods. The significance of considering the recommended approach is shown by means of examples of pipelines under ground displacement conditions.

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