CFD modelling of the interaction between submarine pipelines and liquefied sand

The knowledge of the behaviour of liquefied sand is of utmost importance in the design of submarine pipelines since its not always possible to avoid areas of the seabed prone to the inception of the phenomenon. A submarine pipeline interacting with liquefied soil is extremely unstable and it has been reported several times that it behaves like a buoyant body. For this reason several study programmes tried to characterize liquefied sand and to suggest a suitable model able to predict its behaviour. However, despite an overall agreement on the use of a Newtonian or a Bingham constitutive model, the values to assign to few model parameters are still uncertain. A large number of experimental programmes tackled the issue by artificially liquefying sand with a model pipeline buried in it. The purpose of the present thesis is to interpret the behaviour of liquefied sand by means of a fluid dynamics model developed in Politecnico di Milano. Pre-existing experimental tests are simulated with the code both for sinking and floating pipelines. The calibration is mainly done by comparing experimental and numerical displacement-time plots. The variation of the model parameters allows a deep understanding of the phenomenon. Particular care is devoted to density variations observed in liquefied soils and on reconsolidation. Once the model is calibrated in the spirit of a phenomenological approach, other experiments are reproduced as blind predictions and the model works fine.

La conoscenza del comportamento dei terreni liquefatti è di primaria importanza nella progettazione delle condotte sottomarine vista la loro estensione e l'impossibilità di evitare zone in cui il fondale marino è suscettibile all'innesco del fenomeno. E' noto da tempo che una condotta immersa in un terreno liquefatto è estremamente instabile e in varie occasioni è stato osservato come il suo comportamento sia del tutto simile ad un oggetto che galleggia in un fluido. Per questo motivo vari studi si sono proposti di caratterizzare i terreni liquefatti e di fornire un modello in grado di predire il loro comportamento in modo da predisporre delle misure di cautela. Tuttavia per quanto la maggior parte degli studi siano in accordo sull'utilizzo di un modello di fluido (in genere Newtoniano o Bingham) esiste ancora una grande incertezza sull'assegnazione dei parametri del modello per quanto essi siano di numero estremamente limitato. La maggior parte dei progressi nella comprensione di questo fenomeno derivano da campagne sperimentali in cui la liquefazione di un mezzo granulare saturo, nel quale è inserita una condotta, è ottenuta artificialmente in laboratorio. Il presente lavoro si propone di interpretare il comportamento delle sabbie liquefatte tramite un modello di fluidodinamica sviluppato al Politecnico di Milano e, tramite la simulazione di esperimenti di liquefazione presenti in letteratura, assegnare in modo rigoroso un modello e una conseguente calibrazione dei parametri. Attraverso l'utilizzo del codice gli esperimenti sono riprodotti fedelmente, sia per condotte che affondano a causa del peso maggiore rispetto al terreno liquefatto, sia per condotte leggere che galleggiano. Lo studio è incentrato principalmente sul confronto tra i grafici spostamento-tempo sperimentali e numerici, i quali contengono informazioni cruciali. La variazione dei parametri del modello numerico permette di fare interessanti speculazioni sulla fisica del fenomeno. Particolare attenzione è rivolta alle variazioni di densità che si osservano nei terreni liquefatti e alla riconsolidazione. Entrambi i fenomeni hanno una grande influenza sulla stabilità delle condotte. Una volta calibrato il modello in un'ottica fenomenologica, altri esperimenti sono riprodotti con successo come blind predictions.