Application of computational fluid dynamics for the analysis of the lateral displacement of pipelines in liquefied soils

In this work a Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical code is used to simulate the response of liquefied sand in both fully liquefied state and during reconsolidation process. The consequences of assuming the liquefied material as a Newtonian and non-Newtonian fluid are discussed, as well as the influence of the different parameters describing the idealized fluid material. In all cases, the soil is assumed to be already liquefied when the analysis is started, meaning that the inception of liquefaction is not investigated here. In particular, the lateral displacement of pipelines submerged in liquefied seabed was modeled. Assuming the material as a Newtonian fluid it was observed that the horizontal drag force opposing to the movement is almost independent of the mesh size used to discretize the domain; but it is highly dependent on the domain size. On the other hand, when a non-Newtonian Bingham model was imposed to the liquefied soil, the main parameters influencing the drag force are the yield stress and the viscosity. A simple way to model the reconsolidation process of the material was proposed, in which the Bingham parameters are increased as a function of changes in the excess pore pressure. The CFD was found to be a suitable tool to study this phenomenon.

Questo lavoro si pone l’obiettivo di applicare un codice numerico di Fluidodinamica Computazionale (CFD) per simulare la risposta di una sabbia liquefatta, sia nello stato di completa liquefazione sia nella fase di riconsolidazione. Vengono analizzate le conseguenze di trattare il materiale liquefatto come un fluido Newtoniano e Non Newtoniano, così come l’influenza dei diversi parametri che lo descrivono. In questa tesi viene sempre considerato che il terreno sia già liquefatto all’inizio delle analisi, per cui l’innesco vero e proprio della liquefazione non viene studiato. In particolare, lo spostamento laterale di oleodotti sommersi in sabbia liquefatta è stato modellato. Ipotizzando il materiale come un fluido Newtoniano, si è riscontrato che la forza di resistenza al movimento è pressoché indipendente dalla dimensione della griglia di calcolo (mesh), mentre risulta altamente influenzata dalla dimensione del dominio. D’altra parte, quando il terreno viene trattato come un fluido Non Newtoniano secondo il modello Bingham, i parametri che influenzano di più la forza di resistenza al movimento sono il punto di snervamento e la viscosità. Un approccio semplice per modellare la fase di riconsolidazione del materiale è stato proposto, nel quale i parametri Bingham vengono incrementati come funzione della variazione della pressione interstiziale eccedente. In base ai risultati ottenuti si ritiene che il codice CFD risulti idoneo allo studio di questo fenomeno.