DEM modelling of soil pipeline interaction under combined vertical and horizontal loading

Design of pipelines must consider the risk of upheaval buckling (UHB) which in a nutshell can be described as strain accumulation underneath the pipeline that is caused by its operational conditions. UHB phenomena in itself is a large strain problem and generally assessed for granular soils. In recent years, the discrete element method (DEM), which simulates the behaviour of each individual particle, has gained popularity among geotechnical engineers due to its inherent ability to describe the behaviour of granular materials under significant displacements. In this work, the behavior of a buried pipeline under different embedment depths is investigated under monotonic loading on V- H interaction domain using DEM in comparison with experimental campaign done by (Di Prisco and Galli 2006). Vertical, horizontal and inclined pullout tests are performed for dense and loose Ticino sand samples. Moreover, influence of particle angularity is implemented into the model for inter particle contact law following rolling resistance contact model of (Rorato et al., 2021). DEM results are compared on uplift resistance with the current practice of (DNV, 2007) guideline and on lateral resistance with (Trautmann, O’Rourke, and Kulhawy, 1985). Failure envelope in V – H interaction domain is also presented.

La progettazione delle condotte interrate deve considerare il rischio di instabilità da sollevamento (upheaval buckling, UHB), dovuta a un accumulo di deformazione al di sotto della condotta causato dalle suo comportamento in esercizio. I fenomeni di UHB sono un tipico problema in grandi deformazioni, tipico dei materiali granulari. Negli ultimi anni, il metodo degli elementi discreti (DEM), ha guadagnato popolarità tra gli ingegneri geotecnici grazie alla sua capacità intrinseca di descrivere il comportamento dei materiali granulari sotto spostamenti significativi. In questo lavoro viene studiato il comportamento di una condotta interrata a diverse profondità, soggetta a diverse combinazioni di carichi monotoni. Il dominio di interazione V-H ottenuto attraverso le analisi numeriche è confrontato con i risultati sperimentali ottenuti da Di Prisco & Galli (2006). Le simulazioni di prove di condotte soggette a sollecitazioni verticali, orizzontali e inclinata vengono eseguite per campioni di sabbia del Ticino, sia densa che sciolta. L’influenza dell'angolarità delle particelle è implementata nel modello attraverso la legge di contatto tra le particelle proposta da Rorato et al. (2021). I risultati delle simulazioni numeriche DEM vengono confrontati con le previsioni di resistenza al sollevamento calcolata attraverso le linee guida (DNV, 2007) e di resistenza laterale secondo Trautmann et al (1985).