Numerical modelling of pipeline-liquefied soil interaction through the Lagrangian particle finite element method (PFEM)

Seismic and wave-induced liquefaction have been proven to occur extensively in marine environments, when extreme cyclic loading conditions are met and seabed liquefaction is achieved, the soil loses progressively all its resistance and becomes a liquefied mixture that behaves like a fluid. Within this context, submarine pipelines localized in areas susceptible to seabed liquefaction may become unstable and experience sinking or flotation processes. Given such scenario, a numerical modelling able to study the pipeline-liquefied soil interaction and in particular to predict pipeline displacements is essential for describing sinking and flotation processes and correctly designing pipelines and develop proper stabilization techniques accounting for seabed liquefaction. In this work, the numerical modelling of the pipeline-liquefied soil interaction was carried out using a researching code based on a Lagrangian formulation of the Particle Finite Element Method (PFEM) developed by the School of Civil, Environmental and Land Management Engineering at Politecnico di Milano. Multiple simulations were performed to test the code's abilities and detect potential weaknesses, the results showed the code's ability to reproduce successfully the principal variables involved in flotation analysis. The calibration phase and subsequent experimental comparison showed that increasing viscosity and yield stress to enhance better results in terms of stress magnitudes is meaningless due to the drawbacks in terms of pipeline displacements. This issue evidenced the need for a more sophisticated rheological law to be implemented in the code to obtain accurate results simultaneously for both magnitudes.

È stato dimostrato che la liquefazione sismica e indotta dalle onde si verifica ampiamente in ambienti marini, quando sono soddisfatte condizioni di carico ciclico estremo e si ottiene la liquefazione del fondo marino, il suolo perde progressivamente tutta la sua resistenza e diventa una miscela liquefatta che si comporta come un fluido. In questo contesto, le condotte sottomarine localizzate in aree suscettibili alla liquefazione del fondo marino possono diventare instabili e soffrire processi di affondamento o di galleggiamento. Dato tale scenario, una modellazione numerica in grado di studiare l'interazione gasdotto-suolo liquefatto e in particolare di prevedere gli spostamenti delle condotte è essenziale per descrivere i processi di affondamento e flottazione e progettare correttamente condotte e sviluppare tecniche di stabilizzazione adeguate che tengano conto della liquefazione del fondo marino. In questo lavoro, la modellazione numerica dell'interazione gasdotto-suolo liquefatto è stata effettuata utilizzando un codice di ricerca basato su una formulazione lagrangiana del Particle Finite Element Method (PFEM) sviluppato dalla Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale del Politecnico di Milano. Sono state eseguite più simulazioni per testare le capacità del codice e rilevare potenziali punti deboli, i risultati hanno mostrato la capacità del codice di riprodurre con successo le principali variabili coinvolte nell'analisi di flottazione. La fase di calibrazione e il successivo confronto sperimentale hanno mostrato che aumentare la viscosità e lo stress di snervamento per migliorare i risultati in termini di magnitudo dello stress non ha senso a causa degli svantaggi in termini di spostamenti della tubazione. Questo problema ha evidenziato la necessità di una legge reologica più sofisticata da implementare nel codice per ottenere risultati accurati simultaneamente per entrambe le grandezze.