Protecting buried pipelines using different shapes of geofoam blocks

Abstract

Purpose. This research presents experimental modeling and numerical analysis on reducing stress and protecting buried pipelines using three arrangements techniques of expanded polystyrene (EPS) geofoam blocks: embankment, EPS block embracing the upper part of the pipe and EPS blocks as two posts and a beam. Methods. An experimental model consisted of steel tank with boundaries dimensions depending on the diameter of the pipe located at the center of it. The backfill on the pipe was made from sand and embedded EPS blocks with two techniques: EPS block embracing the upper part of the pipe and EPS blocks form two posts and a beam. Series of experiments were carried out using static loading on rigid steel plate to measure the pipe deformations and strains, as well as backfill surface displacement. The numerical analysis was used to simulate the experimental model using the finite element software program PLAXIS-3D. Findings. The results reveal that the most effective method which prevents stress on the buried flexible pipe was EPS post and beam system followed by EPS embracing the upper part of the pipe. The results obtained from the numerical analysis and the experiment demonstrate the same trend. The parametric study shows that EPS post and beam blocks model has higher surface displacement than embracing the upper part of the pipe model, which is more effective in case of high rigidity of the pipe. Originality. Reducing stress on buried pipes using different geofoam shapes to find which one is the optimum method. Practical implications. Two configurations of EPS geofoam blocks – EPS block embracing the upper part of the pipe and EPS blocks post and beam system - ensure successful stress reduction and protect buried pipes.

Мета. Чисельний аналіз напружень та розробка захисту підземних трубопроводів за допомогою пінополістирольних (ППС) блоків з геопіни. Методика. В експериментальній моделі використовувався сталевий контейнер, розміри якого відповідали діаметру труби, що знаходиться в його центрі. Трубу засипали піском і розташовували ППС блоки двома способами: навколо верхньої труби і у вигляді каркаса з двох стійок та балки. У ході декількох експериментів жорсткий сталевий лист піддавався статичному навантаженню для вимірювання деформацій і напружень труби, а також зміщення поверхні засипки. Експериментальна модель була побудована в результаті чисельного аналізу методом кінцевих елементів за допомогою програми PLAXIS-3D. Результати. Дослідження показало, що найефективніший спосіб запобігання деформації гнучкої підземної труби полягає у створенні стійко-балочної ППС системи і далі установки ППС блоків навколо верхньої труби. Результати чисельного аналізу та експериментів свідчать про одну й ту ж тенденцію. Параметричне дослідження показало. що в стійко-балочній ППС моделі величина зміщення поверхні вище, ніж в моделі ППС шкаралупи навколо верхньої труби, що набагато ефективніше для захисту труби з високим ступенем жорсткості. Наукова новизна. Виявлено зниження величини навантаження на підземні труби за рахунок використання ППС блоків різної конфігурації, що дозволило визначити оптимальний метод захисту труб. Практична значимість. Запропоновано два способи застосування ППС блоків геопіни: стійко-балочна ППС система та установка ППС блоків навколо верхньої труби. Їх комбінація дозволяє забезпечити захист підземних труб і зменшити їх деформацію.

Цель. Численный анализ напряжений и разработка защиты подземных трубопроводов при помощи пенополистирольных (ППС) блоков из геопены. Методика. В экспериментальной модели использовался стальной контейнер, размеры которого соответствовали диаметру трубы, находящейся в его центре. Трубу засыпали песком и располагали ППС блоки двумя способами: вокруг верхней трубы и в виде каркаса из двух стоек и балки. В ходе нескольких экспериментов жесткий стальной лист подвергался статической нагрузке для измерения деформаций и напряжений трубы, а также смещения поверхности засыпки. Экспериментальная модель была построена в результате численного анализа методом конечных элементов с помощью программы PLAXIS-3D. Результаты. Исследование показало, что самый эффективный способ предотвращения деформации гибкой подземной трубы состоит в создании стоечно-балочной ППС системы и затем установки ППС блоков вокруг верхней трубы. Результаты численного анализа и экспериментов свидетельствуют об одной и той же тенденции. Параметрическое исследование показало. что в стоечно-балочной ППС модели величина смещения поверхности выше, чем в модели ППС скорлупы вокруг верхней трубы, что гораздо эффективнее для защиты трубы с высокой степенью жесткости. Научная новизна. Выявлено снижение величины нагрузки на подземные трубы за счет использования ППС блоков различной конфигурации, что позволило определить оптимальный метод защиты труб. Практическая значимость. Предложены два способа применения ППС блоков геопены: стоечно-балочная ППС система и установка ППС блоков вокруг верхней трубы. Их комбинация позволяет обеспечить защиту подземных труб и уменьшить их деформацию.