This paper investigates the effects of micro-tunneling on buried pipelines parametrically. A simplified numerical approach was developed and various parametric studies have been conducted to evaluate the effects of ground settlements on the response of buried pipelines. The controlled parameters included the pipe stiffness, ground loss magnitude, and pipe location with respect to a micro-tunnel. Maximum settlement and curvature along a pipeline have been investigated and compared among others for different conditions. In addition, the numerical results have been compared with a theoretical method by Attewell et al. (1986), which is based on a Winkler type linear-elastic solution. The comparison indicated that the response of buried pipes to micro-tunneling-induced ground settlements highly depends on the soil-pipe interaction including the separation and slippage of pipe from soil with the effects of the investigated parameters. Therefore, rather than using the theoretical method directly, it would be a better assessment of the response of buried pipelines to consider the soil-pipe interaction in more realistic conditions.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.7
no.4
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pp.720-738
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2015
This study examined the dynamic response of a subsea pipeline under an impact load to determine the effect of the seabed soil. A laboratory-scale soil-based pipeline impact test was carried out to investigate the pipeline deformation/strain as well as the interaction with the soil-pipeline. In addition, an impact test was simulated using the finite element technique, and the calculated strain was compared with the experimental results. During the simulation, the pipeline was described based on an elasto-plastic analysis, and the soil was modeled using the Mohr-Coulomb failure criterion. The results obtained were compared with ASME D31.8, and the differences between the analysis results and the rules were specifically investigated. Modified ASME formulae were proposed to calculate the precise structural behavior of a subsea pipeline under an impact load when considering sand- and clay-based seabed soils.
The behavior of buried pipes is directly influenced by the nonlinearity and complex characteristics of the surrounding soil. However, the simplified beam-spring model, which ignores the nonlinearity and complex behavior of soil, is commonly used in practice. In response, several studies have employed continuum analysis methods to account for the nonlinear and complex behavior of the soil. This paper presents various numerical continuum analysis techniques and verifies their comparison with full-scale tests. The study found that reaction force results close to the full-scale test could be obtained by applying contact surface characteristics that take into account the interaction between the ground and the buried pipe. In the case of sharing pipe and soil node method and ignoring the interaction between pipe and soil, excessive reaction force was derived, and the failure shapes were different. In addition, this study applied the dynamic explicit analysis method, ALE method, and CEL method. It was confirmed that the displacement-reaction relationship and failure shape are similar to those of the static analysis.
The paper describes the rainfall-runoff. soil moisture distribution and subsurface flow of 'U-shaped Goll' valley head slope to evaluate quantitatively the interaction between the water circulation system and geomorphic development. The findings are as follows: The fissure and the pipe entrance in front of 'U-shaped Goll' introduce a lot of direct runoff into either the soil pipe or the soil layer to accelerate the erosion of the soil layer, so that they are likely to contribute to the expansion and development of the soil pipe. Most of soil water is to be drained in pipe flow, while some of remaining soil water is to be fed into groundwater. Therefore, low rainfall intensity is thought to let both the groundwater level and the pipe flow react sensitively by the effects of the precedent rainfall even at events: As a result, the soil pipe is said to be an important factor having influence upon the material balance of 'U-shaped Goll' valley head slope. On the other hand, the groundwater shows greater specific flux at the top than at the bottom, and relatively larger specific flux is applied to the top to make 'U-shaped Goll' valley head slope go back to the top.
This paper presents the results of a parametric study on the interaction between buried pipes and surface load using the finite element method of analysis. A series of laboratory model tests were also performed in order to validate the adopted finite element model and to capture essential features of the physical behavior of buried pipes subjected to surface load. In the parametric study, a wide range of boundary conditions were analyzed with emphasis on the response of the buried pipes to surface load. The results of analysis such as contact stress distribution at the soil/pipe interface and axial thrust of the pipe were thoroughly analyzed, and a database on the response of buried pipe under surface load was established for future development of a semi-empirical design/analysis method. The results indicated that the degree of interaction between buried pipes and surface load significantly varies with the vertical and lateral location of pipe with respect to surface load, and that the current design method, which does not consider soil-structure interaction, cannot correctly capture the pipe response to surface loading. Furthermore, based on the results of analysis, a semi-empirical equation was suggested, which estimates the maximum pipe thrust due to surface load for flexible buried pipes.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1991.04a
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pp.29-33
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1991
This paper reports the application study of the ground reinforement under a buried pipeline subjected to differential settlement via a finite element modelling. The Soil-reinforrement interaction helps to mimimize the differential settlement between the adjoining pipe segments. The settlement pattern and deformation slope of a pipeline have been evaluated for a boundary condition at the joint between a rigid structure and apipeline. The analysis results are compared for both non-reinforied and reinforced cases to measure the effectiveness of the soil reinforcement for restraining the settlement of the pipeline.
Jianshuo Wang;Tinghao Meng;Zechao Zhang;Zhihua Chen;Hongbo Liu
Earthquakes and Structures
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v.26
no.4
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pp.261-267
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2024
With the increase in the exploitation depth of offshore oil and gas, it is possible to control the global buckling of deep-sea pipelines by the snake lay method. Previous studies mainly focused on the analysis of critical buckling force and critical temperature of pipelines under the snake-like laying method, and pipelines often suffer structural failure due to seismic disasters during operation. Therefore, seismic action is a necessary factor in the design and analysis of submarine pipelines. In this paper, the seismic action of steel pipes in the operation stage after global buckling has occurred under the active control method is analyzed. Firstly, we have established a simplified finite element model for the entire process cycle and found that this modeling method is accurate and efficient, solving the problem of difficult convergence of seismic wave and soil coupling in previous solid analysis, and improving the efficiency of calculations. Secondly, through parameter analysis, it was found that under seismic action, the pipe diameter mainly affects the stress amplitude of the pipeline. When the pipe wall thickness increases from 0.05 m to 0.09 m, the critical buckling force increases by 150%, and the maximum axial stress decreases by 56%. In the pipe soil interaction, the greater the soil viscosity, the greater the pipe soil interaction force, the greater the soil constraint on the pipeline, and the safer the pipeline. Finally, the pipeline failure determination formula was obtained through dimensionless analysis and verified, and it was found that the formula was accurate.
In meeting the technical needs for deepwater conditions and overcoming the shortfalls of single-layer pipes for deepwater applications, pipe-in-pipe (PIP) systems have been developed. While, for PIP pipelines directly laid on the seabed or with partial embedment, one of the primary service risks is lateral buckling. The critical axial force is a key factor governing the global lateral buckling response that has been paid much more attention. It is influenced by global imperfections, submerged weight, stiffness, pipe-soil interaction characteristics, et al. In this study, Finite Element Models for imperfect PIP systems are established on the basis of 3D beam element and tube-to-tube element in Abaqus. A parameter study was conducted to investigate the effects of these parameters on the critical axial force and post-buckling forms. These parameters include structural parameters such as imperfections, clearance, and bulkhead spacing, pipe/soil interaction parameter, for instance, axial and lateral friction properties between pipeline and seabed, and load parameter submerged weight. Python as a programming language is been used to realize parametric modeling in Abaqus. Some conclusions are obtained which can provide a guide for the design of PIP pipelines.
Cui, Chun Y.;Meng, Kun;Wu, Ya J.;Chapman, David;Liang, Zhi M.
Geomechanics and Engineering
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v.16
no.6
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pp.609-618
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2018
A new mechanical model for predicting the vibration of a pipe pile embedded in longitudinally layered visco-elastic media with radial inhomogeneity is proposed by extending Novak's plain-strain model and complex stiffness method to consider viscous-type damping. The analytical solutions for the dynamic impedance, the velocity admittance and the reflected signal of wave velocity at the pile head are also derived and subsequently verified by comparison with existing solutions. An extensive parametric analysis is further performed to examine the effects of shear modulus, viscous damping coefficient, coefficient of disturbance degree, weakening or strengthening range of surrounding soil and longitudinal soft or hard interbedded layer on the velocity admittance and the reflected signal of wave velocity at the pile head. It is demonstrated that the proposed model and the obtained solutions provide extensive possibilities for practical application compared with previous related studies.
This paper presents an analytical method, application of expansion, mechanical design, and integrated expansion design of subsea insulated pipe-in-pipe (PIP) systems. PIP system consists of a flowline and a casing pipe for the transport of high temperature and high pressure product from the subsea wells. To prevent heat lass from the fiowline, insulation material is applied between the pipes. The fiawline pipe and the casing pipe have mechanical connections through steel ring plate (water stops) and bulkheads. Pipeline expansion is defined by temperature, internal pressure, soil resistance, and interaction force between the flowline and the casing pipe. The results of the expansion analysis, the mechanical design of connection system of the two pipes and tie-in spool design are integrated for the whole PIP system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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