Analysis of the effects of using various backfill materials in the buried pipelines construction

• Autorzy: Kliszczewicz Barbara

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147657

Warianty tytułu

PL

Analiza efektów stosowania różnych materiałów zasypkowych w budowie podziemnych rurociągów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the article the effects of backfilling an underground, flexible pipeline, using natural materials (ground backfill) and modified materials, so called Lightweight Backfilling Materials (LBMs) were analyzed. These materials, thanks their lower density, have a positive effect on reducing the loads on the underground pipeline and, consequently, reducing deformations and stresses in its wall. LBMs include lightweight expanded clay aggregates, recycled tire chips used directly in the trench or mixed with the soil, foam concrete, foam glass (granules or plates), and expanded polystyrene, embedded in the ground in the form of blocks. The assessment of the effects of modifying the backfill of the underground pipeline was carried out by means of multi-variant numerical analysis in which models of the pipe-soil system in a plane strain state (2D model) were tested. In these models PEHD pipes were represented, with differential of their diameter (DN315, DN600) and stiffness (SDR), as well as trenches of various shapes (trench with vertical walls and with sloping walls). In the numerical calculations, two variants of trench filling were analyzed: full filling with soil and filling with selected LBMs (expanded clay aggregates, expanded polystyrene, tire chips mixed with soil) in layers separated in the backfill. The results of numerical calculations for particular variants of the models were analyzed in terms of the distribution of vertical displacements and stresses in the soil and pipe deformation. The received pipe deflections and circumferential stresses in their wall were related to the permissible values for PEHD pipes.

PL

W niniejszej publikacji podjęto próbę zbadania efektów zastosowania wybranych materiałów typu LBMs w budowie podziemnych rurociągów PEHD. Badanie to przeprowadzono za pomocą wielowariantowej numerycznej analizy modelu 2D układu rura-grunt, wykonanej w programie ZSOIL [10]. Modele FEM, zbudowane na potrzeby analizy numerycznej, reprezentują rurociąg PEHD ułożony w gruncie metodą wykopową. Modele te typu 2D (płaski stan odkształcenia) przedstawiają przekrój poprzeczny rurociągu o jednostkowej długości, otoczonego gruntem (układ rura-grunt). W analizie rozpatrzono dwa warianty kształtu wykopu (wąski o ścianach pionowych i szeroki o ścianach nachylonych) oraz trzy warianty częściowego wypełnienia wykopów warstwami keramzytu (ozn. LECA), bloczkami z polistyrenu spienionego (ozn. EPS), odpadami gumowymi zmieszanymi z gruntem (ozn. TDA). Obliczenia wykonano dla 64. różnych modeli układu rura-grunt. Przedmiotem analizy były podatne rury PEHD, o średnicach DN315 i DN600 i zróżnicowanych sztywnościach (SDR 11, SDR 21, SDR 26 i SDR 41). Rury ułożone zostały na warstwie podsypki o grubości 0,2 m i obsypane gruntem (obsypka) na wysokość 0,3 m ponad górny punkt rury. Pozostała część wykopu wypełniona była wyłącznie gruntem (ozn. SOIL), lub wariantowo gruntem, do którego wprowadzano warstwę materiałów LBMs (grubość warstw 0.8 m). Na górnej krawędzi modeli, w strefie o szerokości odpowiadającej szerokości wykopu, przyłożono obciążenie LF, o charakterze statycznym, równomiernie rozłożonym. W wykonanych analizach numerycznych, które miały charakter przyrostowo-iteracyjny, obciążenie to narastało liniowo od wartości 0 do wartości 150 kN/m2. Warstwy gruntu, keramzytu i odpadów gumowych zmieszanych z gruntem modelowano za pomocą modelu Mohra-Coulomba, warstwę EPS ora z rurę PEHD – w zakresie sprężystym. Wykonane obliczenia numeryczne dostarczyły bardzo szeroką paletę wyników w zakresie przemieszczeń węzłów i naprężeń w elementach modeli. W artykule zaprezentowano tylko niektóre z nich, głównie te w których uzyskano ekstremalne analizowane wartości. Prezentowana wielowariantowa analiza numeryczna modeli układu rura-grunt nie pozwala jednak na sformułowanie uniwersalnych wniosków dotyczących efektów zastosowania warstw z wybranych materiałów jako częściowego wypełnienia wykopów. Wynika to z faktu, iż do obliczeń wprowadzono konkretne wartości parametrów poszczególnych stref materiałowych. Ponadto analizy MES mają charakter przybliżony. Należy zatem traktować prezentowaną analizę jako pewne studium przypadku, na podstawie którego można skomentować tendencje w badanych efektach.

Słowa kluczowe

EN

buried pipeline; lightweight material; backfill material; LBM; numerical analysis

PL

rurociąg podziemny; materiał zasypowy; materiał lekki; LBM; analiza numeryczna

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 4
• Strony: 227--245
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Kliszczewicz Barbara

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4118-7724

Bibliografia

• [1] A. Marston and A.O. Anderson, The theory of loads on pipes in ditches and tests of cement and clay drain tile and sewer pipe. Ames: Iowa State College of Agriculture and Mechanic Arts, 1913. [Online]. Available: https://archive.org/details/TheTheoryOfLoadsOnPipesInDitchesAndTestsOfCementAndClayDrainTile/mode/2up. [Accessed: 17 Jan. 2023].
• [2] M.G. Spangler, “The structural design of flexible pipe culverts”, Bulletin, Iowa Engineering Experiment Station, vol. 153, 1941. [Online]. Available: https://onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/hrbproceedings/17/17Pt1-014.pdf. [Accessed: 05 Jan. 2023].
• [3] A.P. Moser, Buried pipe design. New York: McGraw-Hill, Inc., 1990. [Online]. Available: https://bayanbox.ir/view/4923756468133525307/0070435030.pdf. [Accessed: 15 Jan. 2023].
• [4] L.-E. Janson, Plastic pipes for water supply and sewage disposal, (polish version). Borealis, PRiK, 2010
• [5] F. Calvetti, C. di Prisco, and R. Nova, “Experimental and numerical analysis of soil-pipe interaction”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 130, no. 12, 2004, doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2004)130:12(1292).
• [6] Y. Tian and M. Cassidy, “Modeling of Pipe-Soil Interaction and Its Application in Numerical Simulation”, International Journal of Geomechanics, vol. 8, no. 4, pp. 213-229, 2008, doi: 10.1061/(ASCE)1532-3641(2008)8:4(213).
• [7] B. Kliszczewicz, “Interaction of buried flexible pipelines with soil”, in Underground infrastructure of urban areas 4, C. Madryas, et al., Eds. CRC Press/Taylor & Francis Group, 2018, pp. 71-80.
• [8] M. Magura, “Interaction of buried pipeline with soil under different loading cases”, Slovak Journal of Civil Engineering, vol. 24, no. 3, pp. 29-35, 2016, doi: 10.1515/sjce-2016-0014.
• [9] A. Maglio, “The Use and Role of Lightweight Backfilling Materials in the Installation and Performance of Buried Pipelines/Culverts”, Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, vol. 11, no. 1, 2020, doi: 10.1061/(ASCE)PS.1949-1204.0000432.
• [10] A. Truty, Th. Zimmermann, and K. Podleś, ZSoil.PC 2011. User Manual. Zace Services Ltd., 2011.
• [11] PN-EN 1610:2015-10 Construction and testing of sewage pipes.
• [12] ATV-DVWK-A127P. Static and strength calculations of sewage channels and lines. Seidel-Przywecki Publishing House, 2000.
• [13] A. Kuliczkowski, Sewer pipes. Vol. II. Structural design. Publishing House of the Kielce University of Technology, 2004 (in Polish).
• [14] A. Zukri, R. Nazir, K. Shien Ng, and K. Nisa Mat, “Application of Finite Element Modelling to Lightweight Aggregate (LECA) Column-Raft”, The International Journal of Integrated Engineering, vol. 11, no. 9, pp. 212-223, 2019.
• [15] GREENMAX, “Physical and mechanical property of EPS”. [Online]. Available: https://www.intcorecycling.com/Physical-and-mechanical-property-of-EPS.html. [Accessed: 15 Jan. 2023].
• [16] A.F. Witthoeft and H. Kim, “Numerical investigation of earth pressure reduction on buried pipes using EPS geofoam compressible inclusions”, Geosynthetics International, vol. 23, no. 4, pp. 287-300, 2016, doi: 10.1680/ jgein.15.00054.
• [17] B. Kliszczewicz and M. Kowalska, “Numerical study of the use of Tyre-Derived-Aggregate (TDA) as the backfill above flexible PVC pipeline”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 960, pp. 15-19, 2020, doi: 10.1088/1757-899X/960/3/032044.
• [18] A. Kuliczkowski, Sewer pipes. Vol. I. Structural design. Publishing House of the Kielce University of Technology, 2001 (in Polish).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).