Παθητική σταθεροποίηση υπόγειων αγωγών έναντι επίπλευσης λόγω σεισμικής ρευστοποίησης

Κυμπούρη, Μαντώ; Kympouri, Manto

dc.contributor.author	Κυμπούρη, Μαντώ	el
dc.contributor.author	Kympouri, Manto	en
dc.date.accessioned	2018-09-06T09:56:39Z
dc.date.available	2018-09-06T09:56:39Z
dc.date.issued	2018-09-06
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47536
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15738
dc.rights	Default License
dc.subject	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Παθητική σταθεροποίηση	el
dc.subject	Υπόγειοι αγωγοί	el
dc.subject	Ανύψωση	el
dc.subject	Κολλοειδής πυριτία	el
dc.subject	Liquefaction	en
dc.subject	Passive stabilization	el
dc.subject	Buried pipelines	el
dc.subject	Uplift	el
dc.subject	Colloidal silica	el
dc.title	Παθητική σταθεροποίηση υπόγειων αγωγών έναντι επίπλευσης λόγω σεισμικής ρευστοποίησης	el
dc.title	Passive stabilization of buried pipelines against uplift due to seismic liquefaction	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Γεωτεχνική μηχανική	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/cb16f7de16f322f2114874eda44f02fe72165c84
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-07-18
heal.abstract	Οι υπόγειοι αγωγοί αντιμετωπίζουν το φαινόμενο της ανύψωσης, και πιθανώς επίπλευσης, εξαιτίας ρευστοποίησης του περιβάλλοντος εδάφους κατά τη διάρκεια έντονων σεισμικών διεγέρσεων. O κίνδυνος αυτός αφορά εγκιβωτισμό αγωγών σε κορεσμένα, χαλαρά μη συνεκτικά εδάφη για τα οποία ελλοχεύει ο κίνδυνος σεισμικής ρευστοποίησης. Ειδικά για την αποφυγή ανύψωσης λόγω ρευστοποίησης σε υφιστάμενους υπόγειους αγωγούς, ενδείκνυται η εκσκαφή και επανεπίχωση με μη-ρευστοποιήσιμα υλικά, ή η τοποθέτηση σταθεροποιητικών κατασκευών, στραγγιστηρίων, ή αγκυρώσεων. Μια εναλλακτική μέθοδος αποφυγής της ανύψωσης για υφιστάμενους αγωγούς αποτελεί η παθητική σταθεροποίηση του εδάφους γύρω από τον αγωγό με εισπίεση κολλοειδούς πυριτίας, η χρήση της οποίας για το σκοπό αυτό έχει διερευνηθεί από τους Towhata et al. (2013). Το βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η ταχεία εφαρμογή χωρίς απαίτηση εκσκαφής, ή διακοπή λειτουργίας του αγωγού. Έτσι, στην εργασία αυτή έγινε αριθμητική διερεύνηση της παθητικής σταθεροποίησης ως μεθόδου αποφυγής της ανύψωσης, και βελτιστοποίηση της αναγκαίας ποσότητας κολλοειδούς πυριτίας χάριν μείωσης κόστους, με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων διαφορών (FLAC). Η ανάλυση έγινε ευχερώς με χρήση του υπάρχοντος καταστατικού προσομοιώματος για άμμους NTUA-Sand (Andrianopoulos et al. 2010a, b). Ως πρώτο βήμα, διερευνήθηκε η αξιοπιστία της αριθμητικής μεθοδολογίας μέσω σύγκρισης με το δυναμικό πρόβλημα φυγοκεντριστή των Chian et al. (2014) που αφορά σε υπόγειο αγωγό σε ρευστοποιήσιμο έδαφος μεγάλης έκτασης, και υπέδειξε ικανοποιητική ακρίβεια πρόβλεψης των πειραματικών αποτελεσμάτων. Επιπλέον, η βαθμονομημένη αριθμητική μεθοδολογία έδειξε ότι ένας υπόγειος αγωγός σε καθεστώς ρευστοποίησης ανυψώνεται μόνο κατά τη διάρκεια της δόνησης, με το μέγεθος της τελικής ανύψωσης να αυξάνει με τη διάμετρο του αγωγού, τη διάρκεια, την ένταση και την περίοδο της διέγερσης, ενώ μειώνεται με το βάθος εγκιβωτισμού του σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία (π.χ. Marinatou et al. 2017). Επιπλέον υποδείχθηκε ότι για μικρά βάθη εγκιβωτισμού, η περιοχή πάνω από τον αγωγό δε ρευστοποιείται αλλά εμφανίζει μικρές υπερπιέσεις πόρων. Η προσομοίωση της ύπαρξης της κολλοειδούς πυριτίας στο υγρό πόρων έγινε με απομείωση του μέτρου συμπιεστότητάς του (Andrianopoulos et al. 2016, Αγαπουλάκη 2017) σε συζευγμένες δυναμικές αναλύσεις. Οι αριθμητικές αναλύσεις επιβεβαίωσαν ότι η παθητική σταθεροποίηση του εδάφους με χρήση κολλοειδούς πυριτίας βοηθάει στη μείωση της ανύψωσης του αγωγού υπό σεισμική διέγερση, καθώς μειώνονται οι υπερπιέσεις των πόρων στη γειτονιά του αγωγού. Βρέθηκε επίσης ότι η εφαρμογή της παθητικής σταθεροποίησης είναι αποτελεσματική όταν εφαρμόζεται σε περιοχές με υψηλές τιμές λόγου υδατικών υπερπιέσεων, και συγκεκριμένα όταν ru > 0.5. Συνεπώς, καθώς οι υπερπιέσεις πόρων που αναπτύσσονται πάνω από τον αγωγό είναι σημαντικά μικρότερες, η ανάγκη για σταθεροποίηση του εδάφους εμφανίζεται κυρίως πλευρικά και κάτω από τον αγωγό, σε αδρή συμφωνία με τα πειράματα του Towhata et al. (2013). Παραμετρικές αριθμητικές αναλύσεις υπέδειξαν ότι θεωρώντας τη σταθεροποιημένη περιοχή ένα ορθογώνιο με ύψος L και πλάτος Β, προκύπτει ανάγκη σχετικά μεγάλου εμβαδού Α ( = 6.8 Ααγωγού, όπου Ααγωγού το εμβαδό της διατομής του αγωγού) ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή απομείωση της ανύψωσης (που προκύπτει για σταθεροποίηση όλου του εδάφους). Ειδικότερα βρέθηκε ότι για αγωγούς με σχετικά μικρό λόγο εγκιβωτισμού, καθοριστικό ρόλο παίζει το πλάτος Β, διότι διευρύνει την περιοχή των χαμηλών υπερπιέσεων πάνω από τον αγωγό, η οποία δρα σταθεροποιητικά γι’ αυτόν. Σε κάθε περίπτωση, η ύπαρξη ύψους L περίπου ίσο με τη διάμετρο D του αγωγού (έτσι ώστε να τον καλύπτει πλευρικά) κρίνεται αναγκαία για την αποτελεσματική απομείωση της ανύψωσης. Οι αναλύσεις υπέδειξαν επίσης ότι η μέθοδος παθητικής σταθεροποίησης γίνεται συγκριτικά πιο αποτελεσματική όταν μικραίνει η αναμενόμενη ανύψωση σε καθεστώς ρευστοποίησης, π.χ. για μικρούς ή βαθιά εγκιβωτισμένους αγωγούς, ή για μικρής έντασης διεγέρσεις. Αυτό το συμπέρασμα σχετίζεται και με τον τρόπο που προσομοιώνεται αριθμητικά η παθητική σταθεροποίηση, και όχι με την ίδια τη μέθοδο της παθητικής σταθεροποίησης που διαφαίνεται ποσοτικά πιο αποτελεσματική στα πειράματα (π.χ. Towhata et al. 2013) απ’ ότι στις αριθμητικές αναλύσεις. Αυτό υποδεικνύει και ένα περιορισμό της παρούσας εργασίας, δηλαδή ότι οι αναλύσεις δεν έγιναν με εξειδικευμένο καταστατικό προσομοίωμα για σταθεροποιημένες άμμους, καθώς δεν υφίσταται κάποιο τέτοιο στη βιβλιογραφία. Άλλος περιορισμός είναι ότι οι αναλύσεις είχαν ως αφετηρία το δυναμικό πείραμα φυγοκεντριστή των Chian et al. (2014), και αφορούσαν μεγάλης διαμέτρου αγωγό και μεγαλο-περίοδη αρμονική διέγερση σε ένα ευρύ και βαθύ έδαφος (χωρίς τάφρο). Συνεπώς, τα συμπεράσματα που προέκυψαν θα πρέπει να επαληθευτούν για πιο συνήθεις αγωγούς, που υποβάλλονται σε ρεαλιστικές σεισμικές διεγέρσεις και βρίσκονται εγκιβωτισμένοι σε τάφρους. Σε κάθε περίπτωση, αναμένονται αποκλειστικά ποσοτικές και όχι ποιοτικές αλλαγές στα βασικά συμπεράσματα της εργασίας.	el
heal.abstract	Buried pipelines face the hazard of uplift – and possibly floatation – due to soil liquefaction during strong seismic excitation. This hazard concerns pipelines embedded into saturated, loose non-cohesive soils, which are vulnerable to liquefaction. Particularly for the mitigation of liquefaction-induced uplift of existing pipelines, measures such as excavation and backfilling with non-liquefiable materials, installation of stabilizing structures or anchorage are usually prescribed. An alternative method for mitigating uplift of existing pipelines is the passive stabilization with colloidal silica of the soil surrounding the pipeline, an alternative that has been examined experimentally in the literature by Towhata et al. (2013). The major advantage of this method is its quick application without need of backfill excavation or stopping the pipeline operation. For this purpose, this thesis presents a numerical investigation of passive stabilization against pipeline uplift and the optimization of the necessary amount of colloidal silica for reasons of cost reduction. The investigation was executed via the finite difference method (FLAC) and by employing the existing constitutive model for sands NTUA-SAND (Andrianopoulos et al. 2010a, b). Firstly, the reliability of the numerical methodology was investigated by comparing its results with the dynamic centrifuge test by Chian et al. (2014), an experiment related to a buried pipeline in liquefiable soil under seismic shaking, and satisfactory simulation of the experimental results was obtained. The parametric use of the calibrated numerical methodology indicated that a buried pipeline in liquefiable soil uplifts only during the seismic shaking. It also showed that uplift displacement seems to increase with pipe diameter, as well as with the duration, the intensity and the period of the seismic excitation, while it decreases with an increase of the embedment ratio, all in accordance with the literature (e.g. Marinatou et al. 2017). In addition, the analyses showed that for shallow embedment the area above the pipe does not liquefy but develops small excess pore pressures. The simulation of colloidal silica in the sand pores is implemented via a decrease of the fluid bulk modulus when performing coupled dynamic analyses (Andrianopoulos et al. 2016, Agapoulaki 2017). Such numerical analyses verified that passive stabilization using colloidal silica in the area of the pipe reduces its uplift displacement under seismic excitation, since the excess pore pressures in the region of the pipe is reduced. It was also found that the application of passive stabilization is efficient only at locations where the excess pore pressure ratio is quite high, i.e. when ru > 0.5. Consequently, given that excess pore pressures in the region above the pipe are rather small, the need for stabilization occurs mostly at the sides and below the pipe, in general accordance with the experimental findings of Towhata et al. (2013). Parametric numerical analyses indicated that if the stabilized area is considered as a rectangular of height L and width B, a large value of area A (= 6.8Apipe, where Apipe stands for the area of the pipe) is required in order to achieve the maximum possible uplift reduction (which appears when all the liquefiable soil is stabilized). More specifically, it was found that for buried pipelines with a relatively low embedment ratio, it is useful to have a large width B of the stabilized region, since in this way the region of low excess pore pressures above the pipe becomes wider, thus further resisting the uplift. In any case, setting the height L of the stabilized region almost equal to the pipe diameter (so that the pipe is covered at its sides) is considered to necessary for an efficient uplift reduction. Furthermore, the analyses showed that the method of passive stabilization is comparatively more efficient when the expected uplift due to liquefied soil is lower, e.g. for smaller or deeply embedded pipelines, or excitations of small intensity. This conclusion is related to the manner by which passive stabilization is simulated herein, since it seems to underestimate the effectiveness of the method in comparison to the experiments (e.g. Towhata et al. 2013). This also indicates a limitation of this thesis, i.e. that the analyses were not conducted via a dedicated constitutive model for stabilized sands since such model does not exist in literature so far. Another limitation of the thesis is that the performed analyses were based on the centrifuge test by Chian et al. (2014), that referred to a pipe of large diameter that was embedded in a wide and deep liquefiable layer (without trench) and underwent a large period harmonic excitation. As a consequence, the foregoing conclusions should also be verified for smaller diameter pipelines embedded in trenches filled with liquefiable soil, undergoing more realistic seismic excitations. However, it is believed that in such cases the differences in the conclusion will only be only quantitative and not qualitative.	en
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Γερόλυμος, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	97 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true