The experimental study of buried onshore pipelines seismic-liquefaction induced vertical displacement in shaking table tests and its remedial measures

Liquefaction of soil deposit can impose deformations on the structures interacting with it with consequent damages. In the design of lifelines, it is not always possible to avoid areas with high seismicity in which the liquefaction hazard is consistent, due to the very long route of these infrastructures and the necessity to provide essential services in different areas. Specifically, pipeline systems provide a medium of transportation for fluids which could vary from crude oil or natural gas to water or sewage fluids. Their construction is challenging due to natural hazards that might cause loss of functionality and possible danger to the environment. The loss of soil shear strength can produce permanent ground deformation which can lead to lateral movements, flotation or subsidence of buried pipeline in case of liquefaction. Uplift of underground structures might also occur, mostly in case of very light structures which could be the pipelines transporting natural gas. Numerous cases of uplift of buried pipelines have been observed over years for example during the 2004 Niigata Earthquake, the 2011 Tohoku Earthquake, 1993 Kushiro-Oki Earthquake and 1994 Hokkaido-Toho-Oki Earthquake. In addition, the 2010-2011 Christchurch Earthquake sequence induced liquefaction on a vast area and massive damage to buried infrastructure has been accounted for. Kobe Earthquake in 1995 caused extensive gas leakage from buried pipelines with subsequent fires ignition. Conventional methods to prevent liquefaction have been widely used worldwide and are enough consolidated in terms of implementation and results but their effectiveness in the mitigation of liquefaction for buried pipelines is less known. Different solutions have been investigated over years to assess this problem and recently new techniques are developing to satisfy engineering economy, environmental impact, technical performances and durability criteria. For the specific problem of pipelines, various aspects need to be considered such as different soils characteristics for the length of the pipeline track, time for the solution to start being effective on site, life of the solution when compared with the design life of the pipe, amounts and costs of the materials and simplicity of realization. Overall new technologies and new materials seem to have satisfactory results promising for future applications but there are not yet solutions which can be considered as a standard. To assess this specific problem, accounting for all the above-mentioned factors, this research work wants to investigate alternative solutions for the specific problem of seismic-liquefaction induced uplift of onshore gas buried pipelines. The research is conducted by means of 1-g shaking table tests in a model scale of 1:10 performed in the geotechnical laboratory of the University of Tokyo. This thesis presents the results of eleven shaking table tests, executed in two different time periods, with reference to the transversal cross-section of the pipe embedded in a homogenous medium-dense sandy soil deposit by applying series of input motion. Some of the tests deal with the quantification of the vertical displacement by changing the pipe apparent unit weight and the remaining tests study the effectiveness of new remedial measures to increase the stability of the system. Drain pipes, gravel bags, and geogrids are used as testing countermeasures and the experimental results will be presented in the thesis. A gravel bag installed above the pipeline has been proven effective in mitigating the uplift. This represents an innovative protection system with low-cost technology and easiness of realization and installation in every kind of soil condition and which can be used with the support of the additional benefit of drainage systems not accounted for in this research. Please note that this thesis does not provide considerations on the longitudinal development of the pipelines, which would have required specific studies.

Il fenomeno di liquefazione sismo-indotta dei terreni può causare danni rilevanti alle strutture interrate. Nella progettazione di tubazioni interrate non è sempre possibile evitare le zone ad elevata sismicità con un alto rischio di liquefazione. Questo aspetto è evidente se si pensa alla lunghezza dei tracciati e all’estensione sul territorio, legata alla necessità di garantire l’approvvigionamento di servizi essenziali in maniera diffusa. Nello specifico, le tubazioni costituiscono un mezzo di trasporto per fluidi di varia natura, dal petrolio greggio al gas naturale, dall’acqua alle acque reflue. La progettazione di queste strutture è complessa e necessita di tenere debitamente in conto i rischi naturali e le relative conseguenze. Tra le diverse manifestazioni associate al fenomeno, in caso di tubazioni leggere quali ad esempio le tubazioni per il trasporto di gas naturale, può verificarsi una risalita del tubo. Casi di risalita di tubazioni interrate si sono avuti ad esempio in occasione del terremoto di Kushiro-Oki nel 1993, del terremoto di Hokkaido-Toho-Oki nel 1994, del terremoto di Niigata nel 2004 o del terremoto di Tohoku nel 2011. Manifestazioni di liquefazione con conseguenti danni alle infrastrutture interrate si sono avuti durante la sequenza sismica di Christchurch del 2010-2011, inoltre, ingenti perdite di gas da tubazioni interrate con conseguente innesco e propagazione di incendi si sono osservati con il terremoto di Kobe nel 1995. Le metodologie tradizionali per contrastare gli effetti del fenomeno di liquefazione sono state ampiamente utilizzate e sono sufficientemente consolidate in termini di implementazione e risultati. Tuttavia, la loro efficacia nella mitigazione della liquefazione per i problemi specifici legati alle condotte interrate non è altrettanto consolidata. In linea generale, le tecnologie e i materiali attualmente in fase di studio sembrano fornire risultati promettenti per applicazioni future ma non esistono ancora, ad oggi, soluzioni standardizzate. Nella proposta di opportune metodologie di mitigazione che facciano fronte al problema della risalita, bisogna considerare diversi fattori quali, ad esempio, la variabilità delle caratteristiche dei terreni attraversati, il tempo necessario alla soluzione adottata per diventare efficace in sito, nonché la sua durabilità in rapporto alla vita nominale dell’opera, quantità e costo dei materiali e semplicità di realizzazione e installazione. Questa attività di ricerca si pone l’obiettivo di esplorare soluzioni alternative per il problema specifico di risalita delle condotte interrate che si verifica in caso di liquefazione sismo-indotta. La ricerca è stata sviluppata presso il laboratorio di geotecnica dell’Università di Tokyo, mediante prova su tavola vibrante effettuate su modelli in scala 1:10. Questa tesi illustra i risultati di undici prove, eseguite durante due periodi distinti di permanenza all’estero. Le prove sono incentrate sullo studio del comportamento della sezione trasversale del tubo, in un deposito di terreno sabbioso mediamente addensato, all’applicazione di una serie di storie temporali sinusoidali di accelerazione. Alcune delle prove sono basate sulla quantificazione dello spostamento verticale del tubo in relazione al diverso peso apparente, le restanti prove mirano invece allo studio delle metodologie di mitigazione per la stabilità del sistema. Tubi drenanti, sacco di ghiaia e geogriglie sono stati utilizzati come metodologie di mitigazione durante la sperimentazione. Un sacco di ghiaia disposto al di sopra della tubazione è risultato soddisfacente nella mitigazione della risalita. Questo sistema rappresenta una soluzione alternativa a basso costo e semplicità di realizzazione e posa in opera, indipendentemente dalle caratteristiche del terreno del sito specifico e che può essere utilizzata con l’ulteriore beneficio di un eventuale drenaggio dell’acqua grazie alle caratteristiche di permeabilità dei materiali ghiaiosi.