The use of geosynthetics for the protection of pressurised buried pipes

Nas últimas décadas, o uso dos materiais geossintéticos como reforço das obras geotécnicas tem aumentado muito, ampliando os âmbitos de suas aplicações. Essa técnica apresenta grande potencial para uso em obras de segurança e minimizar os problemas de conservação do meio ambiente. Também, a procura de energia mais econômica e menos contaminante ao meio ambiente esta impulsionando a exploração de gás natural. O transporte desse combustível pode ser feito por gasodutos que são sistemas interessantes pelas suas vantagens de rapidez, quantidade massiva de transporte e economia. Porém, estas estruturas apresentam situações de acidentes (vazamentos e explosões), os mesmos são perigosos principalmente quando ocorrem em regiões povoadas ou que requeiram cuidados especiais, podendo apresentar conseqüências fatais, perdas materiais ou contaminar o meio ambiente. O presente trabalho estudou a aplicação de geossintéticos como elemento de reforço em aterros para proteção de tubulações pressurizadas enterradas de gasodutos visando minimizar os efeitos de uma explosão. Para o estudo foram implementados dois tipos de ensaios idealizando as seqüências do mecanismo de explosão de uma tubulação pressurizada enterrada. Assim, o ensaio de expansão de cavidade simulou a condição de expansão de gás na explosão de uma tubulação de modo a se observar os seus efeitos no solo circundante (deslocamentos e mecanismos de ruptura). Já, o ensaio de vazamento em uma tubulação com ranhura de enfraquecimento simulou a condição de estouro da tubulação pressurizada para observar as suas conseqüências sobre o solo circundante (lançamento do solo, formação de cratera e deformação do talude). Em ambos os casos de simulação as metodologias procuraram adaptar o problema a condições de deformação plana, em caixa de ensaios de face transparente para observação dos mecanismos de interação do solo e da tubulação com os reforços. Os reforços utilizados foram: geotêxteis tecidos, geogrelha e papel alumínio. Os reforços apresentaram diversos arranjos (camada, u-invertido e envelopado). Nos ensaios de expansão de cavidade os aterros tiveram superfície horizontal ou seções transversais trapezoidais com taludes 2H:1V. Diversas combinações de arranjos de reforços, tipos de reforços e tipos de aterros foram estudadas. Também se estudou a variação da profundidade do posicionamento de cavidade de expansão. Os ensaios de vazamento em tubulação enfraquecida foram realizados variando-se tipos de arranjos de reforços, tipos de reforços (em alguns casos com adição de filme e brita) em aterros trapezoidais. Os resultados de ensaios de expansão de cavidade mostraram que a inclusão de reforço em aterros como proteção de tubulações pressurizadas diminuiu os efeitos de explosões no solo circundante e aumentou a resistência à expansão em comparação com o comportamento de aterros não reforçados. O geotêxtil tecido em arranjo envelopado foi o que apresentou melhor desempenho. Foi observado que a resistência à expansão imposta pelos reforços depende de suas características de rigidez, textura e geometria. Os resultados da simulação de vazamentos em tubulações enfraquecidas mostraram que, a inclusão de reforço em aterros de proteção de tubulações pressurizadas diminuiu os efeitos no solo circundante apresentando menor altura de lançamento do solo, menor quantidade de nuvem de solo, menor tamanho de cratera e menor expansão do aterro em comparação com a situação sem reforço. O arranjo envelopado com geotêxtil tecido e filme de PVC e o arranjo envelopado com geogrelha e brita foram os de melhor desempenho. Em geral, os resultados de ensaios em modelos físicos em escala reduzida sugerem que as inclusões de reforços em aterros de proteção de tubulações pressurizadas podem diminuir substancialmente as conseqüências de explosões. _________________________________________________________________________________ ABSTRACTThe use of geosynthetic materials as reinforcement has increased markedly during the last decades, as well as their fields of application. The soil reinforcement technique presents great potentials for safety works and environmental protection. The pursuit of more economical and less pollutant energy forms has increased the exploitation of natural gas. Gas transportation can be made by pipelines, which are advantageous structures due to the speed of gas transportation, amount of mass transported and economy. However, this type of structure can be subjected to accidents (leakages or explosions), which are serious events when occurring in urban or industrial areas, and may yield to material and human lives losses, as well as damages to the environment. This thesis studied the use of geosynthetics as reinforcements in fills for the protection of buried pressurised pipes aiming the minimisation of the consequences of an explosion. Two types of tests were carried out. The cavity expansion test aimed to simulate the conditions of gas expansion in the soil resulting from the collapse of the pipe and to investigate the effects on the surrounding soil (displacements and failure mechanisms). The leakage test through a weakness in the pipe aimed to investigate the effects of such mechanism on the soil (soil movement, crater formation and fill deformation). In both types of tests plane strain deformation conditions were assumed and the tests were carried out in a rigid box with a transparent frontal face to allow the observation of interaction mechanisms between soil, pipe and reinforcement. The reinforcements used were woven geotextiles, a geogrid and aluminium foil. Different types of reinforcement arrangements were tested (individual reinforcement layer, inverted U and enveloped arrangement). In the cavity expansion tests the fills had horizontal surfaces or were built with a trapezoidal shape with 2:1 slopes. Different combinations of reinforcement arrangements, reinforcement types and fill types were investigated. The influence of the depth of the cavity was also studied. The leakage tests were carried out varying the reinforcement arrangement and the type of reinforcement (sometimes with the addition of PVC films or gravel) in trapezoidal fills. The cavity expansion test results showed that the use of reinforcement reduced the effects of pipe explosion on the surrounding soil and increased the fill resistance against cavity expansion in comparison with the results obtained for unreinforced fills. The enveloped arrangement with woven geotextile was the one presenting the best performance. The effectiveness of the reinforcement depended on its tensile stiffness, roughness and geometry. The leakage test results showed the beneficial effects of the presence of reinforcement regarding lower distances reached by the soil particles launched by the air blast, smaller crater and less fill deformation in comparison to the situation without reinforcement. The enveloped arrangements using woven geotextile and geogrid were the ones presenting the best performances. In general, the model studies showed that the use of geosynthetic reinforcement for the protection of buried pipes can significantly reduce the consequences of pipe explosion or leakage