Geotechnical aspects of foundation energy piles
Aspects géotechniques des pieux de fondation énergétiques
Résumé
Energy pile efficiency has been tested and validated by numerous studies from environmental and energy-related points of view until now. Nevertheless, energy pile technology is still more or less unknown and rarely applied in construction, especially in France compared to other European countries. The chief reason for this lack of attention might be the limited knowledge of the impact of the coupled thermo-mechanical loading on the behaviour of the pile and that of the surrounding soil. This thesis aims to study the geotechnical aspects of energy piles through physical modelling and some numerical investigations. A physical model is developed in order to better identify the soil/pile interaction under thermo-mechanical loading. The model is made up of a small pile equiped with a heat exchanger loop embedded in compacted soil. The pile was once installed in dry sand and then in saturated clay; it was then loaded mechanically and was subjected to thermal cycles. The effect of mechanical load value, number of thermal cycles and soil type is studied. The results show the appearance of irreversible settlements during thermal cycles, whose quantity increases as the pile head load increases. Total pressure in the soil close to the pile surface does not change by cooling and heating, while total pressure below the pile increases gradually as thermal cycles proceed. This is in accordance with the permanent downward movement of the pile within thermal cycles. Experiments also show the evolution of axial force profiles with temperature, axial force in the pile increases by cooling and decreases by heating. In another part of the experimental work, we focused on the soil/pile interface. The shear behaviour of the soil (the same as the soils used above) and that of the soil/concrete interface was evaluated at different temperatures. To do this, a conventional shear apparatus was equipped with a temperature control system. Soil (and soil/concrete interface) was subjected to a rather low range of stress. Thermal consolidation was performed according to a special protocol. It was observed that the soil friction angle and cohesion do not change considerably relative to temperature. The numerical study was initiated by simulating existing tests in the literature on energy piles through a finite element code well-known to engineers, applying a simplified method. The thermal load was simulated by imposing volumetric strains calculated from the coefficient of thermal expansion of the material on the pile. The method successfully simulates the behaviour of some full-scale energy piles in terms of axial strain and pile head displacement. The results highlight the important role played by the pile thermal volume change on the mechanical behaviour of the energy pile under various thermo-mechanical loadings. In the second stage, another numerical code with the possibility of including temperature effects was used for modelling the tests formerly performed on the physical model. Thus, compared to the first numerical attempts, the soil thermal volume change is also taken into account. The numerical results were compared with the experimental ones obtained from physical modelling. It was deduced that the numerical model could simulate correctly the pile behaviour under purely mechanical loading. Also, simulating thermo-mechanical tests, a good estimation of heat conduction in the soil was achieved numerically. Regarding the mechanical behaviour of the pile under thermal cycles, the numerical model adequately predicts the gradual ratcheting of the pile as observed in the experiments. However in terms of axial force distribution in the pile, the results from numerical modelling are different from the physical one
L'efficacité de pieux géothermiques (e.g. énergétiques) a été examinée et validée par de nombreuses études à partir de points de vue environnemental et énergétique jusqu'à présent. Néanmoins, la technologie des pieux géothermiques est encore peu connue et rarement appliquée dans la construction, notamment en France comparée à d'autres pays européens. La raison principale du manque d'attention peut être la connaissance limitée sur les impacts du chargement thermomécanique sur le comportement du pieu et celui du sol environnant. Cette thèse vise à étudier les aspects géotechniques des pieux géothermiques grâce aux modélisations physiques et numériques. Un modèle physique est développé afin de mieux connaitre l'interaction sol/pieu sous chargement thermomécanique. Le modèle est composé d'un pieu énergétique équipé des tubes d'échangeur de chaleur, installé dans un sol compacté. Le pieu a d'abord été installé dans un sable sec, puis dans une argile saturée ; il a ensuite été chargé mécaniquement et soumis à des cycles thermiques. L'effet de la charge mécanique, du nombre de cycles thermiques et du type de sol a été étudié. Les résultats montrent la génération de tassements irréversibles au cours des cycles thermiques, dont la quantité augmente avec l'augmentation de la charge en têtes du pieu. La pression totale dans le sol à proximité de la surface du pieu ne change pas par refroidissement et chauffage, tandis que la pression totale au-dessous du pieu augmente progressivement à mesure que les cycles thermiques poursuivent. Les expériences montrent aussi l'évolution des profils de la force axiale avec la température ; la force axiale dans le pieu augmente pendant le refroidissement et diminue pendant l'échauffement. Les comportements au cisaillement du sol (mêmes sols que ceux utilisés dans la première partie) ainsi que de l'interface sol/béton ont été évalués à différentes températures. Pour ce faire, un appareil de cisaillement conventionnel a été équipé d'un système de contrôle de température. Le sol (et l'interface sol/béton) a été soumis à une gamme de contraintes relativement faibles. La consolidation thermique a été effectuée selon un protocole particulier. Il a été observé que l'angle de frottement et la cohésion de matériaux utilisés ne changent pas sensiblement avec température. L'étude numérique a débuté par la simulation d'essais existants dans la littérature sur des pieux énergétiques en appliquant une méthode simplifiée via un code de calcul basé sur la méthode des éléments finis et assez répandu dans la profession. Le changement de la température est simulé en imposant au pieu des déformations volumétriques calculées à partir du coefficient de dilatation thermique du matériau. La méthode prédit correctement le comportement de certains pieux énergétiques à grande échelle en termes de contrainte axiale et de déplacement en tête du pieu. Les résultats mettent en évidence le rôle important joué par le changement de volume du pieu induit par les variations thermiques sur son comportement mécanique. Dans un second temps, un autre code de calcul offrant la possibilité d'inclure les effets thermique a été utilisé pour la modélisation des essais effectués auparavant sur le modèle physique. Ainsi, en comparant aux modélisations numériques précédemment expliquées, le changement de volume du sol induit par les variations de température est également pris en compte. Les résultats numériques et expérimentaux sont ainsi comparés. On en déduit que le modèle numérique est capable de prédire le comportement des pieux sous chargement purement mécanique. En outre, en simulant des essais thermomécaniques, une bonne estimation du transfert thermique dans le sol est obtenue. En ce qui concerne le comportement mécanique du pieu au cours de cycles thermiques, le modèle numérique prédit bien le tassement progressif du pieu. Cependant, en termes de répartition de la force axiale, on obtient des résultats contradictoires
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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