Thermo-mechanical behavior of soil-structure interface under monotonic and cyclic loads in the context of energy geostructures

par Soheib Maghsoodi

Thèse de doctorat en Énergie et mécanique

Sous la direction de Farimah Masrouri et de Olivier Cuisinier.

Le président du jury était Fabrice Emeriault.

Le jury était composé de Farimah Masrouri, Olivier Cuisinier, Hussein Mroueh, Erdin Ibraim, Alice Di Donna.

Les rapporteurs étaient Hussein Mroueh, Erdin Ibraim.

  • Titre traduit

    Comportement thermomécanique de l'interface sol-structure sous des charges monotones et cycliques dans le contexte des géostructures énergétiques


  • Résumé

    L'incorporation d'échangeurs de chaleur dans des géostructures conventionnelles comme les pieux peut extraire la chaleur du sol à des fins de chauffage et l'injecter dans le sol à des fins de refroidissement. Ces dernières années, des recherches ont été menées à l'échelle réelle et en laboratoire pour étudier l'effet de la température sur le comportement géotechnique de ces géostructures énergétiques ainsi que sur le sol environnant. En effet, ces géostructures énergétiques peuvent être soumises à des charges mécaniques cycliques et a des variations thermiques tout au long de leur durée de vie. L'objectif de cette étude était d'approfondir la compréhension du comportement du contact sable/argile-structure sous des charges thermomécaniques complexes. Un dispositif de cisaillement direct à température contrôlée permettant d'effectuer des essais monotones et cycliques à charge normale constante ou à rigidité normale constante a été mis au point. La réponse de l'interface aux effets thermiques sur le comportement mécanique des sols et l'interface sol-structure a été étudiée. Le sable de Fontainebleau et l'argile kaolin ont été utilisés comme substituts pour les sols sableux et argileux. Les résultats ont montré que les variations thermiques appliquées ont un effet négligeable sur la résistance au cisaillement de l'interface entre le sable et la structure du sol. Dans les échantillons d'argile, l'augmentation de la température a augmenté la cohésion et par conséquent la résistance au cisaillement, en raison de la contraction thermique pendant le chauffage. L'adhérence de l'interface argile-structure était inférieure à la cohésion des échantillons d'argile. Pour étudier les effets de la charge mécanique cyclique sur l'interface argile-structure à différentes températures, des essais de cisaillement direct monotone et cyclique à volume équivalent non drainé ont été réalisés sur l'interface argile-argile et argile-structure à différentes températures. Les résultats ont montré que le nombre de cycles jusqu'à la rupture pour l'essai d'interface argile-structure était inférieur à celui du cas argile-argile dans la même gamme de rapports de contraintes de cisaillement cycliques et moyennes. L'augmentation de la température a réduit le taux d'accumulation des contraintes et le nombre de cycles jusqu'à la rupture a été multiplié par 2 ou 3. Le taux de dégradation (paramètre de dégradation, t) a diminué de 16% avec un chauffage de 22 à 60 °C pour les différents rapports de contrainte cyclique testés. Un modèle d'interface sol-structure non isotherme basé sur la théorie de l'état critique a ensuite été développé. Le modèle non isotherme prend en compte l'effet de la température sur le taux de vide de l'interface avant le cisaillement. Le modèle est capable de saisir l'effet de la température sur l'interface sol-structure dans des conditions de charge normale constante et de rigidité normale constante pour les interfaces sableuses et argileuses. Les paramètres supplémentaires ont des significations physiques et peuvent être déterminés à partir d'essais classiques en laboratoire. La formulation est en bon accord avec les résultats expérimentaux et les principales tendances sont correctement reproduites.


  • Résumé

    Incorporation of heat exchangers in conventional geostructures like piles can extract the heat from the soil for heating purposes and inject it to the soil for cooling purposes. In recent years, research has been conducted at full and laboratory scale to investigate the effect of temperature on the geotechnical behavior of these energy geostructures as well as on the surrounding soil. Indeed, these energy geostructures can be subjected to cyclic mechanical loads and thermal variations throughout their lifetime. The aim of this study was to deepen the understanding regarding the behavior of sand/clay-structure contact under complex thermo-mechanical loads. A temperature-controlled direct shear device to perform monotonic and cyclic constant normal load or constant normal stiffness tests was developed. The response of the interface to the thermal effects on the mechanical behaviour of soils and soil-structure interface was investigated. Fontainebleau sand and kaolin clay were used as proxies for sandy and clayey soils. The results showed that the applied thermal variations have a negligible effect on the shear strength of the sand and sand-structure interface. In clay samples the temperature increase, increased the cohesion and consequently the shear strength, due to thermal contraction during heating. The adhesion of the clay-structure interface, was less than the cohesion of the clay samples. To investigate the mechanical cyclic load effects on the clay-structure interface at different temperatures, monotonic and cyclic constant-volume equivalent-undrained direct shear tests were performed on clay-clay and clay-structure interface at different temperatures. The results showed that, the number of cycles to failure for the clay-structure interface test was lower than that for the clay-clay case in the same range of cyclic and average shear stress ratios. Increasing the temperature, decreased the rate of strain accumulation and the number of cycles to failure increased by 2-3 times. The rate of degradation (degradation parameter, t) decreased by 16% with heating from 22 to 60oC for the different cyclic stress ratios tested. A non-isothermal soil-structure interface model based on critical state theory was then developed. The non-isothermal model takes into account the effect of temperature on the void ratio of interface prior to shearing. The model is capable to capture the effect of temperature on soil-structure interface under constant normal load and constant normal stiffness conditions for both sandy and clayey interfaces. The additional parameters have physical meanings and can be determined from classical laboratory tests. The formulation is in good agreement with the experimental results and the main trends are properly reproduced.


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