Effet des variations de température et du degré de saturation sur le comportement THM des sols : application aux géostructures énergétiques

par Angela Casarella

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Benjamin Loret et de Alice Di donna.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques (laboratoire) depuis le 30-09-2018 .


  • Résumé

    La technologie Les geostructures énergétiques sont des structures en contact avec le sol, comme les fondations, les parois moulées ou les revêtements des tunnels, ayant le double rôle de support structurel et d'échangeurs de chaleur avec le terrain, selon les principes de la géothermie à basse enthalpie [5]. Un fluide caloporteur circule à l'intérieur d'un circuit de tuyaux installé dans la structure et connecté à une pompe à chaleur, qui adapte la température en provenance du sol à celle nécessaire pour satisfaire les besoins énergétiques locaux. Avec ce système, la chaleur peut être extraite du sol pendant l'hiver pour chauffer les bâtiments limitrophes et réinjectée pendant l'été pour les refroidir (plus de détail dans la section Contexte). Toute structure en contact avec le sol peut a priori être utilisée comme échangeur de chaleur : son efficacité énergétique dépendra des conditions locales souterraines [6] et des besoins spécifiques. En particulier, la présence d'eau dans le sol, et surtout d'un écoulement souterrain, favorise l'échange de chaleur et l'utilisation en « mode simple » (uniquement en été ou uniquement en hiver) grâce au fait que le sol se recharge thermiquement de façon automatique. Un écoulement trop important rend impossible le stockage saisonnier de chaleur dans le sol, qui est parfois envisagé en fonctionnement en « mode double » (en été et en hiver). Quand le stockage de chaleur dans le sol est possible (absence d'écoulement), la possibilité de coupler cette technologie avec des panneaux solaires est aujourd'hui de plus en plus considérée [7] car elle pourrait mener à d'importantes améliorations en termes d'efficacité énergétique. Cependant, cette extension reste une technologie encore partialement connue et en phase de développement. Les fondations profondes ont été la première application de cette technologie, des nombreuses études ont été développées pour comprendre leur comportement et elles sont aujourd'hui largement les plus utilisées [8]. Néanmoins, l'idée d'utiliser les parois moulées et les voussoirs de renforcement des tunnels pour échanger de la chaleur avec le sol se diffuse de plus en plus [9–12], avec la possibilité de les coupler avec des panneaux solaires pour en améliorer l'efficacité thermique [7]. Les fondations superficielles ont été les moins employées jusqu'à présent, probablement parce que leur efficacité énergétique serait réduite à cause de la profondeur limitée (sol non saturé) et de l'influence de la variation de température externe, malgré le fait qu'elle devrait être similaire à celle des sondes géothermiques horizontales classiques. Pour cette raison ce projet de recherche se déroulera autour de la possibilité d'utiliser les fondations superficielles comme échangeurs et systèmes de stockage de chaleur dans le sol. Les enjeux géotechniques Techniquement les fondations énergétiques sont des structures qui appliquent une charge mécanique et thermique sur le sol dans lequel elles sont installées. Pour que le système soit rentable, la réponse du sol à cette sollicitation doit garantir d'un côté la stabilité structurelle de l'ouvrage et de l'autre côté son efficacité énergétique. Le comportement du sol soumis à une charge thermomécanique est déterminé par sa nature de milieu poreux partiellement ou totalement saturé. La caractérisation du comportement multi physique couplé des sols soumis à des variations de température et du degré de saturation typiques des géostructures énergétiques est donc importante pour en optimiser la performance. La charge thermique que l'utilisation des fondations comme échangeurs de chaleur impose au sol est cyclique avec des cycles (journaliers et saisonniers) généralement compris, pour les applications courantes, entre 0 et 30 ⁰C. Néanmoins, la possibilité d'utiliser les geostructures énergétiques comme systèmes de stockage de chaleur pourrait engendrer des variations de température plus importantes par rapport aux applications classiques. En outre, la plupart des géostructures énergétiques, notamment les fondations, interagit (au moins partiellement) avec la couche superficielle de sol non saturée, c'est-à-dire la partie qui se trouve en dessus de la nappe phréatique où la pression d'eau interstitielle est négative (succion). Cette zone est notamment caractérisée par une rigidité et une résistance supérieures à celles du sol saturé en dessous de la nappe phréatique, mais son comportement mécanique est influencé par l'interaction avec l'atmosphère (pluie, évapotranspiration, ...). Dans la pratique, la nature non saturée des sols de la couche superficielle est négligée par les ingénieurs, soit en faisant l'hypothèse que le sol est complètement saturé, soit en considérant une pression d'eau interstitielle égale à zéro. Cependant, l'importance de comprendre et maîtriser le comportement des sols non saturés est de plus en plus reconnue, surtout en vue des besoins économiques et environnementaux, qui visent à limiter le surdimensionnement des ouvrages en prenant en compte le renforcement naturel du sol dû aux pressions d'eau négatives [13]. Ce projet de recherche se déroulera autour de la possibilité d'utiliser les géostructures superficielles comme échangeurs et systèmes de stockage de chaleur dans le sol. Les enjeux liés à cette thématique seront abordés avec une approche principalement expérimentale supportée par des analyses numériques. L'étude sera concentrée davantage, mais pas uniquement, sur les aspects géotechniques. Plus précisément, le projet vise à trouver une réponse aux deux questions scientifiques suivantes :  Quel est l'effet des cycles thermiques sur le comportement hydraulique des sols ? Est-ce que l'augmentation de température engendre une augmentation des pressions interstitielles ? Y-a-t-il un effet sur la courbe de rétention et sur les phénomènes de transport à l'échelle des pores? Quelles sont les conséquences en termes d'échange thermique et possibilité de stockage de chaleur ?  Quels sont les effets des cycles thermiques sur le comportement mécanique des sols non saturés ? Comment le sol se déforme ? Y-a-t-il un effet sur sa résistance ? Quelles sont les conséquences en termes de tassement et stabilité de l'ouvrage ? Verrous et approche scientifique Des études similaires ont été menées dans le passé pour comprendre la réponse thermomécanique des sols saturés [3,14–17]. Les résultats montrent que le comportement des argiles saturées soumises à des variations de température dépend de son historique de charge (OCR), étant thermoplastique en cas de normal consolidation et thermoélastique en cas de sur-consolidation importante. Les sables, au contraire, semblent avoir un comportement généralement thermoélastique. Les sols non saturés en conditions isothermes ont aussi fait l'objet de nombreuses études, qui ont permis d'en comprendre le comportement mécanique grâce, entre autres, au développement de techniques expérimentales avancées [18]. En revanche, les résultats disponibles à la fois sur des sols non saturés et en conditions non isothermes sont moins nombreux et en général limités au cadre du stockage des déchets nucléaires. Une étude concernant la réponse de l'argile de Boom soumise à des changements de température dans des conditions de saturation partielle a été présentée par Romero [19,20]. Les résultats montrent une influence de la température sur la courbe de rétention ainsi qu'une réponse thermoplastique du matériau à différentes valeurs de succion. En partant des résultats disponibles en littérature, et sur la base d'une étude approfondie de l'état de l'art que le/la doctorant(e) devra réaliser pendant les premiers mois de thèse, le projet sera articulé comme illustré ci-dessous (plus de détails dans la section Méthode). Tout d'abord, une étude numérique préliminaire sera réalisée à l'aide d'un code aux éléments finis disponible au laboratoire 3SR [21], qui permettra de définir les conditions du problème, particulièrement en termes de gamme de température envisageable et degré de saturation d'intérêt pour une application de stockage de chaleur couplé avec des panneaux solaires. Une fondation superficielle réelle, disponible grâce à la collaboration avec un bureau d'étude, sera considérée comme point de départ. Cette étape préliminaire permettra aussi de mieux identifier les enjeux du problème. Le coeur du projet sera représenté par le développement d'un équipement expérimental, qui permettra de réaliser des essais sur les sols avec contrôle de succion et température, dans les gammes définies au préalable. Le programme expérimental, à définir soigneusement pendant la première année de thèse, inclura différents chemins de contraintes, température et succion, le but étant de répondre aux questions scientifiques définies précédemment. Enfin, différents modèles constitutifs, comme par exemple le modèle ACMEG-TS [3] qui est déjà implémenté dans le code envisagé pour cette étude, capables de prendre en compte à la fois les variations de température et de dégrée de saturation sur le comportement mécanique des sols, seront considérés et éventuellement testés pour évaluer leur capacité à reproduire les résultats obtenus au laboratoire. Le cas d'étude utilisé pour les analyses préliminaires sera reconsidéré en vue des nouveaux résultats obtenus.

  • Titre traduit

    Effect of varying temperature and degree of saturation on soils THM behaviour: application to energy geostructures


  • Résumé

    The technology Energy geostructures are structures in contact with the ground, such as foundations, diaphragm walls and tunnel linings, having the double role of providing structural stability and exchanging heat with the ground for heating and cooling of buildings and infrastructures, based on the principles of low enthalpy geothermal systems [5]. A heat carrier fluid circulates inside a system of pipes which is embedded into the structure and connected to a heat pump which adapts the temperature coming from the ground to the one needed to satisfy the local demand of heat/cold. With this system, heat is extracted from the soil during winter to heat buildings and injected into the soil during summer to cool them. Every structure in contact with the ground can a priori be used as energy geostructure: its energy efficiency will depend on the local underground conditions [6] and energy needs. In particular, the presence of underground water, and especially of an underground seepage, improves the heat exchange and supports the “single mode” operation (summer only or winter only) because of the natural thermal recharge of the soil; at the same time, a too significant underground seepage makes the seasonal ground heat storage impossible while it is sometime suitable in the “double mode” operation (summer and winter). When underground heat storage is possible (no seepage) and of interest, the possibility of coupling this technology with solar panels is nowadays more and more considered [7] as it could lead to significant improvements in the energy efficiency. However, this technology is still under development and its performance not completely assessed. Deep foundations have been the first application of this technology, several studies have been carried out to assess their performance and they are currently largely the most employed [8]. However, the idea of using diaphragm walls and tunnel linings as ground heat exchangers is spreading more and more [9–12], together with the possibility to couple them with solar panels to improve their energy efficiency [7]. Shallow foundations have been much less employed until now, probably because their energy efficiency would be reduced due to the limited depth (unsaturated soil) and the influence of the external air temperature. Nevertheless, their performance should not be very different with respect to classical horizontal geothermal probes. For these reasons this research project will deal with the possibility to use shallow foundations and ground heat exchangers and storage systems. The geotechnical challenges Technically, energy foundations are structures that apply a mechanical and thermal loading on the soil where they are installed. The response of the soil to this solicitation must ensure, on the one hand, the structural stability, and on the other hand, the energy efficiency of the system. The behaviour of soils subjected to such thermo-mechanical loading is governed by their nature of porous media, partially or totally saturated. The characterisation of the coupled multiphysical behaviour of soils subjected to varying temperature and degree of saturation typical of energy geostructures is important to optimise their performance. The (seasonal and daily) cyclic thermal loading applied by foundations when they are used as ground heat exchangers is normally in the range between 0 and 30 ⁰C, for current applications. However, the possibility of using energy geostructures as ground heat storage systems could lead to more significant temperature variations. Moreover, most of energy geostructures involve (at least partially) the unsaturated upper portion of the soil profile, i.e. the zone above the phreatic surface where pore-water pressure is negative (suction). This zone is characterised by soil strength and stiffness higher than the saturated soil below the phreatic surface, but its mechanical response is affected by the interaction with the atmosphere (rainfall and evapotranspiration). In engineering design, it is common practice to neglect the unsaturated nature of the portion of the soil profile above the phreatic surface. This is achieved either by assuming fully saturated conditions or by setting the pore-pressure above the phreatic surface equal to zero. However, the importance of understanding and predicting the response of the soils in the unsaturated portion is more and more recognised in engineering practice, also because there is increasing financial and environmental pressure to minimise overdesign by taking into consideration the ‘natural' soil reinforcement associated with the negative pore-water pressure in the ground [13]. This research project aims at investigating the possibility of using shallow foundations as ground heat exchangers and ground heat storage systems. The technical challenges related to this topic will be addressed mainly through an experimental approach, supported by numerical analyses. The study will focus mainly, but not only, on the geotechnical aspects. More precisely, the project aims to answer to the two following scientific questions:  What is the effect of thermal cycles on the hydraulic behaviour of soils? Does the temperature increase induce any excess pore pressure? Is there any effect on the retention curve and on the transport mechanism at the pore scale? Which are the consequences in terms of heat exchange and possibility for ground heat storage?  Which are the effects of thermal cycles on the mechanical behaviour of unsaturated soils? How do they deform? Is their resistance affected? Which are the consequences in terms of structural stability and settlements? The research approach Similar studies have already been carried out on saturated soils [3,14–17]. The results show that the behaviour of saturated clays submitted to temperature variations depends on their loading history (OCR), being thermoplastic for normally-consolidated clays and thermoelastic for highly over-consolidated clays. Sandy soils, on the contrary, show a mainly thermoelastic response. Unsaturated soils in isothermal conditions have been largely studied as well, and the results have permitted to gain inside their behaviour, also through the development of advanced experimental techniques [18]. Conversely, the available results on unsaturated soils under non-isothermal conditions are limited in number and mainly devoted to the framework of nuclear waste disposals. An experimental study on the behaviour of Boom clay under varying temperature and suction was presented by Romero [19,20]. The results indicate a dependency of the retention curve on temperature, as well as a thermoplastic response of the material. Starting from the available results and based on an accurate state of the art that the candidate will realise in the first months of the PhD, the project will be organised as follows. First of all, preliminary numerical analyses will be performed with a Finite Element code available at the 3SR laboratory [21], which will allow defining the problem conditions, especially in terms of maximum temperature and degree of saturation ranges considering a ground heat storage application. The case of a real shallow energy foundation, available thanks to the collaboration with an engineering company, will be used as a case study. This will also allow to better identify the geotechnical and energy challenges of the problem. The project heart will be the development of an experimental device that will be designed for testing soils under temperature and suction control, within the ranges previously defined. The experimental program, that the candidate will have to properly define during the first year, will include various stress, hydraulic and thermal paths, with the purpose to answer to the scientific questions outlined above. Finally, different available constitutive models, as for instance the ACMEG-TS model [3] which is already implemented in the code considered for this study, able to consider at the same time temperature and suction variations, will be considered and eventually tested to investigate their capability to reproduce the results found in the laboratory. The preliminary analyses of the boundary value problems will be reconsidered in the light of the new results and achievements.