Comportement thermique et thermo-mécanique des pieux énergétiques

Thermal and thermo-mechanical behavior of energy piles

• Auteur / Autrice : Van-Tri Nguyen
• Direction : Anh-Minh Tang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géotechnique
• Date : Soutenance le 18/12/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205
• Jury : Président / Présidente : Panagiotis Kotronis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anh-Minh Tang, Jean-Michel Pereira, Sébastien Burlon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Farimah Masrouri, Frédéric Collin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Matériaux -- Comportement

Loess

Propriétés thermomécaniques

Propriétés thermiques

Pieux

Mots clés libres

Pieux énergétique

Modèle reduit

Modèle in-Situ

Thermo-Mécanique

Transfert thermique

Modèle numérique

Energy Piles

Small-Scale model

Full-Scale model

Thermo-Mechanical

Long term

Numerical modeling

Résumé

Le comportement thermique et thermo-mécanique des pieux énergétiques est étudié par plusieurs approches : mesures au laboratoire sur des éprouvettes de sol, modélisation physique en modèle réduit, expérimentations sur pieu en vraie grandeur, et calculs numériques/analytiques. D’abord, la conductivité thermique d’un loess à l’état non saturé est mesurée en fonction de la teneur en eau et de la succion. Les résultats montrent une relation univoque entre la conductivité thermique et la teneur en eau pendant un cycle d’humidification/séchage alors qu’une boucle d’hystérésis est observée pour la relation entre la conductivité thermique et la succion. Deuxièmement, des essais thermiques sont réalisés sur un pieu énergétique expérimental en vraie grandeur pour étudier le transfert thermique à l’échelle réelle. Troisièmement, une solution analytique est proposée pour simuler la conduction thermique d’un pieu énergétique vers le sol environnant pendant un chauffage. Les tâches mentionnées ci-dessus concernant le comportant thermique sont ensuite complétées par des études sur le comportement thermo-mécanique des pieux énergétiques. D’un côté, des expérimentations sont réalisées sur un modèle réduit de pieu installé dans un sable sec ou dans une argile saturée. Trente cycles thermiques, représentant trente cycles annuels, sont appliqués au pieu sous différentes charges axiales en tête. Les résultats montrent un tassement irréversible avec les cycles thermiques ; ce tassement est plus important sous une charge axiale plus grande. De plus, le tassement est plus marqué pendant les premiers cycles thermiques et devient négligeable pour les cycles suivants. De l’autre côté, les travaux expérimentaux sur le modèle réduit de pieu sont complétés par les calculs numériques utilisant la méthode des éléments finis. Cette approche est d’abord validée avec les résultats obtenus sur le pieu modèle avant d’être utilisée pour prédire les résultats des expérimentations en vraie grandeur

The thermal and thermo-mechanical behavior of energy piles is investigated by various approaches: laboratory measurement on small soil samples, physical modeling on small-scale pile, experiments on real-scale pile, and analytical/numerical calculations. First, the thermal conductivity of unsaturated loess is measured simultaneously with moisture content and suction. The results show a unique relationship between thermal conductivity and moisture content during a wetting/drying cycle while a clear hysteresis loop can be observed on the relationship between thermal conductivity and suction. Second, thermal tests are performed on a full-scale experimental energy pile to observe heat transfer at the real scale. Third, an analytical solution is proposed to simulate conductive heat transfer from an energy pile to the surrounding soil during heating. The above-mentioned tasks related to the thermal behavior are then completed by studies on the thermo-mechanical behavior of energy piles. On one hand, experiments are performed on a small-scale pile installed either in dry sand or in saturated clay. Thirty thermal cycles, representing thirty annual cycles, are applied to the pile under various constant pile head loads. The results show irreversible pile head settlement with thermal cycles; the settlement is higher at higher pile head load. In addition, the irreversible thermal settlement is the most significant during the first cycles; it becomes negligible at high number of cycles. On the other hand, the experimental work with small-scale pile is completed with numerical calculations by using the finite element method. This approach is first validated with the results on small-scale pile prior to be used to predict the results of full-scale experiments