Aspects géotechniques des pieux de fondation énergétiques – PiNRJ

Les pieux énergétiques (ou pieux échangeurs de chaleur) sont des pieux de fondation de bâtiments qui sont équipés d’un tube ou réseau de tubes de manière à pouvoir échanger de la chaleur avec le terrain. Ils assurent donc une double fonction : reporter en profondeur les charges d’une construction et servir d’échangeur de chaleur avec le terrain. L’échange de chaleur avec le terrain permet de réchauffer les bâtiments pendant l’hiver et les refroidir pendant l’été. A l’heure actuelle, la technologie des pieux énergétiques est utilisée dans plus de 300 installations en Europe. En France, la géothermie de très faible température (< 30°C) et de forages peu profonds joue un rôle moins important que les autres technologies ; les pieux énergétiques ne sont pas utilisés. En effet, la raison principale qui empêche le développement industriel de cette technologie est le manque de connaissances sur le comportement des pieux soumis à des sollicitations thermo-mécaniques. Pour la conception des pieux énergétiques, les aspects géotechniques (structuraux) sont souvent pris en compte de façon indépendante des aspects thermodynamiques. Les recherches considérant les aspects géotechniques des pieux énergétiques sont rares. Pourtant, quelques essais sur site réalisés récemment à Londres et à Lausanne ont montré que le changement de température du pieu énergétique a un effet significatif sur son comportement géomécanique. L’objectif du projet est d’apporter une connaissance approfondie sur le comportement géotechnique des fondations de pieux énergétiques soumis à des cycles thermiques. Plusieurs approches seront ainsi utilisées. D’abord, un modèle réduit de pieu énergétique sera développé au laboratoire. Ce dispositif est composé d’un pieu en modèle réduit inséré dans un massif de sol à étudier. Une charge constante sera appliquée en tête du pieu pour simuler la charge du bâtiment ; une pression constante sera appliquée sur la surface du massif de sol pour simuler la contrainte verticale sur site correspondant à la profondeur à étudier. Ensuite, un fluide à température contrôlée sera circulé dans le pieu afin de le refroidir ou de le réchauffer. Les paramètres suivant seront suivis : température dans le sol autour du pieu, tassement ou soulèvement à la tête du pieu et à la surface du massif de sol, distribution de contraintes dans le pieu. Les essais seront réalisés sur trois types de sols (sable, limon et argile) et à différentes conditions aux limites. En parallèle des essais sur modèle réduit, des calculs numériques par éléments finis seront réalisés pour simuler le comportement d’un pieu énergétique isolé. D’abord, un modèle thermo-poro-mécanique sera développé pour décrire le comportement du sol soumis à des changements de température. Ensuite, un modèle d’interface sol-pieu sera couplé avec les effets de température. Les deux modèles, intégrés dans un code de calcul par éléments finis, permettra de simuler l’interaction sol-pieu sous des cycles thermiques. Enfin, les essais sur modèle réduit réalisés dans ce projet ainsi que les essais en place réalisés à Lausanne (CH) et à Londres (UK) seront simulés avec le code de calcul développé. Cela permettra une interprétation approfondie des résultats obtenus. La troisième approche implique une technique d’homogénéisation pour prédire le comportement de l’ensemble de la fondation sur pieux énergétiques soumis à des cycles thermiques. Les résultats expérimentaux et les simulations numériques sur un pieu énergétique isolé seront utilisés pour analyser le comportement du volume élémentaire représentatif du sol renfoncé. Ces analyses permettront ensuite le développement d’un modèle périodique pour analyser des sols renforcés par des pieux énergétiques en prenant en compte les couplages d’origine thermo-hydro-mécanique. Ce modèle sera finalement intégré dans un code de calcul par éléments finis qui sera ensuite utile pour la conception des fondations sur pieux énergétiques.