Géostructures énergétiques
Lyesse Laloui
Alice Di Donna
hermes science
Lavoisier
Préface15
Lyesse Laloui et Alice Di Donna
Première partie. Modélisation physique de pieux énergétiques à différentes échelles17
Chapitre 1. Réponse des sols aux conditions thermomécaniques imposées par les géostructures énergétiques19
Alice Di Donna et Lyesse Laloui
1.1. Introduction20
1.2. Comportement thermomécanique des sols21
1.2.1. Comportement thermomécanique des argiles22
1.3. Modélisation constitutive du comportement thermomécanique des sols29
1.3.1. Le modèle ACMEG-T29
1.3.1.1. Analyses numériques avec le modèle ACMEG-T34
1.4. Remerciements37
1.5. Bibliographie37
Chapitre 2. Tests in situ grandeur nature de pieux énergétiques41
Lyesse Laloui et Thomas Mimouni
2.1. Observation de la réponse thermomécanique des pieux énergétiques41
2.1.1. Mesures de déformation et de température41
2.1.2. Mesure de la compression en base de pieu45
2.1.3. Observation du comportement du sol46
2.2. Description des deux sites expérimentaux du campus de l'EPFL47
2.2.1. Pieu test isolé47
2.2.2. Groupe de pieux expérimental49
2.2.3. Protocole de test51
2.2.3.1. Chargement mécanique51
2.2.3.2. Chargement thermique53
2.3. Réponse thermomécanique des pieux énergétiques55
2.3.1. Méthode générale55
2.3.2. Réponse thermomécanique du pieu isolé56
2.3.3. Réponse thermomécanique d'un groupe de pieux énergétiques57
2.4. Conclusion59
2.5. Bibliographie60
Chapitre 3. Performances observées des géostructures énergétiques63
Peter Bourne-Webb
3.1. Présentation des sources d'observations63
3.2. Stockage et captage thermique65
3.2.1. Présentation d'ensemble65
3.2.2. Taux d'injection/extraction d'énergie66
3.2.2.1. Pieux énergétiques66
3.2.2.2. Autres géostructures énergétiques70
3.2.3. Champs thermiques71
3.2.3.1. Températures internes des pieux72
3.2.3.2. Températures du sol autour des pieux isolés73
3.2.3.3. Températures du sol autour de groupes de pieux76
3.2.3.4. Autres géostructures énergétiques77
3.3. Effets thermomécaniques78
3.3.1. Présentation d'ensemble78
3.3.2. Effets structurels78
3.3.3. Interactions sol-structure83
3.4. Conclusion85
3.5. Remerciements87
3.6. Annexe87
3.7. Bibliographie96
Chapitre 4. Etude du comportement des pieux échangeurs de chaleur par modélisation physique99
Ghazi Hassen, Jean-Michel Pereira, Anh Minh Tang et Neda Yavari
4.1. Introduction99
4.2. Modélisation physique des pieux de fondations100
4.2.1. Dispositifs expérimentaux100
4.2.2. Système de chargement mécanique101
4.2.3. Suivi des mesures102
4.2.4. Comportement du pieu103
4.3. Modélisation physique d'un pieu échangeur de chaleur103
4.3.1. Dispositif expérimental103
4.3.2. Comportement mécanique d'un pieu sous chargement thermomécanique105
4.3.3. Transfert de chaleur110
4.3.4. Interface sol-pieu111
4.3.5. Enseignement tiré de la modélisation physique d'un pieu échangeur de chaleur111
4.4. Conclusion114
4.5. Remerciements115
4.6. Bibliographie115
Chapitre 5. Modélisation en centrifugeuse de fondations énergétiques119
John Scott McCartney
5.1. Introduction119
5.2. Informations de base concernant l'interaction thermomécanique entre le sol et la structure120
5.3. Concepts de modélisation en centrifugeuse121
5.4. Composants de modélisation en centrifugeuse122
5.4.1. Fabrication et caractérisation d'un modèle en centrifugeuse122
5.4.2. Installation expérimentale124
5.5. Tests de modélisation en centrifugeuse pour fondations semi-flottantes127
5.5.1. Analyses du sol127
5.5.2. Fondation A : essais de chargement isotherme jusqu'à la rupture128
5.5.3. Fondation B : représentation des contraintes-déformations thermomécaniques132
5.6. Conclusion136
5.7. Remerciements137
5.8. Bibliographie137
Deuxième partie. Modélisation numérique des géostructures énergétiques139
Chapitre 6. Utilisations alternatives des géostructures énergétiques141
Fabrice Duplay, Lyesse Laloui et Thomas Mimouni
6.1. Fondations compactes et disperses pour le déverglaçage des ponts142
6.1.1. Besoins en chaleur et spécificités des petites fondations143
6.1.1.1. Besoins hivernaux143
6.1.1.2. Possibilité de récupération d'énergie solaire144
6.1.1.3. Présence possible d'un écoulement souterrain144
6.1.2. Modélisation du pieu145
6.1.2.1. Contexte géotechnique145
6.1.2.2. Géométrie du modèle145
6.1.2.3. Caractéristiques du modèle146
6.1.2.4. Chemins de chargement147
6.1.3. Résultats et analyse148
6.1.3.1. Cas de base : faible écoulement avec stockage d'énergie solaire148
6.1.3.2. Cas 2 : faible écoulement avec recharge naturelle149
6.1.3.3. Cas 3 : pas d'écoulement et stockage d'énergie solaire151
6.1.3.4. Cas 4 : fort écoulement avec recharge naturelle153
6.1.3.5. Usage pour le déverglaçage154
6.2. Ancrages échangeurs de chaleur154
6.2.1. Aspects techniques et usagers possibles155
6.2.2. Méthode d'étude155
6.2.3. Optimiser la production de chaleur157
6.2.4. Implications mécaniques liées à la production de chaleur158
6.3. Conclusion160
6.4. Remerciements160
6.5. Bibliographie161
Chapitre 7. Analyse numérique de la capacité portante des pieux thermo-actifs sous sollicitations axiales cycliques163
Sébastien Burlon, Julien Habert, Hussein Mroueh et Maria E. Suryatriyastuti
7.1. Introduction163
7.2. Capacité portante d'un pieu sous une charge thermique supplémentaire164
7.3. Loi constitutive d'interface sol-pieu sous chargement cyclique : la loi Modjoin167
7.4. Analyse numérique d'un pieu thermo-actif sous chargement cyclique thermique170
7.4.1. Réaction par rapport à la structure supérieure172
7.4.2. Effort normal dans le pieu173
7.4.3. Frottements axiaux mobilisés à l'interface sol-pieu173
7.5. Recommandation concernant les pieux thermo-actifs à échelle réelle175
7.5.1. Effet de différents taux de chargement pour la charge mécanique appliquée175
7.5.2. Effet des pieux thermo-actifs sur une fondation en radier par pieux176
7.6. Conclusion178
7.7. Remerciements179
7.8. Bibliographie179
Chapitre 8. Géostructures énergétiques en sols non saturés181
Nahed Alsherif, Charles J.R. Coccia, John Scott McCartney et Melissa A. Stewart
8.1. Introduction181
8.2. Ecoulement d'eau induit thermiquement183
8.3. Variation volumique d'un sol non saturé drainé thermiquement185
8.4. Effets de la température sur la résistance et la rigidité du sol187
8.5 ; Effets de la température sur les propriétés hydrauliques des sols non saturés189
8.6. Effets de la température sur l'interaction sol-géosynthétiques190
8.7. Conclusion192
8.8. Remerciements193
8.9. Bibliographie193
Chapitre 9. Géostructures énergétiques comme système de refroidissement dans les climats chauds201
Ghassan Anis Akrouch, Jean-Louis Briaud et Marcelo Sanchez
9.1. Introduction201
9.2. Facteurs climatiques et effets sur les conditions et les propriétés du sol202
9.3. Propriétés thermiques et transfert de chaleur des sols saturés et non saturés204
9.4. Effets des conditions du sol sur la performance des géostructures énergétiques205
9.4.1. Conception expérimentale en laboratoire206
9.4.2. Modélisation numérique207
9.4.3. Tests en laboratoire et résultats numériques210
9.4.4. Modélisation du pieu complet213
9.5. Tests grandeur nature de pieux énergétiques215
9.6. Conclusion217
9.7. Remerciements218
9.8. Bibliographie218
Chapitre 10. Impact de la diffusion thermique transitoire dans un sol autour d'un pieu thermo-actif221
Sébastien Burlon, Hussein Mroueh et Maria E. Suryatriyastuti
10.1. Introduction221
10.2. Phénomène de transfert de chaleur222
10.2.1. Propriétés du sol223
10.2.1.1. Température du sol223
10.2.1.2. Ecoulement d'eau souterraine224
10.2.2. Conservation d'énergie en régime transitoire224
10.3. Modélisation numérique de la diffusion thermique dans un pieu thermo-actif225
10.3.1. Modèle en deux dimensions - Diffusion à l'intérieur du pieu thermo-actif227
10.3.1.1. Effets de la configuration des tubes absorbeurs228
10.3.1.2. Effets de différentes températures d'admission229
10.3.2. Modèle en trois dimensions - Diffusion vers le sol entourant le pieu231
10.4. Impact du fonctionnement thermique à long terme231
10.4.1. Effets de l'écoulement d'eau souterraine sur la diffusion thermique231
10.4.2. Longévité mécanique sous contrainte thermique cyclique234
10.5. Conclusion236
10.6. Remerciements237
10.7. Bibliographie237
Chapitre 11. Systèmes géothermiques de dégivrage des tabliers de ponts basés sur les fondations énergétiques239
G. Allen Bowers et C. Guney Olgun
11.1. Introduction239
11.2. Chauffage géothermique des tabliers de ponts241
11.3. Processus thermiques et évaluation de la demande en énergie des systèmes géothermiques de dégivrage243
11.4. Modélisation numérique et résultats d'analyse245
11.5. Conclusion253
11.6. Remerciements254
11.7. Bibliographie254
Troisième partie. Pratiques en ingénierie257
Chapitre 12. Mise en place des géostructures énergétiques259
Peter Bourne-Webb
12.1. Introduction259
12.2. Planification et conception260
12.2.1. Coordination et communication260
12.2.2. Gestion de la conception261
12.2.3. Passage en revue de la conception du système262
12.2.4. Connaissances et compétences265
12.3. Construction267
12.3.1. Contrôle de la qualité du processus267
12.3.2. Détails d'installation268
12.3.2.1. Fondations des pieux268
12.3.2.2. Parois moulées280
12.3.2.3. Plongée, remontées, pénétrations et imperméabilisation287
12.3.2.4. Fondations et radiers peu profonds287
12.3.2.5. Revêtements de tunnels288
12.4. Intégration et exploitation du système295
12.5. Conclusion296
12.6. Remerciements298
12.7. Bibliographie298
Chapitre 13. Thermo-Pile : un outil numérique pour la conception des pieux énergétiques301
Lyesse Laloui et Thomas Mimouni
13.1. Hypothèses fondamentales301
13.2. Formulation mathématique et implémentation numérique302
13.2.1. Les courbes de transfert de charge302
13.2.1.1. Forme des courbes de transfert de charge302
13.2.1.2. Capacités portantes ultimes303
13.2.2. Déplacements induits par la charge mécanique304
13.2.3. Déplacements induits par la charge thermique306
13.2.3.1. Cas sans chargement mécanique306
13.2.3.2. Cas avec chargement mécanique307
13.3. Validation de la méthode307
13.4. Longrine sur pieux énergétiques308
13.4.1. Méthode générale308
13.4.2. Détermination des constantes d'intégration312
13.4.3. Exemple de simulation313
13.5. Conclusion314
13.6. Remerciements315
13.7. Bibliographie315
Chapitre 14. Etude de cas : Dock Midfield, terminal de l'aéroport de Zürich317
Daniel Pahud
14.1. Dock Midfield317
14.2. Processus de dimensionnement de l'installation avec pieux énergétiques318
14.2.1. Concept de l'installation avec pieux318
14.2.2. Problèmes à résoudre319
14.2.3. Premières étapes de l'évaluation320
14.2.4. Deuxièmes étapes de l'évaluation322
14.2.5. Troisièmes étapes de l'évaluation324
14.2.6. Simulations finales avec le programme TRNSYS325
14.3. Le programme PILESIM326
14.4. Schéma de principe de l'installation et points de mesure327
14.5. Performances thermiques mesurées du système328
14.6. Optimisation et intégration du système331
14.7. Conclusion332
14.8. Remerciements333
14.9. Bibliographie333
Index335