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Analyse de la portance des pieux géothermiques
Discussions about the bearing capacity of geothermal piles
Suryatriyastuti M., Mroueh H.
LGCgE, Villeneuve d’Ascq, France
Burlon S.
IFSTTAR, Paris, France
Habert J.
CETE Nord Picardie, Haubourdin, France
RÉSUMÉ : Les pieux géothermiques en plus d’être utilisés classiquement comme des éléments supportant des bâtiments permettent
grâce à la circulation d’un fluide caloporteur de les chauffer ou les climatiser suivant la saison. Les pieux, sous l’effet des variations
de température, subissent des chargements cycliques. Afin d’analyser ce problème et d’évaluer son impact sur le comportement des
pieux géothermiques, deux types d’approches sont proposées : la première repose sur une modélisation conventionnelle de
l’interaction sol-pieu, la seconde prend en compte les effets cycliques induits par les variations de température.
ABSTRACT: Geothermal piles are deep foundations providing not only structural support for the buildings but also heat exchanger
elements from the ground to the buildings. Heat exchanges occur by the circulation of seasonal heat carrier medium, depending on the
needs of heating or cooling the buildings. The pile foundations are then subjected to cyclic contraction and dilatation loading under
the variation of temperature. To analyse this phenomenon and its impact to the structure stability, two types of studies are conducted,
one by implementing a conventional method and an other by taking into account cyclic effects induced by temperature variations.
MOTS-CLES : pieu géothermique, capacité portante, effets cycliques, chargement axial, interface sol-pieu.
KEYWORDS: geothermal pile, bearing capacity, cyclic effects, axial loading, interface soil-pile.
1 INTRODUCTION
Les pieux géothermiques (pieux échangeurs de chaleur)
présentent un intérêt particulier pour le chauffage et la
climatisation des bâtiments afin de remplir les exigences fixées
par les nouvelles réglementations thermiques. Dès lors que le
sol présente en surface, entre 10 m et 50 m de profondeur, une
température constante comprise entre 10°C et 15°C, ce qui est le
cas dans la majorité des pays européens dont la France (Adam
et Markiewicz 2009), l’efficacité des échanges thermiques est
garantie. Ces pieux géothermiques sont constitués en général de
béton armé et de tubes échangeurs de chaleur en U accrochés à
la caisse de ferraillage. Le fluide caloporteur circulant dans le
tube en U autorise des échanges thermiques entre le sol et la
pompe à chaleur à laquelle le tube est lié, ce qui permet de
chauffer ou climatiser le bâtiment. Sous l’effet des variations de
température, les pieux géothermiques sont soumis à des
variations répétitives de longueur qui peuvent s’assimiler à des
chargements cycliques. En hiver, le fluide caloporteur injecté
est plutôt froid (0 à 5°C) tandis qu’il est plutôt chaud en été (30
à 40°C).
Les connaissances acquises, à l’heure actuelle, dans le
domaine des pieux échangeurs de chaleur concernent
essentiellement le comportement thermomécanique des sols. Il
apparaît que les propriétés mécaniques des sols en termes de
déformation et de résistance ne sont pas affectées par les
variations de température dans les gammes d’exploitation
habituelle des pompes à chaleur 0°C – 40 °C (Böennec 2009,
Cekerevac et Laloui 2004). Seule la pression de
préconsolidation semble présenter des variations sensibles vis-à-
vis de l’augmentation de la température.
En Europe, cette technologie s’est surtout développée en
Autriche, en Suisse et en Allemagne (tunnel de Vienne, aéroport
de Zürich, tour de Francfort, etc.). Toutefois, peu d’éléments
méthodologiques existent ce qui conduit bien souvent à
considérer des coefficients de sécurité plus importants que ceux
utilisés pour les pieux classiques (Knellwolf
et al.
2011,
Bourne-Webb
et al.
2009). Afin d’apporter des éléments
complémentaires à l’analyse de la portance des pieux
géothermiques,
cet
article
propose
des
éléments
méthodologiques fondés d’une part sur la mise en œuvre
d’outils conventionnels de calcul et d’autre part sur l’utilisation
d’outils numériques plus complexes dans le cas où les effets
cycliques seraient significatifs pour la structure portée.
2 MODÉLISATION CONVENTIONNELLE
2.1 Principes de modélisation
Cette approche, utilisée couramment pour le dimensionnement
des pieux sous charge axiale, est fondée sur la modélisation de
l’interaction sol-pieu par des lois locales de mobilisation de la
résistance du sol (loi
t-z
) (Frank et Zhao 1982). Le principe du
calcul repose sur la décomposition de la déformation totale
en
une partie élastique
e
et l’autre thermique
th
selon l’équation
(1). L’équation (2) présente l’équilibre mécanique du pieu :
th e
(1)
(2)
où
E
s
est le module de Young du matériau constituant le pieu,
S
la section du pieu,
w
le déplacement vertical du pieu,
f
sol–pieu
la
loi de mobilisation du frottement axial ou de l’effort de pointe et
z
la profondeur.
2.2 Phasage de chargement et conditions en tête de pieu
Le chargement est réalisé systématiquement en deux phases : (i)
une première phase de chargement « mécanique » et (ii) une
deuxième phase de chargement thermique. Lors de la deuxième
phase de chargement, une évolution homogène de la
température est imposée à l’ensemble du pieu. L’observation
0
f
d E
,
2
2
wz
dz
w S
pieu
sol
s
