Les pieux énergétiques constituent une technique récente permettant d’une part le chauffage et la climatisation de bâtiments et assurant d’autre part le rôle de fondations profondes. Cette technique consiste à mettre en place dans des fondations profondes classiques un système échangeur de chaleur. Le principe de transfert de chaleur est similaire à celui utilisé pour des systèmes échangeurs de chaleur conventionnels : un fluide caloporteur permet d’extraire de l’énergie thermique du sol durant l'hiver et d’en injecter durant l’été. Dans le cas de pieux énergétiques, l’interaction entre le sol, le pieu et la structure ne fait pas seulement appel à des considérations mécaniques mais exigent de tenir compte d’aspects thermiques et hydrauliques, ce qui rend relativement complexe la compréhension globale du comportement d’un pieu énergétique. Actuellement, en France, la réalisation effective de pieux énergétiques rencontre un certain nombre de difficultés qui sont en partie liées à une connaissance insuffisante des effets des cycles de température sur la pérennité d’un système de fondations constitué de pieux échangeurs de chaleur. L’objectif de ce mémoire est d’apporter quelques éclairages sur ce sujet, notamment dans le but de contribuer, à terme, à l’élaboration de règles de calcul simples de la portance des fondations profondes énergétiques. Tout d’abord, une synthèse des phénomènes physiques régissant l’interaction thermo-hydro-mécaniques mis en jeu est présentée. Ensuite, considérant le rapport entre le diamètre d’un pieu et sa longueur suffisamment faible, les travaux réalisés se focalisent essentiellement sur les problématiques liées à l’allongement et au raccourcissement du pieu dans sa direction axiale. Différentes modélisation numériques sont effectuées par la méthode des différences finies pour étudier la réponse de pieux énergétiques dans des terrains sans cohésion en tenant compte de différentes conditions aux limites. Le premier modèle est relatif à un pieu énergétique isolé soumis à une seule charge thermique. Le second traite d’un pieu énergétique isolé soumis à une charge axiale mécanique et des variations de température. Le troisième porte sur le comportement des pieux énergétiques appartenant à un groupe de pieux. L’analyse porte en particulier sur l'interaction entre ces pieux et les autres pieux classiques. Dans tous les cas, afin de rendre compte correctement des effets cycliques, l’interface sol-pieu est modélisée par la loi ‘Modjoin’ développée au LGCgE. Enfin, un modèle unidimensionnel basé sur la méthode de courbes de transfert de type t–z est mis en oeuvre. Une loi t–z prenant en compte les effets de chargements cycliques est mise au point. Elle permet notamment de gérer la non-linéarité des phénomènes cycliques et de rendre compte de différents types d’écrouissage. / The recent technology for the heating/cooling building system, known as thermo-active piles, has effectively reduced the land use area and drilling cost by incorporating the vertical closed-loop heat exchanger pipes into the pile foundations. The heat transfer principle remains the same with the conventional ground heat exchanger system: an extraction of the steady ground temperature during winter and a recharge of the ground thermal energy during summer. Indeed, the energy transfer in the thermo-active pile system is becoming more complex owing to the thermo-hydro-mechanical interaction between the ground, the aquifer, the concrete pile, and the overlying building. Recently in France, the implementation of this novelty faces some difficulties due to the lack of understanding about the potential impact of seasonal temperature cycles on the environmental sustainability and the structural safety. Considering those concerns, this thesis conducts the study of the thermo-active piles behavior and their interaction with the structure and the environment in the intention to optimize the geotechnical design of such piles according to the French design standard for the deep foundations. First of all, a study of the physical phenomena occurring in the entire system under the thermo-hydro-mechanical interactions is conducted. Since the ratio of the pile diameter and the pile length is very small, the temperature variations in the pile affect mainly the pile axial response. Thus, the study interest is narrowed to the impact of temperature cycles on the pile bearing capacity by paying a particular attention on modeling the soil–structure interaction with finite difference method. A set of three-dimensional numerical models is performed to understand the thermo-active piles response located in cohesionless soil with consideration of several loading stages and various restraint conditions. The first model concerns a single thermo-active pile subjected to a single thermal load, the second deals with a single thermo-active pile under combined axial mechanical and cyclic thermal loads, and the third one is related to the thermo-active piles located in a group of piles to observe the influence on the other classical bearing piles. The need to properly render the cyclic plasticity behavior in such piles is provided by modeling the interface elements at the soil–pile contact zone using the laboratory-developed law named ‘Modjoin’ law. Otherwise, the load transfer t–z method in one-dimensional model can be an alternative solution in the practical geotechnical design, but no t–z law that takes into account the cyclic fatigue effects exists yet. This study carries out a development of the existing t–z law by integrating the nonlinearity condition and cyclic hardening rules.

Les pieux énergétiques représentent une solution alternative intéressante, face à l’accroissement des besoins mondiaux en énergie et à la réduction de l’utilisation des énergies fossiles. L’objectif principal de la thèse est d’identifier et de quantifier les principaux facteurs influençant le dimensionnement des pieux géothermiques, qui sont impactés par les changements de température des pieux lors de leur activité. Pour ce faire, ce travail de thèse a été dressé en 3 campagnes expérimentales, dont deux à échelle réelle : (i) une première campagne à chargement thermomécanique contrôlé (Marne La Vallée), (ii) une seconde campagne en conditions d’utilisation réelles sous une station d’épuration (Sept Sorts) et (iii) une troisième campagne à l’échelle du laboratoire grâce à une nouvelle machine de cisaillement direct d’interface permettant l’étude du comportement thermo mécanique des interfaces sol-structure. Ces trois campagnes expérimentales ont pour but de quantifier l’effet de la température et des cycles de température sur le comportement des pieux énergétiques. Les premiers résultats expérimentaux de la campagne de Sept Sorts ont ensuite été simules dans le code LAGAMINE via la méthode des éléments finis, afin d’adopter une approche complémentaire permettant de mieux appréhender la réponse thermomécanique de ce type de pieu lors de l’activation géothermique. et (iii) une troisième campagne à l’échelle du laboratoire grâce à une nouvelle machine de cisaillement direct d’interface permettant l’étude du comportement thermo mécanique des interfaces sol-structure. Ces trois campagnes expérimentales ont pour but de quantifier l’effet de la température et des cycles de température sur le comportement des pieux énergétiques. Les premiers résultats expérimentaux de la campagne de Sept Sorts ont ensuite été simules dans le code LAGAMINE via la méthode des éléments finis, afin d’adopter une approche complémentaire permettant de mieux appréhender la réponse thermomécanique de ce type de pieu lors de l’activation géothermique. / Energy piles, also called thermo-active piles, are an alternative solution to the increase in the global energy demand as well as in mitigating socio-economical stakes concerning the increase of energy costs due to fossil fuels. Energy piles are double purpose structures that allow transferring the loads from the superstructure to the soil and that integrate pipe circuits allowing heat exchange between the pile and the surrounding ground. The objective of this thesis is to identify and quantify the principal parameters involved in the geotechnical design of pile foundations impacted by temperature changes associated with geothermal activation. For this purpose, this research work was organized in 3 experimental campaigns: (i) A full scale load controlled test at Ecole des Ponts Paris-Tech, (ii) Full scale energy piles monitoring under real exploitation conditions at Sept Sorts, (Seine et Marne, France), (iii) Laboratory tests in order to assess the effect of temperature and temperature cycles at the soil-pile interface. The experimental results are used to estimate the effect of geothermal activation of a pile foundation, on its bearing capacity as well as on its long-term exploitation. Finally, preliminary numerical simulations were performed using a thermo-hydro mechanical model, using the finite element method code LAGAMINE able to capture the main phenomena.

Les géostructures énergétiques consistent à établir un échange thermique direct avec le sol grâce à des systèmes intégrés dans les fondations ou les structures géotechniques. L’incorporation des échangeurs de chaleur aux géostructures provoque une variation cyclique de la température du sol adjacent. Des questions se posent sur l'impact de ces variations thermiques sur les paramètres géotechniques des sols en général, et en particulier des sols sensibles argileux. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension et la quantification de l’impact de la variation de la température sur la capacité portante des pieux géothermiques. Actuellement, le dimensionnement des capacités portantes des fondations profondes est basé sur les résultats d’essais pénétrométriques ou pressiométriques. Des méthodes expérimentales ont été développées afin de permettre la réalisation de ces essais dans les conditions du laboratoire. Des essais mini-pénétrométriques sont réalisés sur des éprouvettes compactées à différents états initiaux et soumises à des températures variant de 1 à 70 °C. Les résultats montrent une évolution sensible des paramètres étudiés, la résistance en pointe (qc) et le frottement latéral (fs), pour un matériau illitique, lorsqu’il est compacté du côté sec de l’optimum. Les essais mini-pressiométriques, réalisés sur des massifs de sol illitique compactés en modèle réduit d’échelle métrique dans une cuve thermo-régulée, ont montré une diminution de la pression de fluage (pf) et de la pression limite (pl) avec l’augmentation de la température, tandis que la variation du module pressiométrique (EM) est moins marquée. Les résultats montrent une quasi-réversibilité des effets d’un cycle de chauffage dans la gamme de température testée alors que l’effet d’un cycle de refroidissement n’est que partiellement réversible. Pour les essais soumis à plusieurs cycles thermiques, le premier cycle induit des variations de paramètres toujours plus importantes que les cycles suivants. Une analyse approfondie de l’évolution des propriétés thermiques (la conductivité thermique (λ), la capacité thermique volumique (Cv) et la diffusivité thermique (D)) des sols en fonction de la teneur en eau, de la masse volumique sèche et de la température montre une augmentation de ces paramètres avec l’augmentation de w et ρd et une augmentation de λ des éprouvettes illitiques du côté sec de l’optimum avec l’augmentation de la température de 1 à 70 °C. En résumé, pour les pieux énergétiques, les résultats obtenus en laboratoire montrent une modification de la capacité portante due à la variation des paramètres du sol illitique sous l’effet des cycles thermiques / Energy geostructures involve providing a direct heat exchange with the ground through integrated systems in the foundations or geotechnical structures. The incorporation of heat exchangers in geostructures produces a cyclic variation of the temperature in the adjacent soil. Therefore, there are important scientific questions about the effect of temperature variations on hydro-mechanical soil parameters in general, and particularly for sensitive clay soils. The main objective of this thesis is to improve the understanding and the quantification of the impact of temperature variation on the bearing capacity of geothermal piles. Currently, the design of the bearing capacity of deep foundations is based on the results of in situ penetrometer and pressuremeter tests. Herein, experimental methods are developed to carry out these tests in laboratory conditions. Mini-penetrometer tests were carried out on samples compacted at different initial states and subjected to temperature variations ranging from 1 to 70 °C. The results showed a significant change in the studied parameters: the cone resistance (qc) and the friction sleeve resistance (fs) for an illitic material compacted on the dry side of the compaction curve. Mini-pressuremeter tests performed on the same illitic compacted soil in a thermo-regulated metric scale container, showed a decrease in creep pressure (pf) and limit pressure (pl) with increasing temperature, while the variation of pressuremeter modulus (EM) is less pronounced. The results showed a quasi-reversibility of the effect of a heating cycle through the temperature range tested, while the effect of a cooling cycle was only partially reversible. In the case of several thermal cycles, the first cycle induced more important parameter variations than the subsequent cycles, and at the end of the experimentation. Further analysis of the evolution of the thermal properties (thermal conductivity (λ), heat capacity (Cv) and thermal diffusivity (D)) within heating and cooling process as a function of soil water content and dry density showed an increase of these parameters with the increase of initial values of w and ρd, and an increase of λ in the dry side of the compaction curve with increasing temperature from 1 to 70 °C. In summary, for the energy piles driven in the clay soils, some modifications in the bearing capacity have to be taken into account due to the variation of the hydro-mechanical parameters of the soil induced by thermal cycles