ZOOM SUR LES GÉOSTRUCTURES THERMIQUES

En effet, depuis les années 1980, l’Europe est au coeur du développement de nouveaux types de
fondations thermoactives dénommées « géostructures thermiques ». Le principe est de coupler des
sondes géothermiques classiques avec des ouvrages géotechniques tels que des fondations profondes ou des écrans de soutènement.
Ces dernières années, avec le développement du projet du Grand Paris Express, de nouveaux défis sont apparus avec, notamment, la volonté de promouvoir les parois moulées thermoactives pour les nouvelles gares. Dans l’objectif de promouvoir ces techniques et proposer aux différents acteurs un
cadre technique, un groupe de travail conjoint entre le Comité français de mécanique des sols (CFMS) et le bureau géotechnique de Syntec Ingénierie a été créé afin de rédiger des recommandations pour la conception, le dimensionnement et la mise en oeuvre des géostructures thermiques.

PRINCIPE DE BASE

Le principe de base d’une géostructure thermique est de profiter de la construction d’un ouvrage en contact avec le terrain dont la température est constante dès une dizaine de mètres de profondeur afin d’y extraire ou d’y injecter de l’énergie via un système de tubes échangeurs de chaleur positionné dans le béton. Par exemple, en hiver, un fluide froid circule dans les tubes et se réchauffe progressivement pendant son cheminement.
Ces quelques degrés récupérés sont ensuite transférés au système de chauffage par l’intermédiaire
d’une pompe à chaleur.

La température du fluide qui circule dans les tubes est comprise entre + 1 °C et + 35 °C.
L’ouvrage subit ainsi des variations de température dans le temps qui vont provoquer des cycles
de dilatations et de contractions impliquant des déplacements et des variations de contraintes dans
l’ouvrage. La gamme de température étant modérée, ces effets mécaniques ne sont pas dimensionnants mais doivent être pris en compte par l’ingénieur en charge de la conception géotechnique de l’ouvrage.

LA PLACE DES DIFFÉRENTS ACTEURS DE LA GÉOTECHNIQUE

Dans le cadre du développement de ces nouvelles techniques, tous les acteurs de la géotechnique
sont concernés lors des différentes phases de conception puis de réalisation. En effet, les principaux
défis se situent dans la prise en compte des variations de température de l’ouvrage géotechnique
pour son dimensionnement et sa justification mécanique, ainsi que la mise en place des tubes échangeurs de chaleur au sein de cages d’armature, qui peuvent parfois dépasser 50 mètres de profondeur. Ainsi, de nouveaux acteurs doivent être intégrés dès la phase de conception du projet
afin de pouvoir répondre au mieux à ces différentes problématiques.

LES DIFFÉRENTES ÉTAPES DE CONCEPTION

Comme dans tout projet d’ouvrage géotechnique, la viabilité du site doit être étudiée avec, dans un premier temps, l’analyse des conditions hydrogéologiques.
En effet, la présence d’une nappe en écoulement ou non va influencer la quantité d’énergie qu’on
va pouvoir extraire (pour faire du chaud) ou injecter (pour faire du froid) dans le terrain environnant.
Ainsi, le fait de produire du chaud ou du froid en fonction des besoins du bâtiment va modifier le champ de température autour de l’ouvrage. Lorsque les besoins en énergie sont équilibrés, cette température est quasiment stable année après année. Cependant, dans un climat tel que celui rencontré en France métropolitaine, les besoins en froid pour la climatisation sont souvent plus importants que les besoins en chaud. Dans ce cas de figure, la présence d’une nappe souterraine qui s’écoule autour des fondations permet de dissiper l’anomalie thermique créée par une injection d’énergie trop importante dans le terrain. De plus, en fonction du type de sol rencontré, les propriétés thermiques de chaque formation sont variables, notamment la conductivité thermique : de manière intuitive. Ainsi, des terrains sableux ou présentant une couche sableuse avec une nappe en écoulement sont nettement plus favorables que des terrains purement argileux, sans écoulement
ou des terrains hors nappe.

Après la première phase d’étude bibliographique du site, il est nécessaire de réaliser une campagne
de reconnaissance pour évaluer les propriétés thermiques, hydrauliques et mécaniques à partir d’essais en laboratoire et in situ. En particulier, le test de réponse thermique (TRT) permet de mesurer la conductivité moyenne des terrains de fondation à partir d’un forage équipé de tubes échangeurs de
chaleur, qui est un élément fondamental pour la création du modèle thermique et géotechnique représentatif.
À partir de ce modèle, le dimensionnement de l’ouvrage peut être engagé. La première étape peut
consister à utiliser des valeurs classiques de puissance échangée en fonction de la géométrie, du type
d’ouvrage et des conditions hydrogéologiques du site afin d’estimer le linéaire de tube échangeur de chaleur à installer. La seconde étape consiste à modéliser analytiquement ou numériquement
le comportement thermique du système afin d’obtenir des variations de température et des puissances
échangées plus optimisées. Il est à noter que le linéaire de tube ne doit en aucun cas faire augmenter
la dimension prévue par le dimensionnement mécanique de l’ouvrage. Cependant, ce dernier doit prendre en compte le fait que l’ouvrage va subir des variations de température. C’est pourquoi le dimensionnement global doit se faire de manière itérative, avec des échanges réguliers entre le géotechnicien et le géothermicien, jusqu’à atteindre la solution la plus optimisée possible.

UNE CONSTRUCTION MAÎTRISÉE

Les tubes échangeurs de chaleur sont installés directement sur les armatures métalliques de telle
sorte qu’ils soient fixés et protégés lors du bétonnage. Les tubes sont également mis sous pression et testés lors de chaque étape de manipulation afin de vérifier l’intégrité du système avant sa mise en service. Un soin particulier doit être apporté aux extrémités des tubes qui serviront de liaison avec la pompe à chaleur.

LE SUIVI DANS LE TEMPS

Après achèvement des géostructures et leur mise en service, il est très important d’assurer un monitoring tant thermique que mécanique de ces installations. La mise en place de ce monitoring permet de valider les hypothèses préalablement utilisées lors des différentes phases d’étude et, le cas
échéant, d’adapter les quantités d’énergie réellement échangées avec le terrain.
Le développement de nouvelles techniques nécessite toujours l’évolution des acteurs et de leur procédure, tout en ouvrant la voie vers de nouvelles opportunités. Ainsi, dans le cadre des géostructures thermiques, les problématiques thermiques nécessitent une campagne de reconnaissance adaptée et l’utilisation d’outils habituellement réservés aux géothermiciens.
Le dialogue entre les différents corps de métiers est essentiel afin de mener à bien ces nouveaux types de projets. La promotion de ces ouvrages par les maîtres d’ouvrage tels que la Société du Grand Paris permet de donner un nouvel élan à ces techniques et d’ouvrir de nouveaux marchés, en complément de l’utilisation habituelle pour les pieux de fondation.

Yvon Delerablée et Éric Antoinet
Antea Group