Thermo-active geotechnical structures do not only ensure structural stability but also enable to ... more Thermo-active geotechnical structures do not only ensure structural stability but also enable to provide thermal needs, throughout heating or cooling the structure. Thermo-active piles are now a widely used technology. But the idea of using geotechnical structures as heat exchanger is also possible for diaphragm walls. Such a choice has been made in Vienna, but also in Rennes and currently Paris metropolitan underground stations. Whereas modelling of energy piles is now well-known, the behaviour of thermo-active diaphragm walls appears more complex to deal with. The present article proposes elements of methodology in order to take into account contraction and dilatation caused by temperature changes for such structures, based on numerical analysis. An analysis of the results is then performed, and allows to identify the major phenomena and their order of magnitude.
This paper focuses on the establishment of a model factor for the calculation of the ultimate lim... more This paper focuses on the establishment of a model factor for the calculation of the ultimate limit state (ULS) bearing capacity of piles in compression from Ménard pressuremeter tests results. First, the requirements of Eurocode 7 are presented: calculation methods used for pile foundations must be validated against the results of static load tests and a model factor can be introduced to reach a target safety. This model factor is meant to take into account the scatter of the calculation model, whereas the spatial variability of the ground properties is dealt with by means of statistical methods. Then an analysis of a database of 174 full-scale static pile load tests carried out by the Laboratoire Central des Ponts et Chausées (LCPC, now called IFSTTAR), over the last 40 years, mainly in France, is performed and a new calculation model is established based on pressuremeter test results. Finally, the calibration procedure for deriving the model factor used in the recent French stand...
Pile design is not only based on the assessment of bearing capacity, but can involve settlement c... more Pile design is not only based on the assessment of bearing capacity, but can involve settlement calculations when the structures supported by piles need high service requirements. In this context, the load transfer approach with t–z curve models is one of the calculation methods used. The main issue for this method is the choice and implementation of the t–z curve modelling the behaviour of the soil around the pile and accounting for the progressive shaft friction mobilisation. In this paper, three types of t–z curve models from pressuremeter test results are compared: one proposed previously by R. Frank and S. R. Zhao in 1982 and two others presented here. The stiffness of each model is studied and a comparison is performed by considering 90 full-scale static load tests extracted from the IFSTTAR pile database. Measured and calculated values of the pile head displacement are compared for several loading levels considering different soil and pile types. For the three t–z curve model...
Pressuremeter test constitutes an efficient tool to determine stiffness of the ground, and especi... more Pressuremeter test constitutes an efficient tool to determine stiffness of the ground, and especially shear modulus of ground, and its reduction with the distortion level. However, the inhomogeneous distortion level around a pressure meter probe, reducing with the radial distance to the probe, and subsequent inhomogeneous value of the shear modulus, have to be taken into account to correctly interpret pressuremeter test results. On a first step, based on currently used shear modulus reduction hyperbolic curves to link distortion and shear modulus, the evolving of these parameters around a pressuremeter probe, is presented for different stress levels in the case of a purely cohesive soil. On a second step, a practical procedure is proposed to derive distortion-shear modulus from a pressuremeter test. On a third and last step, the proposed method is applied to a test performed in purely cohesive soil.
Menard pressuremeter based calculation methods efficiently predict the behaviour of foundations a... more Menard pressuremeter based calculation methods efficiently predict the behaviour of foundations and especially enable i) to estimate their (ultimate) resistance, and ii) to assess their load-displacement behaviour. For grouted micropiles and anchors, although static load tests are always performed due to the sensitivity of their execution (and especially grouting stages), semi-empirical methods remain essential in preliminary stages of design. To take into account evolution of contractors practice and development of new execution procedures, a database of static load tensile tests performed in France has been established, with more than 250 tensile static load tests. Their comparison to prediction of calculation approaches enables i) to evaluate and validate the existing pressuremeter based models, and ii) to determine a specific calculation model factor ensuring a predefined target of safety for resistances, following Eurocode 7 requirements.
La chaleur presente dans les sols et dans les roches est connue et exploitee depuis tres longtemp... more La chaleur presente dans les sols et dans les roches est connue et exploitee depuis tres longtemps. Au cours du 20 e siecle, l’exploitation des ressources thermiques des terrains s’est largement developpee et a donne naissance a la geothermie. Plusieurs types de geothermie existent selon la profondeur a laquelle est exploitee la ressource thermique du terrain. La geothermie tres basse energie concerne les premieres centaines de metres de terrain et permet d’exploiter la ressource thermique de ce dernier pour chauffer ou refroidir des bâtiments. L’exemple le plus simple d’application est le puits canadien. De l’air circule dans un tuyau a quelques metres de profondeur et debouche dans une habitation. En ete, il permet de refroidir l’habitation car, en circulant dans le tuyau, il se refroidit et, en hiver, il permet de chauffer au moins partiellement l’habitation car, en circulant dans le tuyau, il se rechauffe. Bien que la temperature du terrain augmente avec la profondeur sous l’effet du gradient thermique naturel, cette technique montre que la temperature du sol reste sensiblement constante depuis la surface du terrain et jusqu’a plusieurs dizaines de metres de profondeur. D’autres techniques se sont ensuite developpees en exploitant ce constat. On peut citer : les doublets geothermiques sur nappe, les sondes geothermiques et les geostructures thermiques. Toutes ces techniques mettent par ailleurs en œuvre une pompe a chaleur et l’idee est d’utiliser le sol comme une source chaude (c’est-a-dire un milieu permettant l’extraction de chaleur) ou une source froide (c’est-a-dire un milieu permettant l’injection de chaleur) pour produire du chaud ou du froid. Dans un doublet geothermique, c’est l’eau de la nappe circulant dans le terrain qui sert de source chaude ou froide. De l’eau est pompee a un endroit dans le terrain a partir d’un puits d’extraction et est rejetee a un autre endroit dans le terrain a partir d’un puits d’injection. L’ecoulement de la nappe aux abords des deux puits joue un role preponderant et differentes questions relatives aux interactions entre ces deux puits sont a considerer. Pour une sonde geothermique, le principe est de faire circuler un fluide caloporteur dans un forage a l’interieur d’un tube echangeur de chaleur, puis dans une pompe a chaleur. En ete, le fluide injecte a, par exemple, une temperature de l’ordre de 30 °C et est extrait a une temperature de 25 °C. Le froid est alors produit par la pompe a chaleur. En hiver, le fluide est injecte, par exemple, a une temperature de l’ordre de 4 °C et est extrait a une temperature de 8 °C et la chaleur reste toujours produite par une pompe a chaleur. Les coefficients de performance atteints (rapport entre la puissance extraite et la puissance permettant le fonctionnement de la pompe a chaleur) sont de l’ordre de 3 a 5. A certaines periodes de l’annee, notamment au printemps et en automne, il est possible de ne pas faire appel a la pompe a chaleur. Par exemple, le fluide injecte peut avoir une temperature de l’ordre de 19 °C et etre extrait a une temperature de 14 °C, on parle alors de geo-cooling ou de free-cooling. Pour les geostructures thermiques, appelees aussi « geostructures energetiques » ou « geostructures thermoactives », le principe est de faire circuler le fluide caloporteur dans un pieu, un panneau de paroi moulee ou un voussoir de tunnel. L’idee est de faire l’economie d’un forage dedie a la geothermie et de lier directement le tube echangeur aux cages de ferraillage des pieux ou des parois moulees. La technique des geostructures thermiques est nee en Autriche dans le courant des annees 1980 et a connu dans le courant des annees 2000 et jusqu’a maintenant un interet considerable porte par la necessite de developper des energies renouvelables. Cette technique presente un comportement complexe car elle permet d’utiliser des ouvrages geotechniques a la fois comme elements de fondation ou de soutenement avec un role mecanique evident et comme structures d’echanges thermiques. Les enjeux de conception et de dimensionnement de ces structures obligent a decrire precisement le comportement de celles-ci sur les plans thermiques et mecaniques. Une presentation sur la maniere d’apprehender ces problematiques et les bases de justification vis-a-vis des aspects thermiques et mecaniques est proposee dans cet article.
L’Eurocode 7 et ses normes d’application nationale ont introduit ces dernieres annees de nouvelle... more L’Eurocode 7 et ses normes d’application nationale ont introduit ces dernieres annees de nouvelles procedures et methodes de calcul des ouvrages geotechniques. Cet ouvrage propose une synthese et une analyse des principaux changements introduits et met en evidence les differences entre ce nouvel ensemble de normes et celui plus ancien.Chaque chapitre correspond a un type d’ouvrages geotechniques (fondations superficielles, fondations profondes, ecrans de soutenement, etc.) et comprend a la fois des explications et commentaires sur les documents normatifs a utiliser et des exercices bases sur des exemples concrets. L’objectif est de permettre aux etudiants et aux jeunes ingenieurs de rapidement acquerir la maitrise des principales procedures et methodes de calcul proposees par l’Eurocode 7.
<p>Contempo... more <p>Contemporary living, the extreme climate changes and the necessity of renewable energy sources challenge the engineers around the globe to discover advanced methods of enabling a more comfortable life. For this purpose, geothermal energy systems are used to satisfy the calorific needs for cooling and heating. Thermo-active geo-structures, as dual-function elements, offer structural improvement and simultaneously provide eco-friendly and long-term cost-friendly solutions. This contribution provides an overview of the design of geothermal piles based on geometry variations. Hence, thermo-mechanical analyses are performed for axially loaded piles based on the load transfer approach using t-z curves method. With an absence of precise regulations and standards, the aim of these analyses is to simplify the design of thermo-active piles by generating an envelope chart utilizing the results for piles with different lengths and diameters. However, keeping a more realistic ratio of the geometry is of a significant importance, so that the piles are applicable on real project solutions.</p><p> </p>
Thermo-active geotechnical structures do not only ensure structural stability but also enable to ... more Thermo-active geotechnical structures do not only ensure structural stability but also enable to provide thermal needs, throughout heating or cooling the structure. Thermo-active piles are now a widely used technology. But the idea of using geotechnical structures as heat exchanger is also possible for diaphragm walls. Such a choice has been made in Vienna, but also in Rennes and currently Paris metropolitan underground stations. Whereas modelling of energy piles is now well-known, the behaviour of thermo-active diaphragm walls appears more complex to deal with. The present article proposes elements of methodology in order to take into account contraction and dilatation caused by temperature changes for such structures, based on numerical analysis. An analysis of the results is then performed, and allows to identify the major phenomena and their order of magnitude.
This paper focuses on the establishment of a model factor for the calculation of the ultimate lim... more This paper focuses on the establishment of a model factor for the calculation of the ultimate limit state (ULS) bearing capacity of piles in compression from Ménard pressuremeter tests results. First, the requirements of Eurocode 7 are presented: calculation methods used for pile foundations must be validated against the results of static load tests and a model factor can be introduced to reach a target safety. This model factor is meant to take into account the scatter of the calculation model, whereas the spatial variability of the ground properties is dealt with by means of statistical methods. Then an analysis of a database of 174 full-scale static pile load tests carried out by the Laboratoire Central des Ponts et Chausées (LCPC, now called IFSTTAR), over the last 40 years, mainly in France, is performed and a new calculation model is established based on pressuremeter test results. Finally, the calibration procedure for deriving the model factor used in the recent French stand...
Pile design is not only based on the assessment of bearing capacity, but can involve settlement c... more Pile design is not only based on the assessment of bearing capacity, but can involve settlement calculations when the structures supported by piles need high service requirements. In this context, the load transfer approach with t–z curve models is one of the calculation methods used. The main issue for this method is the choice and implementation of the t–z curve modelling the behaviour of the soil around the pile and accounting for the progressive shaft friction mobilisation. In this paper, three types of t–z curve models from pressuremeter test results are compared: one proposed previously by R. Frank and S. R. Zhao in 1982 and two others presented here. The stiffness of each model is studied and a comparison is performed by considering 90 full-scale static load tests extracted from the IFSTTAR pile database. Measured and calculated values of the pile head displacement are compared for several loading levels considering different soil and pile types. For the three t–z curve model...
Pressuremeter test constitutes an efficient tool to determine stiffness of the ground, and especi... more Pressuremeter test constitutes an efficient tool to determine stiffness of the ground, and especially shear modulus of ground, and its reduction with the distortion level. However, the inhomogeneous distortion level around a pressure meter probe, reducing with the radial distance to the probe, and subsequent inhomogeneous value of the shear modulus, have to be taken into account to correctly interpret pressuremeter test results. On a first step, based on currently used shear modulus reduction hyperbolic curves to link distortion and shear modulus, the evolving of these parameters around a pressuremeter probe, is presented for different stress levels in the case of a purely cohesive soil. On a second step, a practical procedure is proposed to derive distortion-shear modulus from a pressuremeter test. On a third and last step, the proposed method is applied to a test performed in purely cohesive soil.
Menard pressuremeter based calculation methods efficiently predict the behaviour of foundations a... more Menard pressuremeter based calculation methods efficiently predict the behaviour of foundations and especially enable i) to estimate their (ultimate) resistance, and ii) to assess their load-displacement behaviour. For grouted micropiles and anchors, although static load tests are always performed due to the sensitivity of their execution (and especially grouting stages), semi-empirical methods remain essential in preliminary stages of design. To take into account evolution of contractors practice and development of new execution procedures, a database of static load tensile tests performed in France has been established, with more than 250 tensile static load tests. Their comparison to prediction of calculation approaches enables i) to evaluate and validate the existing pressuremeter based models, and ii) to determine a specific calculation model factor ensuring a predefined target of safety for resistances, following Eurocode 7 requirements.
La chaleur presente dans les sols et dans les roches est connue et exploitee depuis tres longtemp... more La chaleur presente dans les sols et dans les roches est connue et exploitee depuis tres longtemps. Au cours du 20 e siecle, l’exploitation des ressources thermiques des terrains s’est largement developpee et a donne naissance a la geothermie. Plusieurs types de geothermie existent selon la profondeur a laquelle est exploitee la ressource thermique du terrain. La geothermie tres basse energie concerne les premieres centaines de metres de terrain et permet d’exploiter la ressource thermique de ce dernier pour chauffer ou refroidir des bâtiments. L’exemple le plus simple d’application est le puits canadien. De l’air circule dans un tuyau a quelques metres de profondeur et debouche dans une habitation. En ete, il permet de refroidir l’habitation car, en circulant dans le tuyau, il se refroidit et, en hiver, il permet de chauffer au moins partiellement l’habitation car, en circulant dans le tuyau, il se rechauffe. Bien que la temperature du terrain augmente avec la profondeur sous l’effet du gradient thermique naturel, cette technique montre que la temperature du sol reste sensiblement constante depuis la surface du terrain et jusqu’a plusieurs dizaines de metres de profondeur. D’autres techniques se sont ensuite developpees en exploitant ce constat. On peut citer : les doublets geothermiques sur nappe, les sondes geothermiques et les geostructures thermiques. Toutes ces techniques mettent par ailleurs en œuvre une pompe a chaleur et l’idee est d’utiliser le sol comme une source chaude (c’est-a-dire un milieu permettant l’extraction de chaleur) ou une source froide (c’est-a-dire un milieu permettant l’injection de chaleur) pour produire du chaud ou du froid. Dans un doublet geothermique, c’est l’eau de la nappe circulant dans le terrain qui sert de source chaude ou froide. De l’eau est pompee a un endroit dans le terrain a partir d’un puits d’extraction et est rejetee a un autre endroit dans le terrain a partir d’un puits d’injection. L’ecoulement de la nappe aux abords des deux puits joue un role preponderant et differentes questions relatives aux interactions entre ces deux puits sont a considerer. Pour une sonde geothermique, le principe est de faire circuler un fluide caloporteur dans un forage a l’interieur d’un tube echangeur de chaleur, puis dans une pompe a chaleur. En ete, le fluide injecte a, par exemple, une temperature de l’ordre de 30 °C et est extrait a une temperature de 25 °C. Le froid est alors produit par la pompe a chaleur. En hiver, le fluide est injecte, par exemple, a une temperature de l’ordre de 4 °C et est extrait a une temperature de 8 °C et la chaleur reste toujours produite par une pompe a chaleur. Les coefficients de performance atteints (rapport entre la puissance extraite et la puissance permettant le fonctionnement de la pompe a chaleur) sont de l’ordre de 3 a 5. A certaines periodes de l’annee, notamment au printemps et en automne, il est possible de ne pas faire appel a la pompe a chaleur. Par exemple, le fluide injecte peut avoir une temperature de l’ordre de 19 °C et etre extrait a une temperature de 14 °C, on parle alors de geo-cooling ou de free-cooling. Pour les geostructures thermiques, appelees aussi « geostructures energetiques » ou « geostructures thermoactives », le principe est de faire circuler le fluide caloporteur dans un pieu, un panneau de paroi moulee ou un voussoir de tunnel. L’idee est de faire l’economie d’un forage dedie a la geothermie et de lier directement le tube echangeur aux cages de ferraillage des pieux ou des parois moulees. La technique des geostructures thermiques est nee en Autriche dans le courant des annees 1980 et a connu dans le courant des annees 2000 et jusqu’a maintenant un interet considerable porte par la necessite de developper des energies renouvelables. Cette technique presente un comportement complexe car elle permet d’utiliser des ouvrages geotechniques a la fois comme elements de fondation ou de soutenement avec un role mecanique evident et comme structures d’echanges thermiques. Les enjeux de conception et de dimensionnement de ces structures obligent a decrire precisement le comportement de celles-ci sur les plans thermiques et mecaniques. Une presentation sur la maniere d’apprehender ces problematiques et les bases de justification vis-a-vis des aspects thermiques et mecaniques est proposee dans cet article.
L’Eurocode 7 et ses normes d’application nationale ont introduit ces dernieres annees de nouvelle... more L’Eurocode 7 et ses normes d’application nationale ont introduit ces dernieres annees de nouvelles procedures et methodes de calcul des ouvrages geotechniques. Cet ouvrage propose une synthese et une analyse des principaux changements introduits et met en evidence les differences entre ce nouvel ensemble de normes et celui plus ancien.Chaque chapitre correspond a un type d’ouvrages geotechniques (fondations superficielles, fondations profondes, ecrans de soutenement, etc.) et comprend a la fois des explications et commentaires sur les documents normatifs a utiliser et des exercices bases sur des exemples concrets. L’objectif est de permettre aux etudiants et aux jeunes ingenieurs de rapidement acquerir la maitrise des principales procedures et methodes de calcul proposees par l’Eurocode 7.
<p>Contempo... more <p>Contemporary living, the extreme climate changes and the necessity of renewable energy sources challenge the engineers around the globe to discover advanced methods of enabling a more comfortable life. For this purpose, geothermal energy systems are used to satisfy the calorific needs for cooling and heating. Thermo-active geo-structures, as dual-function elements, offer structural improvement and simultaneously provide eco-friendly and long-term cost-friendly solutions. This contribution provides an overview of the design of geothermal piles based on geometry variations. Hence, thermo-mechanical analyses are performed for axially loaded piles based on the load transfer approach using t-z curves method. With an absence of precise regulations and standards, the aim of these analyses is to simplify the design of thermo-active piles by generating an envelope chart utilizing the results for piles with different lengths and diameters. However, keeping a more realistic ratio of the geometry is of a significant importance, so that the piles are applicable on real project solutions.</p><p> </p>
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Papers by Julien Habert