Centrifuge modelling of heating effects on energy pile performance in saturated sand: Fid-Bau Portal

Centrifuge modelling of heating effects on energy pile performance in saturated sand

Ng, C.W.W

The operation of energy piles in summer can expel excess heat of the buildings into the ground by the use of a heat pump. Despite having been implemented for decades, the design of energy piles still relies heavily on empiricism, as there is limited understanding about heating effects on pile capacity. A series of centrifuge model tests on aluminum energy piles in medium dense saturated sand is reported in this study to investigate heating effects on the settlement patterns as well as capacities of single piles. In total, four in-flight pile load tests under three different temperatures, namely 22, 37, and 52 °C, and different loading sequences were carried out. Variations of pile capacity were interpreted with the help of a nonlinear elastic analysis. The test results show that after heating at zero applied axial load, toe resistance of the pile was mobilized as a result of constrained downward thermal expansion of the pile. Heating to a higher temperature caused the neutral plane to shift towards the pile toe due to a larger degree of mobilization of end-bearing resistance. It is also found that for a pile under a maintained working load, the pile head heaved initially by 1.4%D (D, pile diameter) when the temperature increased by 30 °C, but it gradually settled to 0.8%D after 4 months of continuous heating at the constant temperature. The post-pile settlement is believed to be caused by thermal contraction of sand. Subsequent pile load tests show that pile capacities increased by 13% and 30% with incremental temperatures of 15 and 30 °C, respectively. With an increasing temperature, shaft resistance increased but at a reducing rate. At a higher elevated temperature, toe resistance increased more rapidly than shaft resistance due to a larger downward expansion of the pile. For simplicity, earth pressure coefficients with values of 1.1K 0 and 1.3K 0 were found to be suitable for estimating the capacities of aluminum model piles with temperature increments of 15 and 30 °C, respectively.

L’utilisation de piles énergétiques en été permet de transférer dans le sol l’excès de chaleur provenant des bâtiments à l’aide d’une pompe à chaleur. Bien que les piles énergétiques soient utilisées depuis des décennies, leur conception est encore très largement empirique étant donné que les effets de chauffage sont encore mal compris. Dans la présente étude, on décrit une série d’essais sur modèle en centrifugeuse effectués sur des pieux énergétiques dans du sable saturé de densité moyenne dans le but d’analyser les effets de chauffage pour chaque type de tassement et les capacités de charge de chacun des pieux. Au total, on a réalisé quatre essais de chargement des pieux en vol sous diverses températures (22, 37 et 52 °C) et différentes séquences de chargement. Les variations de la capacité de charge des piles ont été interprétées à l’aide d’une analyse non linéaire élastique. Les résultats des essais montrent qu’après chauffage en l’absence de charge axiale appliquée, la résistance à la pointe du pieu a été mobilisée du fait de la dilatation thermique forcée vers le bas du pieu. Le chauffage à une température supérieure en entraîné le déplacement du plan neutre en direction de la pointe du pieu en raison du plus haut niveau de mobilisation de la résistance de pointe. On a également constaté que, dans le cas d’un pieu soumis à une charge d’utilisation constante, la tête de pieu se soulevait initialement jusqu’à une hauteur équivalente à 1,4 % fois D (D, diamètre du pieu) lorsque la température augmentait de 30 °C, mais qu’elle se tassait graduellement sur une profondeur égale à 0,8 % fois D après 4 mois de chauffage continu à température constante. Le tassement de pieu résultant serait dû par la contraction thermique du sable. Des essais de charge du pieu réalisés par la suite révèlent que la capacité de charge du pieu a augmenté de 13 et 30 % sous l’effet d’augmentations respectives de température de 15 et 30 °C. Lorsque la température a augmenté, la résistance du fût du pieu a augmenté, mais à un rythme réduit. À une température plus élevée, la résistance à la pointe du pieu s’est accrue plus rapidement que la résistance du fût en raison d’une dilatation plus importante du pieu vers le bas. Par souci de simplicité, on a considéré qu’un coefficient de pression des terres égal à 1,1K 0 et à 1,3K 0 était approprié pour mesurer la capacité de charge d’un pieu expérimental en aluminium pour des augmentations respectives de température de 15 et 30 °C. [Traduit par la Rédaction]