Réponse thermo-hydro-mécanique des murs à pieux énergétiques selon différentes configurations de murs, dispositions de tuyauterie et conditions d’infiltration

Transformer les murs de sous-sol en sources d’énergie propre

La plupart des bâtiments urbains ont besoin à la fois de murs souterrains robustes pour retenir les terres et de fournitures régulières de chauffage et de refroidissement. Cette étude examine une technologie qui permet à une seule infrastructure d’accomplir ces deux fonctions simultanément : les murs à pieux énergétiques. En étudiant attentivement la manière dont ces murs se comportent lorsqu’ils chauffent, refroidissent et interagissent avec les eaux souterraines, les chercheurs montrent comment les ingénieurs peuvent exploiter le sol comme source d’énergie renouvelable tout en maintenant la stabilité des excavations et des sous-sols.

Des murs qui stockent et transfèrent la chaleur

Les murs à pieux énergétiques sont des rangées de pieux en béton qui soutiennent le sol et font aussi office d’échangeurs de chaleur souterrains. Des tuyaux en plastique parcourent chaque pieu et transportent de l’eau qui absorbe l’excès de chaleur d’un bâtiment en été ou restitue la chaleur stockée en hiver via une pompe à chaleur. Parce que la température du sol à quelques mètres sous la surface reste assez constante au fil de l’année, ces murs peuvent déplacer de grandes quantités de chaleur avec beaucoup moins d’électricité que les climatiseurs ou chauffages traditionnels. L’inconvénient est que le réchauffement et le refroidissement répétés des pieux entraînent leur dilatation et contraction, ce qui peut pousser et fléchir subtilement le mur et le sol environnant.

Expériences virtuelles sous la ville

Pour comprendre ces mouvements cachés, l’équipe a construit des modèles numériques tridimensionnels détaillés de murs de soutènement typiques pour des excavations allant jusqu’à 12 mètres de profondeur. Ils ont exécuté les modèles pour six mois de rejet thermique continu, reproduisant une saison de refroidissement pendant laquelle le bâtiment au-dessus rejette de la chaleur dans le sol. Les simulations ont suivi l’écoulement thermique dans les tuyaux, les variations de température dans le béton et le sol, le mouvement des eaux souterraines, ainsi que les contraintes et les déplacements microscopiques du mur. Les chercheurs ont comparé différents types de murs (un simple encorbellement, un mur soutenu par deux dalles épaisses et un mur étayé par plusieurs dalles plus minces), deux dispositions de tuyauterie (boucles en 4U et une spirale) et une large gamme de rigidité et de perméabilité des sols, des sables lâches aux roches dures et aux argiles.

Petits déplacements, contraintes locales et rôle de l’eau

Les modèles montrent que, même sous un chauffage intense, les déplacements latéraux globaux des murs restent très faibles — moins d’environ deux millimètres — de sorte que la performance de service n’est pas la préoccupation principale. Cependant, le schéma de flexion et l’évolution des contraintes internes varient selon le type de mur, la rigidité du sol et la manière dont le mur échange la chaleur avec son environnement. Les murs dans des sols plus rigides ou en contact avec des surfaces maintenues à une température froide constante développent des moments de flexion plus élevés, en particulier près de la surface du sol et en fond d’excavation. La disposition des tuyaux importe aussi : bien que les conceptions en spirale et en 4U déplacent des quantités de chaleur similaires, la spirale génère des pics légèrement plus importants de contraintes thermiques. Dans des endroits critiques tels que la jonction entre les pieux et les dalles portantes, ces contraintes de traction peuvent dépasser la résistance à la fissuration du béton, ce qui suggère que des renforts supplémentaires ou des mesures de contrôle des fissures sont nécessaires à ces endroits.

Les eaux souterraines : alliées et sources de problèmes

L’écoulement des nappes phréatiques s’avère être une arme à double tranchant. Lorsque l’eau s’infiltre dans le sol près du mur, elle emporte la chaleur, augmentant le rendement thermique du système — parfois de plus de 50 % comparé à des conditions d’eau stagnante. Pourtant, ce même mouvement d’eau chaude peut modifier la façon dont le mur fléchit et où les efforts se concentrent, notamment au niveau de la dalle inférieure. Dans les sols très perméables, l’infiltration domine : la chaleur est entraînée par l’eau en mouvement, remodelant les profils de température et augmentant à la fois la flèche du mur et les forces internes. Dans des sols très peu perméables, l’eau ne peut pas se déplacer facilement, de sorte que le chauffage crée des poches de surtension interstitielle. Ces pressions piégées ne modifient pas beaucoup les déplacements latéraux, mais elles peuvent presque doubler les moments de flexion et les forces de cisaillement dans les murs multi-étayés, encore une fois à des endroits structuraux clés.

Une carte de conception pour des murs énergétiques plus sûrs et plus intelligents

En explorant un large éventail de conditions de sol et de construction, les auteurs identifient des seuils pratiques qui indiquent aux ingénieurs quel effet physique prédominera sur un site donné : au-delà d’une certaine perméabilité, le transport de chaleur entraîné par l’infiltration contrôle la réponse ; en dessous d’un seuil beaucoup plus bas, les pressions interstitielles piégées deviennent critiques. Dans ces régimes, l’étude recommande de privilégier les dispositions de tuyauterie en 4U et d’accorder une attention particulière au renforcement près des raccords de dalles et à la profondeur d’excavation. En termes courants, le travail montre qu’il est faisable et efficace de transformer des murs de soutènement en radiateurs souterrains, à condition que les concepteurs tiennent compte de l’interaction entre chaleur, eau et structure sous nos pieds. Avec les vérifications appropriées, les murs à pieux énergétiques peuvent renforcer discrètement les sous-sols urbains tout en contribuant à la décarbonation du chauffage et du refroidissement des bâtiments.

Citation: Villegas, L., Narsilio, G. & Fuentes, R. Thermo-hydro-mechanical response of energy-piled walls under varying wall configurations, pipe layouts, and seepage conditions. Sci Rep 16, 9198 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42923-z

Mots-clés: énergie géothermique, pompes à chaleur géothermiques, pieux énergétiques, murs de soutènement, infiltration des nappes phréatiques