TTS model for thermo-mechanical behavior of clay

‘Shallow geothermal energy’ is a term used to refer to the seasonal storage of thermal energy within the ground, typically at depths from about 10m below the ground surface (where temperatures are steady) to 100⁺m. Heating and cooling of buildings is accomplished using high efficiency heat pumps while heat exchange can be effected through boreholes, piles and other buried infrastructures using open or closed systems. While utilization of shallow geothermal energy has become increasingly popular in sustainable building designs, urban district-scale applications of these resources are critically dependent on the response of the ground. For closed-system heat exchangers in clay, long-term ground deformations of clay can be anticipated due to coupling of thermo-mechanical properties.

Tsinghua ThermoSoil (TTS) is a recently developed constitutive model, based on fundamental thermodynamic principles, that provides a generalized framework for describing time and temperature dependence of soil behavior including the response under cyclic loading. This paper illustrates TTS model calibration and evaluation at the laboratory element level, using limited data available in the geotechnical literature, and demonstrates how predictive capabilities of the model can provide credible estimates of long-term ground response to cycles of seasonal heating and cooling.

L'expression « énergie géothermique superficielle » est utilisée en référence au stockage saisonnier d'énergie thermique à des profondeurs allant de 10 mètres sous la surface (où les températures sont stables) jusqu'à plus de 100 mètres. Le chauffage et le refroidissement des immeubles sont accomplis grâce à des pompes à chaleurs à haute performance tandis que l'échange de chaleur peut être effectué à l'aide de forages, pieux ainsi que d'autres infrastructures enterrées utilisant des systèmes ouverts ou fermés. Alors que l'utilisation de l'énergie géothermique superficielle est de plus en plus courante dans la conception durable d'immeubles, les applications de ces ressources à l'échelle urbaine dépendent significativement de la réponse du sous-sol. Dans le cas des échangeurs de chaleurs en systèmes fermés dans des formations argileuses, leur déformation à long terme peut être anticipée à l'aide des propriétés thermomécaniques.

Le modèle constitutif « Tsinghua ThermoSoil (TTS) » récemment développé est basé sur les principes fondamentaux de la thermodynamique. Il fournit un cadre généralisé pour décrire les effets du temps et de la température sur le comportement d'un sol ainsi que sa réponse aux chargements cycliques. La présente étude porte sur la calibration et l'évaluation du modèle TTS à l'échelle du laboratoire en utilisant le peu de données disponibles dans la littérature géotechnique. Ce travail démontre la capacité de ce modèle à prédire des estimations crédibles de la réponse à long terme aux cycles thermiques saisonniers.