Influence de la non-stationnarité de l’angle de frottement sur le comportement du système d’excavation étayé

Pourquoi creuser à côté des bâtiments pose problème

Les villes modernes creusent constamment des fosses profondes pour des lignes de métro, des sous-sols et des tunnels de services. Ces excavations étayées doivent être réalisées en toute sécurité dans des quartiers densément bâtis, souvent à quelques mètres seulement des constructions existantes. Si le sol se déplace plus que prévu, les murs peuvent basculer, les rues s’enfoncer et des structures voisines se fissurer. Cet article examine comment un détail subtil — la manière dont le sable devient plus résistant avec la profondeur — modifie nos prévisions de mouvements du sol et les probabilités de dommages lors d’un creusement.

Comment on retient les parois des fosses profondes

Une excavation étayée typique utilise un mur souterrain rigide et une ou plusieurs entretoises horizontales pour retenir le terrain environnant. Les concepteurs s’inquiètent de deux types de comportements principaux. D’abord les ruptures de résistance, comme le flambement du mur de soutènement ou la surcharge des entretoises. Ensuite les problèmes de service, tels que le basculement excessif du mur ou un affaissement du sol suffisant pour endommager des bâtiments voisins. En pratique, des autorités comme celles de Shanghai imposent des limites strictes sur les déplacements des murs et l’affaissement du sol, surtout près d’infrastructures critiques comme les lignes de métro et les canalisations. Respecter ces limites exige des prévisions réalistes de la déformation du sol au fur et à mesure de l’excavation.

Le sol n’est jamais vraiment homogène

Les ingénieurs savent que les propriétés du sol varient d’un endroit à l’autre en raison de la façon dont les couches se sont déposées et comprimées au fil du temps. Classiquement, les modèles numériques traitent une propriété comme l’« angle de frottement » du sable — qui traduit la capacité des grains à s’emboîter — comme aléatoire mais avec la même valeur moyenne à toutes les profondeurs. Les données de terrain montrent toutefois que le sable devient généralement plus résistant en profondeur en raison de l’augmentation de la pression liée au poids des matériaux sus-jacents. Les auteurs qualifient ceci de condition non stationnaire : la résistance moyenne augmente avec la profondeur, tandis que l’amplitude des variations locales autour de cette tendance reste similaire.

Simuler des milliers de mouvements possibles du terrain

Pour tester l’importance pratique de cette tendance en profondeur, les chercheurs ont modélisé un cas réel d’excavation étayée en utilisant un logiciel aux différences finies spécialisé. Le modèle comprenait une couche de sable, un mur de soutènement profond et une entretoise unique, avec la nappe phréatique et les phases de construction représentées de façon réaliste. Ils ont alimenté le modèle avec des centaines de « cartographies » différentes de la résistance du sol, générées par ordinateur pour imiter l’aléa naturel. Dans certains ensembles, la résistance du sable était supposée constante en moyenne avec la profondeur ; dans d’autres, la résistance moyenne augmentait linéairement avec la profondeur, tout en conservant des variations locales aléatoires. Pour chaque cas, ils ont exécuté 600 simulations afin de suivre des réponses clés : la flèche latérale maximale du mur, l’affaissement maximal de la surface du sol et un nouvel indice appelé torsion de paroi de bâtiment, qui mesure comment un tassement inégal provoque une rotation de la paroi d’un bâtiment.

Ce qui change quand le sol profond est plus résistant

Les résultats montrent que nier l’augmentation de la résistance du sable avec la profondeur conduit à des prévisions à la fois plus pessimistes et moins réalistes. Lorsque l’angle de frottement moyen augmentait avec la profondeur, le mur pénétrait moins dans le sol et la surface s’affaissait moins. Par exemple, l’augmentation du gradient de résistance a réduit la flèche maximale typique du mur d’environ 29 millimètres à environ 18 millimètres, et l’affaissement maximal de la surface d’environ 22 millimètres à aussi peu que 10 millimètres. La profondeur à laquelle le mur se déformait le plus a également été déplacée vers le haut, parce que le sol plus profond et plus résistant maintenait mieux la base du mur. Dans le même temps, le schéma global de localisation des tassements restait dicté par la géométrie — près du bord opposé du bâtiment voisin — mais l’amplitude de ce tassement variait sensiblement selon la tendance de résistance.

Repenser les probabilités de risque et de dommages

Au-delà des déplacements moyens, l’équipe a estimé la fréquence à laquelle les limites normatives seraient dépassées. Ils ont examiné les probabilités de rupture pour des composants individuels (comme la flexion du mur ou la surcharge des entretoises) et pour le système dans son ensemble, selon trois niveaux de protection basés sur les critères du métro de Shanghai. Lorsque le sol était traité comme ayant une résistance moyenne constante en profondeur, les probabilités calculées de dépasser les mouvements admissibles étaient bien plus élevées que lorsque le profil réaliste d’augmentation de la résistance avec la profondeur était utilisé. Pour un niveau de protection modéré, la probabilité que n’importe quelle partie du système viole ses limites a presque été divisée par deux une fois la dépendance en profondeur prise en compte. Une découverte clé est que le tassement différentiel, exprimé par la torsion de la paroi du bâtiment, domine souvent le risque global : un projet qui paraît sûr si l’on ne regarde que l’affaissement maximal peut néanmoins présenter un danger sérieux pour les bâtiments adjacents.

Ce que cela signifie pour la construction en ville

Pour un lecteur non spécialiste, la conclusion est que de petites améliorations dans la manière dont on décrit le sol peuvent modifier sensiblement notre perception de la sécurité des excavations. Traiter le sable comme ayant la même résistance moyenne du haut en bas surestime la tendance des murs à basculer et l’importance des affaissements, et peut exagérer le risque calculé de dommages. Des modèles plus réalistes, où le sol profond est en moyenne plus résistant tout en restant variable, donnent des estimations plus faibles et mieux ciblées des déplacements et des probabilités de rupture. Surtout, l’étude montre aussi que les ingénieurs doivent considérer non seulement l’importance de l’affaissement global, mais aussi son caractère inégal, car la rotation des murs des bâtiments peut être un facteur critique de dommages. Ces enseignements peuvent conduire à des conceptions d’excavations profondes en milieu urbain plus sûres et plus économiques.

Citation: Rafi, K.M., Ering, P. Influence of non-stationarity in friction angle on the performance of the braced excavation system. Sci Rep 16, 5477 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35051-1

Mots-clés: excavation étayée, affaissement du sol, variabilité du sol, tunnelisation urbaine, risque d’excavation