Développement d’un modèle constitutif élastoplastique pour sols expansifs soumis à des cycles de dessèchement-humidification et de gel-dégel

Pourquoi la fissuration des sols importe pour les canaux

Dans de nombreuses régions sèches et froides, l’eau potable et d’irrigation est acheminée dans des canaux ouverts creusés dans un type d’argile particulier appelé sol expansif. Ce sol gonfle lorsqu’il absorbe de l’eau et se contracte et fissure lorsqu’il sèche ou gèle, ce qui peut progressivement compromettre les berges des canaux. L’étude résumée ici explique, étape par étape, comment des saisons répétées d’humidification, de dessèchement, de gel et de dégel affaiblissent ces sols — depuis l’échelle des pores invisibles jusqu’aux fissures visibles et aux ruptures de talus — et présente un nouveau modèle mathématique que les ingénieurs peuvent utiliser pour prédire ces dommages.

Du sol solide aux talus fissurés

Les chercheurs se sont concentrés sur un grand canal de transfert d’eau dans le nord du Xinjiang, une zone désertique froide où le canal traverse de longues bandes de sol expansif. En été, le canal transporte de l’eau ; en hiver, il est vidé et exposé à l’air glacial. Ce cycle annuel d’imprégnation, de dessèchement et de gel a déjà produit des réseaux de fissures complexes, des glissements de talus et des déformations des fonds de canal, réduisant l’efficacité d’acheminement de l’eau. Pour comprendre pourquoi cela se produit, l’équipe a prélevé des sols dans le canal, les a compactés en laboratoire pour reproduire les conditions de terrain, puis a soumis des échantillons à jusqu’à neuf cycles contrôlés d’humidification–dessiccation et de gel–dégel.

Tester la résistance et observer la croissance des fissures

À l’échelle visible, ou macroscopique, l’équipe a utilisé des essais triaxiaux — où des échantillons cylindriques de sol sont comprimés de tous les côtés puis lentement chargés — pour suivre l’évolution de la résistance du sol à chaque cycle. Les courbes contrainte–déformation ont montré que le sol devenait progressivement plus faible et plus déformable : la résistance à la rupture a chuté d’environ 30 % après neuf cycles, la baisse la plus marquée intervenant dès le premier. Une mesure clé de la résistance, appelée cohésion, qui reflète l’adhésion entre particules, a diminué d’environ un quart au total et a suivi un déclin exponentiel en fonction du nombre de cycles. En revanche, l’angle de frottement interne — lié au glissement et à l’emboîtement des grains — est resté presque inchangé, indiquant que c’est la liaison entre particules, plutôt que le frottement, qui se détériore principalement.

Relier les réseaux de fissures aux changements de pores cachés

Pour capturer ce qui se passe entre l’échelle totalement visible et l’échelle microscopique, les chercheurs ont photographié les surfaces des éprouvettes après différents nombres de cycles et analysé les motifs de fissuration. Ils ont introduit un indice simple de « connectivité », Q, qui augmente à mesure que des fissures isolées se rejoignent pour former un réseau continu. Initialement, seules quelques petites fissures apparaissaient. Avec davantage de cycles, des fissures verticales, horizontales et inclinées se sont élargies et reliées, finissant par découper l’éprouvette en blocs et annonçant une défaillance structurelle générale. Q a augmenté rapidement au début puis s’est stabilisé — reflétant la perte rapide de résistance au départ. Au niveau microscopique, des images au microscope électronique à fort grossissement ont montré que d’anciens agrégats de sol fortement liés se fracturaient en de nombreux petits particules, tandis que la surface totale occupée par les particules solides et leur taille moyenne diminuaient sensiblement. Les pores fins se connectaient progressivement, formant des chemins qui deviendront ensuite les fissures visibles. L’analyse statistique a confirmé que la perte de surface des particules solides suivait de près à la fois la chute de cohésion et l’augmentation de la connectivité des fissures.

Une nouvelle façon de prédire l’affaiblissement du sol

Au‑delà de la description de ces changements, les auteurs ont construit un modèle mathématique amélioré pour les prédire. Ils sont partis d’un cadre largement utilisé en mécanique des sols, connu sous le nom de modèle Cam‑clay modifié, qui relie la compression et le cisaillement des argiles sous charge. Pour représenter l’adhésion entre particules dans les sols expansifs, ils ont ajouté un paramètre de « contrainte d’adhésion effective » qui décale la courbe de contrainte du modèle. Ils ont ensuite ajusté ce paramètre et d’autres sur leurs données d’essais pour différents nombres de cycles. Le résultat est un ensemble de formules exponentielles simples décrivant comment les propriétés clés du sol évoluent sous des cycles répétés d’humectation–dessiccation et de gel–dégel. Lorsqu’ils ont intégré ces formules au modèle, les courbes prédites de contrainte–déformation et de variation de volume ont bien reproduit les expériences, montrant que le modèle peut capturer de façon réaliste les dommages progressifs.

Ce que cela signifie pour les canaux réels

Pour les non‑spécialistes, le message principal est que les sols expansifs soumis aux variations saisonnières d’humidité et de température ne cèdent pas d’un coup. Leurs pores internes se reconfigurent, leurs particules se fragmentent et leurs fissures se connectent progressivement en réseaux qui érodent silencieusement la résistance bien avant qu’un talus ne s’effondre visiblement. En reliant les observations de l’échelle des pores à celle des talus et en intégrant ces liens dans un modèle pratique de prédiction, cette étude fournit aux ingénieurs des outils pour estimer la vitesse de détérioration des berges de canaux dans des climats similaires et pour concevoir des renforcements ou des mesures de drainage avant que des ruptures coûteuses ne se produisent.

Citation: Zhang, H., Yang, M. & Cui, Z. Development of an elastoplastic constitutive model for expansive soil under drying-wetting and freezing-thawing cycles. Sci Rep 16, 5756 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36311-w

Mots-clés: sol expansif, cycles gel–dégel, fissuration des sols, stabilité des talus de canal, modèle constitutif du sol