Couplage hydro-mécanique et mécanisme d’évolution microstructurale des sols expansifs sur toute la plage de succion

Pourquoi les pentes fissurées comptent

Partout dans le monde, des tronçons de canaux, de routes et des fondations reposent sur un type de sol délicat appelé sol expansif. Ce sol gonfle lorsqu’il est humide et se rétracte quand il sèche, ce qui peut provoquer des fissures sur les berges des canaux, incliner les chaussées et endommager les structures. Par exemple, le Projet de transfert d’eau du Sud vers le Nord en Chine traverse sur des centaines de kilomètres des sols de ce type. Cette étude analyse en détail comment l’entrée et la sortie de l’eau dans le sol expansif modifient son réseau de pores interne et, par conséquent, contrôlent l’ampleur du gonflement ou du retrait. Comprendre ce comportement caché aide les ingénieurs à concevoir des remblais plus sûrs et à réduire des dommages coûteux.

Un sol qui respire avec le climat

Le sol expansif n’est pas un bloc solide ; il s’agit d’un réseau de particules minérales très fines avec des pores entre elles et à l’intérieur des agrégats. Quand les précipitations, les niveaux d’eau des canaux et les variations saisonnières provoquent des cycles de dessiccation et d’humidification, l’eau circule à travers ces pores. Les chercheurs se sont concentrés sur un sol expansif faible utilisé pour construire un remblai de canal dans le centre de la Chine. Ils ont reproduit des conditions proches du terrain en laboratoire en préparant des échantillons compactés correspondant à la densité et à l’humidité naturelles du remblai. Ils ont ensuite soumis ces échantillons à des cycles répétés de séchage–imbibition sur une plage de « succion » exceptionnellement large — une mesure de la force avec laquelle le sol retient l’eau, depuis des états proches de la saturation jusqu’à des conditions très sèches.

Tracer les allées et venues de l’eau

Pour cartographier la quantité d’eau retenue à chaque niveau de succion, l’équipe a combiné trois méthodes de laboratoire couvrant ensemble toute la gamme, du très humide à l’extrêmement sec. Les essais sur plaque de pression ont traité les faibles suctions, des solutions salines spécifiques ont contrôlé l’humidité pour les suctions très élevées, et un dispositif au point de rosée a comblé les intervalles. À partir de ces mesures, ils ont construit une courbe caractéristique eau–sol, une sorte d’empreinte montrant comment la teneur en eau, l’espace poreux et la saturation évoluent à mesure que le sol sèche puis se remouille. Ils ont observé une forte « hystérèse » : le parcours suivi pendant le dessèchement n’est pas retracé lors de la réhumidification. À la même succion, un sol asséché tend à être plus dense et à retenir plus d’eau qu’un sol ayant été réhumecté, parce que des bulles d’air restent piégées, les formes de pores diffèrent et les angles d’avancement ou de retrait de l’eau sur les surfaces des particules ne sont pas identiques.

Un réseau poreux caché à deux niveaux

Pour voir ce qui se passe à l’intérieur, les chercheurs ont utilisé des essais d’intrusion au mercure et la microscopie électronique à balayage pour observer et mesurer des pores à de multiples échelles. La structure interne du sol s’est révélée clairement double : de grands pores se situent entre les agrégats de particules, tandis que des pores beaucoup plus petits se trouvent à l’intérieur de chaque agrégat. La frontière entre ces deux familles de pores se situe autour de 0,2 micromètre. Sur l’ensemble des niveaux de succion, les tout petits pores internes conservent une distribution de volume remarquablement stable, tandis que les plus grands pores évoluent de manière spectaculaire. Lorsque la succion augmente et que le sol sèche, les plus grands pores se rétrécissent ou se referment, le volume poreux total diminue et le sol se contracte. Lors de la réhumectation, le processus se déroule en trois étapes : d’abord, les macropores se referment et la taille de pore dominante devient plus petite ; à un stade intermédiaire, la distribution globale reste relativement stable ; enfin, à mesure que le sol redevient humide, les agrégats gonflent, les macropores se remplissent partiellement et se réarrangent, et l’échantillon subit une expansion notable.

Des déplacements microscopiques, des dommages macroscopiques

Les images au microscope électronique montrent cette transformation comme un passage de structures lisses en plaques avec de larges espaces connectés à faible succion vers des motifs plus granulaires et serrés avec de nombreux petits pores et microfissures à haute succion. À mesure que l’eau est extraite, les forces entre particules augmentent, les plaques se fragmentent en éléments plus petits et les grands pores s’effondrent en pores plus fins. Lors de l’humidification, les agrégats poussent vers l’extérieur, comblant en partie d’anciens vides. Parce que l’équilibre entre eau et air dans les grands et petits pores change à des rythmes différents, un même rapport de vides global peut correspondre à des niveaux de saturation différents selon que le sol est en dessiccation ou en remontée d’humidité. Ce couplage étroit entre l’état de l’eau et la géométrie des pores implique que les contraintes mécaniques supportées par le squelette du sol évoluent différemment selon la trajectoire, laissant des déformations irréversibles après chaque cycle.

Ce que cela signifie pour les ouvrages réels

Pour un public non spécialiste, le message clé est que le sol expansif se comporte comme une éponge vivante à deux systèmes de pores distincts : de petits pores stables enfermés dans les agrégats et des pores plus grands très réactifs entre eux. L’étude montre que la façon dont ces grands pores s’ouvrent, se ferment et se redistribuent durant les cycles de dessiccation–humidification explique à la fois la forte hystérèse de la rétention d’eau et les importants changements de volume observés sur le terrain. Reconnaître le rôle déterminant de cette microstructure à double porosité permet aux ingénieurs de mieux modéliser les mouvements des remblais au fil du temps, d’améliorer la conception des revêtements et des renforcements de canaux, et d’anticiper les zones les plus sujettes aux dégâts par gonflement–retrait.

Citation: Wang, D., Li, M. & Wang, Z. Hydro-mechanical coupling and microstructural evolution mechanism of expansive soil under full suction range. Sci Rep 16, 8347 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39828-2

Mots-clés: sol expansif, microstructure du sol, sols non saturés, succion et gonflement, stabilité des remblais de canal