Un modèle constitutif de dommage pour schiste carbonacé comportant une fissure unique sous cycles de séchage‑humectation et compression triaxiale

Pourquoi les roches fissurées sur les pentes comptent

De nombreuses routes, voies ferrées et barrages en régions montagneuses sont creusés dans des pentes constituées d’une roche sombre et fragile appelée schiste carbonacé. Lorsque cette roche est traversée de fissures et exposée de façon répétée au dessèchement et à l’humidification — comme lors des pluies saisonnières — elle s’affaiblit progressivement. Cet affaiblissement latent peut préparer le terrain à des effondrements et des glissements de terrain. Cette étude élabore une formulation mathématique décrivant comment un tel schiste fissuré perd graduellement de la résistance sous l’effet des variations d’humidité et de la pression confinante, aidant les ingénieurs à mieux prévoir la stabilité des pentes à long terme.

Une roche qui « respire » l’eau

Le schiste carbonacé est fréquent dans les ouvrages d’ingénierie et réputé pour sa sensibilité à l’eau. En se desséchant et en s’humidifiant à plusieurs reprises, ses pores internes se dilatent et se connectent, et des fissures existantes peuvent croître. Les auteurs notent que ce cycle réduit de façon soutenue la résistance et la rigidité de la roche, ce qui diminue la marge de sécurité des pentes et des ouvrages souterrains. Des travaux antérieurs ont étudié comment les cycles mouillage‑dessiccation endommagent les roches et comment les fissures ou joints les affaiblissent, mais aucune description unique n’intégrait simultanément toutes les influences clés : le cycle d’humidité, l’orientation de la fissure et la pression confinante provenant de la roche environnante.

Tester le schiste fissuré dans des conditions réalistes

Pour combler cette lacune, les chercheurs ont d’abord réalisé une série d’essais en laboratoire sur des prismes de schiste carbonacé, certains intacts et d’autres comportant une fissure artificielle unique taillée à différents angles. Ces échantillons ont été soumis à divers nombres de cycles séchage‑humectation, puis comprimés sous différentes pressions confinantes reproduisant le poids de la roche sus‑jacente. À partir des courbes contrainte–déformation obtenues — des graphiques montrant combien les échantillons se déforment à mesure que la charge augmente — ils ont observé des tendances nettes. Un plus grand nombre de cycles séchage‑humectation déplace les courbes vers le bas, indiquant une roche affaiblie, tandis qu’une pression confinante plus élevée les déplace vers le haut, révélant un effet de renforcement ductile. L’angle de la fissure contrôle la facilité de rupture de l’échantillon, une fissure à 45° entraînant l’affaiblissement le plus marqué.

Construire une feuille de route du dommage à l’intérieur de la roche

À partir de ces observations expérimentales, l’équipe a construit un modèle de dommage étape par étape qui sépare trois contributions : le dommage microscopique induit par le séchage‑humectation, le dommage macroscopique provenant de la fissure préexistante, et le dommage additionnel qui se développe lors du chargement. Ils traduisent chaque type de dommage par des modifications de la rigidité de la roche et les combinent en une seule mesure de dommage « couplée ». De manière cruciale, ils scindent la réponse de la roche en deux stades. Le premier est un stade de compactage, où les micropores et microfissures se referment et la roche se raidit. Le second est un stade de propagation du dommage, où de nouvelles microfissures se forment et se connectent, conduisant finalement à la rupture. Cette approche segmentée permet au modèle de suivre la courbe contrainte–déformation complète, y compris le compactage non linéaire initial que les modèles antérieurs négligeaient.

Cinq étapes sur la voie de la rupture

Lorsque les auteurs ont appliqué leur modèle aux données d’essai, les courbes prédites ont bien reproduit les mesures, en particulier l’évolution du dommage. Le modèle montre que le dommage progresse selon cinq étapes, formant une trajectoire en S : une phase initiale stable, un début progressif du dommage, une phase d’accélération rapide, une phase de ralentissement à l’approche de la limite de résistance, puis une phase finale où la roche est largement défaillante. L’augmentation du nombre de cycles séchage‑humectation décale cette courbe en S vers la gauche, ce qui signifie que la roche atteint des niveaux de dommage sérieux à des déformations plus faibles. Une pression confinante plus élevée la décale vers la droite, retardant la rupture et permettant une plus grande déformation avant l’effondrement. L’angle de la fissure règle le niveau de dommage initial et la direction préférentielle de propagation, avec un pic de sévérité autour de 45° d’inclinaison.

Ce que cela signifie pour pentes et tunnels

Concrètement, l’étude fournit une règle quantitative de « vieillissement et rupture » pour le schiste fissuré : les cycles répétés d’humidification et de dessiccation agissent comme un accélérateur discret du dommage, la pression confinante joue le rôle d’une ceinture de retenue, et l’orientation d’une fissure majeure définit la trajectoire privilégiée de la rupture. En réunissant ces trois influences dans un seul modèle qui reproduit le comportement contrainte–déformation réel, les ingénieurs disposent d’un outil pour anticiper comment les pentes en schiste et les excavations souterraines se détérioreront au fil des saisons et des charges. Cela peut orienter des conceptions plus sûres, un meilleur suivi et des renforcements opportuns avant que de petits changements invisibles dans la roche ne se transforment en désastres visibles et étendus.

Citation: Li, Y., Wang, Y., Wang, R. et al. A damage constitutive model of carbonaceous shale containing a single crack under drying-weting cycles and triaxial compression. Sci Rep 16, 12427 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41783-x

Mots-clés: stabilité des pentes rocheuses, cycles séchage–humectation, schiste fissuré, modélisation des dommages rocheux, compression triaxiale