Investigation expérimentale de la rigidité dynamique en cisaillement et des caractéristiques du rapport d’amortissement des sols marins dans la baie de Lingdingyang, Chine

Pourquoi le fond marin compte pour les grands projets côtiers

Quand on imagine d’immenses ouvrages maritimes comme le pont Hong Kong–Zhuhai–Macao, on pense généralement aux pylônes, aux câbles et au trafic. Mais l’histoire réelle commence sous la ligne d’eau, où des couches de boue molle, de sable et d’argile soutiennent discrètement l’ensemble de la structure et transmettent aussi les ondes sismiques. Cette étude pose une question pratique aux fortes implications de sécurité et de coûts : comment ces sols sous‑marins dans la baie de Lingdingyang se comportent‑ils quand ils sont sollicités, et les ingénieurs peuvent‑ils prédire ce comportement sans forages et essais interminables et coûteux ?

Observer sous le pont

Les chercheurs ont examiné le fond marin sous et autour du pont transocéanique en mer de Chine méridionale, une zone soumise à une activité sismique modérée mais intermittente. Le fond y est loin d’être homogène. Il est composé de boues superficielles molles, de couches plus épaisses d’argiles marines mêlées de sable et de couches sableuses plus profondes, toutes déposées sur des millénaires par les rivières et les marées. Comme ces couches contrôlent la façon dont les secousses remontent jusqu’aux fondations du pont, l’équipe a d’abord cartographié la vitesse de propagation des ondes de cisaillement – vibrations latérales semblables à celles des séismes – à différentes profondeurs et types de sols en utilisant des instruments descendus dans des forages offshore.

Trouver de meilleures façons de prédire la vitesse de propagation

Les ingénieurs décrivent souvent la rigidité des sols par la vitesse des ondes de cisaillement, une grandeur qui tend généralement à augmenter avec la profondeur à mesure que le sol est plus comprimé. Des travaux antérieurs sur terre avaient proposé des formules simples reliant la profondeur à cette vitesse, et ces formules sont largement utilisées dans les codes de conception. En comparant ces formules à des centaines de mesures issues de 24 forages, les auteurs ont constaté qu’elles fonctionnent raisonnablement bien pour les couches sableuses sous la baie : une équation quadratique courbée ne dépendant que de la profondeur donne des prédictions précises pour le sable grossier, le sable fin et le sable limoneux. Mais la même approche échoue pour les matériaux cohésifs tels que les vases limoneuses et les mélanges argile–sable, dont le comportement est aussi façonné par le lien entre grains, la chimie de l’eau et la structure microscopique.

Ajouter le poids du sol à l’équation

Pour remédier à cela, l’équipe propose une nouvelle méthode de prédiction pour les sols marins cohésifs qui combine la profondeur avec la densité humide naturelle du sol – essentiellement le poids d’un volume donné de sédiment in situ. En normalisant la vitesse d’onde de cisaillement par la densité et en ajustant une relation linéaire simple avec la profondeur, ils ont élaboré une équation qui rend compte du fait que des argiles plus rigides et plus denses en profondeur transmettent les ondes plus rapidement que des argiles plus molles et plus légères près de la surface. Les essais ont montré que ce modèle à deux facteurs réduit sensiblement les erreurs de prédiction par rapport aux formules existantes, non seulement dans la baie de Lingdingyang mais aussi lorsqu’il est confronté à des données indépendantes de la baie de Bohai. Pour la pratique ingénierie, cela signifie moins d’essais offshore nécessaires pour établir une image fiable de la vitesse de propagation des secousses à travers le fond marin.

Comment les sols mous du fond marin réagissent aux secousses

La vitesse d’onde ne raconte cependant qu’une partie de l’histoire. Le fond marin présente aussi un comportement non linéaire : sous de faibles déformations il revient presque élastiquement, mais sous des secousses plus intenses il s’assouplit et dissipe davantage d’énergie. Pour sonder ce comportement, les chercheurs ont prélevé des carottes soigneusement préservées de différents sols marins à diverses profondeurs et les ont testées dans un dispositif de colonne résonnante, qui torsade les échantillons à amplitudes contrôlées. À partir de ces essais ils ont calculé le module dynamique de cisaillement (une mesure de la rigidité en vibration) et le rapport d’amortissement (la part d’énergie perdue à chaque cycle). Pour tous les types de sols, ils ont observé un schéma commun : à mesure que la déformation augmente, la rigidité diminue et l’amortissement augmente, les sols marins de la baie de Lingdingyang présentant globalement une rigidité faible et un amortissement relativement élevé par rapport à de nombreux sols continentaux.

La profondeur modifie l’équilibre entre mollesse et résistance

L’équipe s’est ensuite intéressée à la façon dont ces propriétés évoluent avec la profondeur d’enterrement. Ils ont constaté que les données de terrain et les mesures en laboratoire concordent : la rigidité maximale à petites déformations augmente régulièrement lorsque les sols se trouvent plus profondément sous le fond marin, tandis que l’amortissement tend à diminuer. Autrement dit, les couches profondes sont plus compactes et absorbent moins d’énergie. En utilisant une description mathématique largement adoptée de la non‑linéarité des sols (le modèle de Davidenkov), ils ont découvert que les paramètres de forme de la courbe de base restent presque constants avec la profondeur pour chaque type de sol, mais que la déformation caractéristique marquant le début de la forte non‑linéarité croît linéairement avec la profondeur. Cela signifie que les sédiments plus profonds peuvent tolérer des amplitudes de secousse plus importantes avant de s’assouplir nettement, tendance que les auteurs ont capturée par des formules simples dépendant de la profondeur et un jeu de paramètres recommandés pour différents sables et argiles.

Ce que cela signifie pour des structures offshore plus sûres

Pour les non‑spécialistes, l’essentiel est que la résistance et la capacité d’« absorption des chocs » des sols marins sous de grands projets offshore peuvent désormais être prédites de façon plus fiable avec des mesures relativement simples de profondeur et de densité. Les couches sableuses suivent une version affinée des formules de profondeur antérieures, tandis que les argiles nécessitent la nouvelle relation à deux facteurs présentée ici. Associés à des descriptions dépendantes de la profondeur de la façon dont la rigidité et l’amortissement évoluent pendant les secousses, ces outils aident les ingénieurs à construire des modèles numériques plus précis de la réponse des ponts, tunnels et éoliennes ancrés au fond marin face aux séismes et aux vagues, améliorant la sécurité tout en réduisant le besoin de campagnes d’essais offshore coûteuses.

Citation: Wu, Y., Qin, B., Fu, Y. et al. Experimental investigation of dynamic shear stiffness and damping ratio characteristics of marine soils in Lingdingyang Bay, China. Sci Rep 16, 13118 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42997-9

Mots-clés: génie géotechnique marin, vitesse d’onde de cisaillement, sédiments du fond marin, comportement dynamique des sols, réponse du site aux séismes