Étude numérique des effets des paramètres du sol sur la capacité portante en soulèvement des pieux hélicoïdaux circulaires photovoltaïques

Des supports solaires plus résistants face au vent

À mesure que les fermes solaires s’étendent sur les champs et dans les déserts, leurs supports métalliques doivent résister à de violentes rafales qui cherchent à les arracher du sol. Les ingénieurs ont commencé à utiliser un nouveau type de fondation en acier spiralé, appelé pieu hélicoïdal circulaire, pour ancrer les structures photovoltaïques, mais il restait incertain de savoir comment différents types de sols favorisent ou entravent réellement ces pieux. Cette étude utilise des simulations informatiques pour démêler la façon dont les propriétés essentielles du sol contrôlent la résistance au soulèvement de ces pieux particuliers, offrant des indications pour des installations solaires plus sûres et plus fiables dans le monde entier.

Un nouveau type de fondation spiralée

Les pieux spiraux traditionnels ressemblent à un arbre d’acier muni d’une ou plusieurs plaques plates, un peu comme une vis géante. Le pieu hélicoïdal circulaire remplace les plaques discrètes par une surface hélicoïdale continue enroulée autour de l’arbre. Cette forme peut être plus ou moins serrée et être installée par rotation, par pressage, ou par une combinaison des deux. Des projets sur le terrain au Japon, en Chine et en Corée du Sud ont montré que les pieux hélicoïdaux circulaires peuvent supporter des charges descendantes et ascendantes bien supérieures à celles des pieux droits simples. Pourtant, la plupart des recherches antérieures ont été menées dans des bacs à sable en laboratoire, laissant des questions ouvertes sur la performance dans des sols réels contenant de l’argile, de la cohésion et des rigidités variables.

Essais virtuels dans un sol réaliste

Pour explorer ces questions, les auteurs ont construit un modèle informatique tridimensionnel détaillé d’un pieu hélicoïdal circulaire entouré de sol. Ils ont utilisé un logiciel industriel pour représenter le pieu en acier comme un matériau élastique et le terrain par un modèle géotechnique courant qui intègre à la fois la résistance et la déformation. Le pieu simulé a été installé puis tiré vers le haut par étapes, reproduisant des essais en vraie grandeur réalisés dans des cendres volcaniques et des argiles marines. Lorsque l’équipe a comparé les courbes charge–déplacement calculées avec sept séries de mesures in situ, la concordance était bonne, ce qui donne confiance dans le comportement du pieu virtuel par rapport au réel.

Comment le pieu mobilise sa résistance

Les essais et les simulations ont montré que la résistance au soulèvement n’atteint pas un pic brutal suivi d’une chute. Au contraire, la force nécessaire pour continuer à tirer le pieu augmente de manière progressive à mesure que la tête monte, l’accroissement ralentissant graduellement. Il n’y a pas de point de rupture net. Pour la conception, cela signifie que la capacité ultime ne peut pas être lue sur une valeur maximale unique ; elle doit être définie en utilisant des niveaux de déplacement convenus ou un ajustement de courbe. L’étude a examiné plusieurs choix pratiques et a trouvé que, lorsque le pieu atteint son état ultime, le mouvement ascensionnel de la tête est d’environ un dixième du diamètre du pieu. La charge à ce déplacement correspond étroitement à la valeur donnée par une méthode couramment utilisée d’intersection de courbes, si bien que prendre la force à un dixième du diamètre comme capacité ultime en soulèvement est un raccourci raisonnable.

Quelles propriétés du sol importent le plus

Après avoir validé leur modèle, les chercheurs ont fait varier systématiquement des propriétés clés du sol sur des plages réalistes pour les sites de fermes solaires. Ils ont modifié la rigidité du sol, son taux de contraction latérale lors de la compression, sa cohésion interne, sa résistance par frottement et la rugosité du contact entre pieu et sol. Pour chaque cas, ils ont tiré le pieu à plusieurs niveaux de déplacement et enregistré la force résistante. Dans tous les scénarios, un sol plus résistant ou plus rigide augmentait toujours la capacité au soulèvement. Toutefois, toutes les propriétés n’avaient pas la même importance. En utilisant plusieurs méthodes de sensibilité complémentaires, incluant des variations à facteur unique, des plans d’essai structurés et des mesures statistiques de similarité, ils ont systématiquement constaté que la cohésion du sol était le paramètre dominant, suivie par la rigidité et l’angle de frottement. La contraction latérale et le frottement direct à la surface pieu–sol avaient une influence bien moindre.

Conseils pour des fondations solaires plus sûres

En termes simples, ce travail montre que les pieux hélicoïdaux circulaires s’ancrent plus fermement lorsque le sol lui‑même est bien lié et raisonnablement rigide, et que leur résistance ultime est atteinte après un mouvement ascensionnel modéré mais non négligeable. Pour les ingénieurs concevant des supports photovoltaïques, les résultats mettent en évidence les essais de sol les plus importants et suggèrent un déplacement cible pratique pouvant remplacer une définition de rupture plus complexe. En se concentrant d’abord sur la cohésion, ensuite sur la rigidité et le frottement, et en traitant les autres paramètres comme secondaires, les concepteurs peuvent mieux gérer l’incertitude des conditions de sol et optimiser l’utilisation de ce type de pieu prometteur dans le déploiement de l’énergie solaire.

Citation: Wang, K., Zhang, R., Yasufuku, N. et al. Numerical investigation of soil parameter effects on the axial uplift bearing capacity of novel photovoltaic circular helicoid piles. Sci Rep 16, 15641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46197-3

Mots-clés: pieu hélicoïdal circulaire, capacité portante en soulèvement, fondations photovoltaïques, sensibilité aux paramètres du sol, analyse par éléments finis