Un modèle de module secant puissance–exponentiel pour le comportement de compression et de tassement des remblais en loess compacté

Pourquoi les collines artificielles peuvent s’enfoncer lentement

Dans de nombreuses régions vallonnées, on crée des zones planes en comblant des ravins profonds avec de fortes couches de sol compacté. Ces collines artificielles supportent routes, habitations et usines, si bien que de petits tassements irréguliers peuvent fissurer des bâtiments ou endommager des canalisations. Cette étude porte sur un sol courant, le loess, et pose une question simple mais cruciale pour les ingénieurs et les riverains : dans quelle mesure ces grands remblais vont-ils se comprimer et se tasser sous leur propre poids et sous celui des ouvrages qui y sont posés, et peut-on mieux prédire ce tassement ?

Un terrain stratifié loin d’être uniforme

Les chercheurs ont commencé par prélever des échantillons sur un site de remblai de 40 mètres d’épaisseur situé dans un ravin du plateau loessique chinois. Bien que toutes les couches proviennent de loess, les mesures de teneur en eau, de masse volumique sèche et de granulométrie variaient fortement avec la profondeur. En surface, le sol était lâche et humide, reflet des travaux récents. Les couches plus profondes, soumises à une énergie de compactage plus élevée, étaient plus denses et plus rigides, tandis qu’une zone de transition intermédiaire, au contact du loess naturel, était relativement faible et humide. Ce patchwork vertical signifie que certains horizons sont plus susceptibles de se comprimer que d’autres, ce qui explique en partie pourquoi le tassement peut être inégal sur un grand remblai.

Observer la fermeture des pores sous pression

À l’aide d’un appareil d’essai haute pression, l’équipe a comprimé des échantillons perturbés de chaque profondeur dans une direction tout en empêchant les mouvements latéraux, simulant la façon dont le sol est écrasé sous une large fondation. Ils ont suivi la réduction des petits vides entre les grains, appelés pores, à mesure que la pression augmentait. Tous les échantillons ont montré une relation courbe — et non linéaire — entre pression et déformation. À faibles pressions, le sol se compacte lentement, à pressions moyennes la compression s’accélère avec l’effondrement de la structure lâche, et à hautes pressions il se raidit de nouveau lorsque l’ossature granulaire plus résistante prend le relais. Une grandeur appelée module secant, qui reflète la raideur du sol sur une plage de contraintes donnée, augmente rapidement au départ, puis plus doucement, pour finalement tendre vers un plateau à haute contrainte.

Une façon plus simple de décrire l’évolution de la raideur

Les formules existantes qui relient la raideur du sol à la pression ne fonctionnent souvent que sur une partie de cette plage ou nécessitent de nombreux coefficients d’ajustement mal connus. Les auteurs proposent une nouvelle description mathématique, nommée modèle composite du module secant puissance–exponentiel. Plutôt que d’approcher la raideur directement, ils expriment d’abord la déformation du sol en fonction de la pression avec une fonction compacte à trois paramètres, puis déduisent la raideur à partir de cette courbe. Chaque paramètre a un rôle physique clair : l’un commande le niveau global de compression possible, un autre façonne la courbe dans la zone basse à moyenne pression où la structure se détériore, et le troisième gouverne la vitesse à laquelle la raideur se stabilise à haute pression lorsque l’ossature granulaire domine.

Tester les prédictions de tassement en conditions réelles

Pour vérifier l’utilité du modèle hors laboratoire, les chercheurs l’ont utilisé pour calculer le tassement vertical total d’un remblai de loess typique de 40 mètres d’épaisseur, en traitant le profil de sol comme une pile de couches aux propriétés variées. Ils ont comparé le tassement prédit à trois méthodes courantes : une approche traditionnelle en couches, un ancien modèle de module secant largement utilisé, et une méthode plus conservative basée sur un indice de compression. Toutes les méthodes ont donné des tassements totaux comparables, mais le nouveau modèle a fourni une valeur intermédiaire entre les estimations simples et conservatrices, correspondant au comportement observé sur le terrain, et a produit une distribution lisse des déformations en profondeur. Il est aussi resté stable lorsqu’on l’a étendu à des contraintes supérieures à celles utilisées pour l’ajustement, test important pour la fiabilité en ingénierie.

Ce que cela signifie pour des collines artificielles plus sûres

En termes simples, l’étude montre que la façon dont le loess compacté se raidit sous charge suit un schéma cohérent lié à la fermeture des pores, à la perte de structure fragile et à la réorganisation des grains en une ossature plus résistante. Le nouveau modèle à trois paramètres couvre toute cette séquence par une seule expression, ne nécessite que des essais de laboratoire standard pour son étalonnage, et relie ses paramètres à des caractéristiques de sol compréhensibles comme l’état d’humidité et la qualité du compactage. Pour les ingénieurs qui conçoivent de grands remblais en régions loessiques, il offre un outil à la fois plus physiquement pertinent et pratique pour estimer l’évolution des tassements dans le temps, les aidant à dimensionner des soutènements et des systèmes de drainage qui maintiennent routes et bâtiments de niveau et opérationnels.

Citation: Li, Z., Ren, S., Shen, A. et al. A power–exponential secant modulus model for the compression and settlement behavior of compacted loess fill. Sci Rep 16, 15410 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46222-5

Mots-clés: loess compacté, tassement des fondations, module secant, remblai de forte épaisseur, compression des sols