A Calculation Model for the Loess Collapse Coefficient Considering Progressive Wetting, Dry Density, and Applied Vertical Pressure Calculation Model for Moisture-Induced Collapse of Loess Considering Three Factors: Overburden Pressure, Water Content and Density

Dans les paysages arides et semi-arides du nord et du nord-ouest de la Chine, une vaste étendue de terre brun jaunâtre connue sous le nom de loess couvre près de 6,6 pour cent du territoire national. Ce sol, formé par des poussières transportées par le vent sur des milliers d'années, possède une nature unique et précaire. Dans son état naturel sec, les particules sont maintenues ensemble par des liaisons faibles, créant une structure pleine de minuscules pores ouverts qui ressemble à une éponge faite de poussière. Cette structure est métastable, ce qui signifie qu'elle ne conserve sa forme que tant qu'elle reste sèche. Cependant, lorsque l'eau s'infiltre dans ce sol alors qu'il est soumis au poids de bâtiments ou de la terre située au-dessus de lui, ces liaisons faibles se dissolvent. La structure du sol s'effondre soudainement, les particules se réorganisent en une configuration plus dense, et le sol s'affaisse. Ce phénomène, connu sous le nom d'effondrement induit par l'humidification, représente une menace significative pour les infrastructures, provoquant un tassement inégal des fondations, des ondulations de routes et des ruptures de pentes. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps un moyen de prédire exactement de combien une parcelle spécifique de ce sol s'affaissera lorsqu'elle sera mouillée, mais la réponse est demeurée insaisissable car le comportement du sol dépend d'un mélange complexe de facteurs : son degré d'humidité actuel, la compacité de ses particules et la pression qui l'exerce sur lui.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Xijing et de l'Université de Shangluo s'est donné pour mission de démêler ces facteurs interactifs en étudiant le loess de la région d'Ili, dans le Xinjiang. Ils ont commencé par collecter des échantillons de sol à des profondeurs comprises entre 8 et 15 mètres, une zone où la terre est souvent soumise au poids de constructions futures. En laboratoire, ils ont recréé les conditions que le loess pourrait rencontrer dans le monde réel. Ils ont pris le sol sec, l'ont broyé en une poudre uniforme, puis y ont mélangé avec précision des quantités d'eau pour créer des spécimens présentant différents niveaux d'humidité. Ils ont ensuite compacté ces mélanges dans des anneaux pour obtenir différentes densités, allant d'un état lâche et aéré à un état serré et lourd. Une fois préparés, ces spécimens ont été placés sous une série de pressions verticales croissantes, simulant le poids d'un bâtiment ou de la terre sus-jacente, allant de 50 kilopascals jusqu'à un montant substantiel de 2000 kilopascals.

Le moment critique de leur expérience fut l'inondation de ces spécimens sous pression. À mesure que l'eau s'infiltrait, les chercheurs mesuraient précisément l'ampleur du rétrécissement du sol. Ils ont découvert que l'ampleur de l'affaissement, ou coefficient de collapse, ne suivait pas un schéma simple et linéaire. Au contraire, la réaction du sol était une danse dynamique de causes et d'effets. Lorsque le sol était très sec, l'ajout d'un peu d'eau provoquait un effondrement spectaculaire. À mesure que la teneur initiale en eau augmentait, le sol devenait moins sensible à l'humidification supplémentaire, et l'ampleur de l'affaissement additionnel diminuait. De même, la densité du sol jouait un rôle crucial ; un sol plus lâche, possédant plus d'espaces vides entre les particules, s'effondrait beaucoup plus violemment qu'un sol déjà compacté étroitement.

La découverte la plus surprenante concernait la façon dont le sol réagissait à la pression exercée sur lui. Les chercheurs ont observé que l'effondrement n'augmentait pas simplement avec l'augmentation de la pression. Au lieu de cela, la tendance du sol à l'effondrement augmentait avec la pression jusqu'à un certain point, atteignait un sommet, puis commençait à diminuer ou à se stabiliser à des pressions plus élevées. Cela signifiait qu'une couche de sol pouvait être très sujette à l'affaissement sous une charge modérée, mais moins sous une charge très lourde, une nuance que les modèles simples omettent souvent. L'équipe a réalisé que pour prédire ce comportement avec précision, elle ne pouvait pas examiner la teneur en eau, la densité et la pression de manière isolée. Elle devait comprendre comment ces trois facteurs travaillaient ensemble comme un système couplé unique.

Pour capturer cette complexité, les chercheurs ont développé un nouveau modèle de calcul. Ils ont traduit leurs mesures physiques en un ensemble de relations décrivant comment le coefficient de collapse changeait à mesure que le sol passait d'un état sec et lâche vers un état plus humide et plus dense. Ils ont introduit une façon de mesurer le « paramètre d'humidification », qui suit la progression du sol de son état sec initial vers une saturation complète. En testant leur modèle par rapport à l'ensemble de leurs données de laboratoire, ils ont constaté qu'il pouvait prédire le comportement de l'effondrement avec un haut degré de précision, capturant la montée et la chute non linéaires du coefficient de collapse à mesure que la pression changeait. Le modèle a montré qu'à mesure que le sol devenait plus saturé, le potentiel d'effondrement restant diminuait de façon constante, une tendance qui restait vraie pour les différentes densités testées.

Le véritable test de ce modèle fut l'application par les chercheurs à un scénario du monde réel. Ils ont utilisé les données d'une expérience de terrain massive menée dans la région d'Ili, où une couche de loess de 30 mètres d'épaisseur avait été inondée pour mesurer son affaissement total dû à son propre poids. En utilisant leur nouveau modèle, ils ont calculé l'affaissement attendu pour chaque mètre de cette colonne de sol, couche par couche, en se basant sur la teneur en eau naturelle et la densité trouvées à chaque profondeur. Le résultat fut un tassement total prédit de 3330,71 millimètres. Lorsqu'ils ont comparé ce résultat à l'affaissement réellement mesuré lors du test de terrain, qui était de 3520 millimètres, la différence était remarquablement faible — une erreur relative de seulement 5,38 pour cent. Cette correspondance étroite a démontré que le modèle pouvait transformer efficacement des propriétés de sol simples et mesurables en une prédiction fiable de l'affaissement potentiel d'une fondation.

L'étude conclut que bien que le modèle soit spécifiquement calibré pour le loess de la région d'Ili, il fournit un cadre puissant pour comprendre la mécanique de l'effondrement induit par l'humidification. Il dépasse l'idée selon laquelle le comportement du sol est régi par un facteur unique, montrant plutôt que l'interaction entre l'humidité, la structure des pores et la pression crée une réponse complexe mais prévisible. En tenant compte de la nature progressive de l'humidification, le modèle offre aux ingénieurs un outil pour estimer plus précisément le risque de rupture de fondation, évitant potentiellement les tassements différentiels coûteux et dangereux qui frappent les structures construites sur cette terre fragile. Ce travail confirme qu'avec la bonne approche mathématique, l'instabilité cachée du loess peut être quantifiée, transformant un aléa géologique en un défi d'ingénierie gérable.