Faits: A. K._, né en 1978, a travaillé en qualité d'agent professionnel au service de X._ SA, à N._. A ce titre, il était assuré obligatoirement contre le risque d'accident auprès de Winterthur Assurances, aujourd'hui AXA Assurances SA (ci-après: l'assureur). Le 8 mars 2004, le prénommé a été victime d'un accident. Alors qu'il circulait au volant de sa voiture, à M._, le véhicule précédant le sien s'est arrêté brusquement pour laisser passer un piéton. L'assuré s'est arrêté à son tour et sa voiture a été heurtée à l'arrière par une camionnette avant de heurter elle-même le véhicule qui la précédait. Souffrant de douleurs, l'assuré s'est rendu, le 18 mars 2004, au centre médical Y._, où il a été examiné par le docteur V._, spécialiste en médecine interne. Celui-ci a posé le diagnostic d'entorse cervicale et prescrit un traitement conservateur. L'incapacité de travail était totale. Le 29 mars 2004, l'employeur a rempli une déclaration d'accident LAA. L'assureur a pris le cas en charge. La doctoresse D._, médecin à l'Institut de radiologie de la Clinique Z._, a procédé le 3 mai 2004 à un scanner dorso-lombaire, lequel n'a révélé ni lésion traumatique, ni hernie discale, mais a mis en évidence des séquelles d'une maladie de Scheuermann ainsi qu'une légère arthrose inter-facettaire pluri-étagée et des calcifications pluri-étagées du ligament jaune. Du 2 au 18 juin 2004, K._ a été hospitalisé au Service de rhumatologie, médecine physique et réhabilitation de l'Hôpital B._. Dans un rapport du 28 juin 2004, le docteur G._ et la doctoresse C._ ont posé les diagnostics principaux de dorsalgies chroniques non spécifiques dans le cadre de dysbalances musculaires et de probable état anxio-dépressif réactionnnel. Les séquelles de la maladie de Scheuermann ne permettaient pas d'expliquer la symptomatologie. Dans une expertise du 28 janvier 2005, le docteur H._, spécialiste en neurologie, a diagnostiqué un status après distorsion cervicale simple et possible contusion dorso-lombaire banale le 8 mars 2004, des cervico-dorsalgies persistantes sans substrat organique objectivable, ainsi qu'une suspicion de syndrome somatoforme douloureux. Sur le plan strictement somatique, le statu quo ante avait été retrouvé six mois après l'événement accidentel. Le 27 avril 2005, l'assuré s'est adressé au professeur R._, spécialiste en anesthésiologie ainsi qu'en évaluation et traitement de la douleur, à la Clinique F._. Ce médecin a procédé, notamment, à des discographies et a conclu à la présence d'une rupture partielle de l'anneau fibreux à la hauteur du disque D11-D12, laquelle était compatible avec le traumatisme subi. Il a précisé que le type de pathologie présenté par l'assuré ne pouvait être dû à une maladie (rapport du 8 juillet 2005). Dans une lettre du 16 août 2005 adressée à l'assureur, le docteur H._ a estimé que sur le plan clinique on ne pouvait considérer les discographies comme des tests hautement fiables. Ce médecin a précisé qu'un traumatisme aigu unique n'est pratiquement jamais la cause d'une lésion discale sans qu'existe une lésion vertébrale associée, à moins que ne préexistât une dégénérescence préalable du disque. Le docteur H._ s'est dit conforté dans son appréciation du cas par le fait que le docteur R._ a évoqué un ancien Scheuermann. En conclusion, le docteur H._ a exposé que les arguments développés par le docteur R._ n'étaient pas suffisamment convaincants pour modifier son appréciation du 28 janvier 2005. Par décision du 21 septembre 2005, l'assureur a supprimé le droit de K._ aux prestations à partir du 9 septembre 2004. motif pris de l'absence d'un lien de causalité entre l'accident et les atteintes persistant au-delà de cette date. L'assuré s'est opposé à cette décision en se prévalant d'un rapport du 30 septembre 2005 du professeur R._, lequel contestait les conclusions du docteur H._. Le 10 mars 2006, le service d'analyse des accidents de l'assureur a établi un rapport d'expertise selon lequel le delta-v (modification de vitesse du véhicule induite par la collision) se situait pour le voiture de l'assuré entre 10,7 et 15, 5 km/h au moment du premier choc et entre 3,6 et 7,8 km/h lors du second choc. La Clinique J._ a établi une expertise pluridisciplinaire à l'initiative de l'assurance-invalidité confiée pour partie au docteur E._, spécialiste en chirurgie orthopédique (rapport du 16 octobre 2006) et pour partie au docteur A._, spécialiste en psychiatrie et psychothérapie (rapport du 27 septembre 2006). Selon les conclusions du docteur E._, K._ présentait des dorsalgies chroniques sur status après distorsion cervicale et contusion dorso-lombaire, avec séquelles de Scheuermann et discopathie D11-D12. Par ailleurs, ce médecin a souligné la perplexité des nombreux spécialistes consultés quant à l'absence de substrat anatomique permettant d'expliquer l'intensité du syndrome douloureux décrit par l'intéressé. Il a également exposé que l'assuré ne présentait pas de signe évident de non-organicité à l'examen clinique. Pour sa part, le docteur A._ n'a retenu aucun trouble psychique atteignant le seuil diagnostique. Les médecins de la Clinique J._ ont conclu que le comportement d'invalide adopté par l'intéressé sortait de la sphère bio-médicale. L'assureur a soumis le dossier à son médecin-conseil, le docteur P._, pour appréciation. Selon les conclusions de ce médecin, les douleurs invalidantes dorsales, au niveau du thorax et des lombaires, étaient inexplicables par rapport à l'accident. Un lien de causalité avec les troubles dont se plaignait l'assuré était tout au plus possible. On pouvait conclure à un statu quo sine à six mois, voire douze mois au plus, après l'événement (rapport du 16 novembre 2006). Dans l'intervalle, l'assureur avait informé K._ de son intention de procéder à une dernière expertise ciblée sur l'aspect de la colonne dorsale en proposant deux experts, dont le docteur T._, spécialiste en neuro-chirurgie (lettre du 3 novembre 2006). Après que la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal vaudois a rejeté la demande de récusation dirigée contre ce médecin (jugement incident du 26 juin 2007), le docteur T._ a établi une expertise et rendu son rapport le 26 février 2008. Par décision sur opposition du 4 juin 2008, l'assureur a confirmé sa décision du 21 septembre 2005. B. K._ a recouru contre la décision sur opposition devant la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal vaudois en concluant au versement des prestations LAA au-delà du 9 septembre 2004, subsidiairement à la mise en oeuvre d'une contre-expertise multidisciplinaire. Statuant le 8 décembre 2009, la juridiction cantonale a rejeté le recours. C. K._ interjette un recours en matière de droit public contre le jugement cantonal, dont il demande l'annulation en concluant, sous suite de frais et dépens, au renvoi de la cause à l'assureur-accidents pour nouvelle expertise médicale. L'assureur conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral de la santé publique a renoncé à se déterminer. 