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Reconnaissance des sols : combiner observation et expérimentation

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Reconnaissance des sols : combiner observation et expérimentation

L’essai pressiométrique est couramment utilisé in situ pour déterminer la déformation latérale de la paroi d’un forage. Il consiste à introduire une sonde dilatable dans un trou foré, et à modifier le volume de la sonde en la gonflant d’eau sous pression, ce qui entraîne une déformation du terrain sous contraintes radiales horizontales. (Doc. Fondasol.)

Essais pénétrométriques, pressiométriques, essais Lugeon et Lefranc, mesures de perméabilité, compacité, cohésion, composition granulométrique…, autant de techniques pour l’étude des sols. La difficulté réside dans le choix des investigations à mener, leur implantation et leur nombre.

Fruit d’une histoire ayant débuté il y a quelque 4 milliards d’années avec la naissance de la Terre, l’hétérogénéité du sous-sol s’exprime aussi bien dans la composition des diverses sous-couches géologiques rencontrées (sables, argiles, marnes, limons, grès, calcaires, granits, gneiss…), que dans la grande nuance de leurs propriétés physiques, mécaniques ou hydrauliques. Face à cette complexité naturelle, l’acte de construire pose inévitablement la question du terrain sur lequel s’inscrit le projet : le sol pourra-t-il supporter les charges que l’on prévoit de lui appliquer, et si oui, dans quelle mesure ? Dans cette perspective, l’étude de sol apparaît dans toute sa nécessité. Une importance confirmée aujourd’hui par la difficulté grandissante des projets urbains qui, faute d’emplacement disponible, sont souvent réalisés sur des terrains difficiles et mettent en œuvre des structures de plus en plus lourdes avec parkings enterrés.

Menée par un bureau d’études spécialisé en géotechnique, une campagne de reconnaissance des sols permet d’atténuer les ­incertitudes pesant sur le sous-sol et d’appréhender la qualité et le comportement d’un terrain. Le rapport de sol fournit ainsi aux concepteurs un certain nombre d’hypothèses de calcul telles que la capacité portante du sol ou son taux de travail, la déformation prévisible sous l’action des charges appliquées, c’est-à-dire les tassements ultérieurs, la cohésion des terres, leur frottement, leur perméabilité, le niveau des nappes… Il est ainsi possible de dimensionner l’ancrage des ouvrages et de justifier le choix des techniques de fondations, mais également le niveau d’assise, les précautions à prendre lors d’un terrassement en vue de créer des niveaux ­enterrés (soutènement, blindage de fouilles, rabattement de nappe, inclinaison des talus…).

Des missions normalisées par la NF P 94-500

Une campagne de reconnaissance de sols s’inscrit désormais dans le cadre de missions géotechniques types – G0 à G5 – définies par la norme NF P 94-500 (en cours de révision). L’Union syndicale géotechnique (1) insiste sur la distinction existant entre les missions d’exécution GO – qui concernent la réalisation de sondages, d’essais et de mesures géotechniques – et excluent donc toute activité de conseil de la part du géotechnicien et les missions G1 à G5 – qui sont des missions d’études et d’exploitation des données fournies par des campagnes de type G0 – (voir encadré).

Dans la pratique, l’intervention du géotechnicien se réduit souvent à la réalisation de sondages et d’essais en phase de pré-études, les missions complètes étant rares. Mais cette situation évolue grâce à une meilleure connaissance du risque géotechnique et de ses éventuelles conséquences financières. À noter que si la grande majorité des maîtres d’ouvrage a pris aujourd’hui conscience de l’importance de l’étude de sol, le domaine de la maison individuelle constitue souvent une exception, comme l’illustrent les nombreux désordres constatés après les fortes sécheresses de ces dernières années. Préalablement à toute reconnaissance, un programme d’investigation est défini en fonction des indications générales obtenues par la lecture de diverses cartes et documents, tels la spécificité du terrain et de son environnement (cartes géologiques), l’historique du site (remblais, ­activité polluante…), la présence de carrières, l’écoulement d’eaux souterraines (cartes hydrogéologiques), l’existence d’un Plan de Prévention des risques (2)… mais également en fonction de la nature de la construction, de ses dimensions, du nombre de niveaux enterrés, du type de structure porteuse, des descentes de charges, des conditions d’exploitation, des tassements admissibles…

Publication d’un cahier de recommandations

Le programme précise notamment la nature et le nombre des sondages à réaliser, leur implantation, les essais à mener, etc. En l’absence de tout cadre réglementaire (seule la profondeur minimale des sondages est donnée), les conditions de l’étude sont le reflet du savoir-faire et des méthodes de travail de chaque géotechnicien. Mais, pour le maître d’ouvrage, il est parfois difficile d’avoir une quelconque lisibilité au milieu d’offres très différentes. C’est pourquoi, afin de faciliter l’approche des professionnels, l’Union syndicale géotechnique a publié en décembre 2005 un cahier de « Recommandations sur la consistance des investigations géotechniques pour la construction de bâtiments ». Les préconisations de l’USG portent uniquement sur les constructions traditionnelles et excluent les bâtiments de grande hauteur, les fouilles en milieu urbain de plus de 2 niveaux enterrés, les ouvrages en site difficile (carrières, ­mines, sites karstiques…), les murs de soutènement de grande hauteur… Dans le cadre d’une étude de sol destinée à inscrire des fondations superficielles ou profondes, le syndicat recommande par exemple un maillage minimal des sondages :

– pour un bâtiment de bureaux et d’habitation d’une surface au sol inférieure à  50 m2 : prévoir 2 points de reconnaissance, et au-delà de 50 m2, prévoir 1 sondage tous les 250 m2 avec un minimum de 3 points de sondage et une distance maximale de 25 m entre points.

Pour un bâtiment industriel d’une surface au sol inférieure à  10 000 m2, prévoir 1 sondage tous les 500 m2 avec un minimum de 3 points et un espacement maximal de 40 m entre points.

Pour un lotissement, 1 point tous les 1 000 m2 ou 1 point par lot.

Trois grandes familles d’investigation

Les investigations se décomposent en trois grandes familles : les méthodes d’observation du terrain, les essais en laboratoire et les essais in situ. L’observation du terrain consiste à relever les niveaux des différentes couches géologiques, leur épaisseur, leur structure et de localiser la présence éventuelle d’eau dans le terrain. Elle peut être réalisée en place, après excavation de puits, tranchées ou galeries, ou bien sur des échantillons prélevés par sondage. Pouvant être menés sur de grandes profondeurs, les sondages sont couramment réalisés à la tarière, dans les sols meubles, ou au carottier, sorte de tube creux équipé d’une base tranchante dont la pénétration se fait par pression ou rotation selon la nature du sol. Dans les terrains à faible cohésion, les ­parois du forage doivent être maintenues par un tubage temporaire ou par une boue de type bentonite. Les échantillons obtenus sont soit remaniés, dans le cas de la tarière, soit intacts, dans le cas du carottage. Leur observation permet d’apprécier la nature de la roche et, dans le cas d’échantillons intacts, de la décrire plus finement en ­appréciant sa fracturation, ce qui permet de connaître les conditions de stabilité du terrain (indispensable dans le cas de terrassement). Par ailleurs, pour mesurer le niveau de l’eau à un instant donné, les forages sont munis d’un tube piézomètrique.

Les essais en laboratoire sont réalisés sur les échantillons prélevés dans le sol à l’aide de carottiers, selon un maillage précis tenant compte de la nature du projet, des fondations (superficielles ou profondes) et de la nature des sols. Ils permettent d’identifier les sols et d’évaluer certaines caractéristiques mécaniques ou hydrauliques, comme la masse volumique de l’échantillon, sa teneur en eau, sa granulométrie, sa perméabilité, son degré de saturation, les limites de liquidité et de plasticité (limites d’Atterberg), son gonflement, sa composition chimique, son angle de frottement interne, sa cohésion, son cisaillement, sa compressibilité, sa résistance… Des essais peuvent également être entrepris pour connaître les possibilités de traitement des terres ou identifier un type de pollution.

L’intérêt pour le géotechnicien des essais en laboratoire ne doit toutefois pas faire perdre de vue le manque de représentativité des échantillons. D’où le recours, en parallèle, aux essais in situ destinés à mesurer certains paramètres géotechniques comme la compacité du sol, sa perméabilité, sa déformabilité, sa résistance, etc.

Pénétromètre et pressiomètre : deux outils courants

Au sein des essais, deux d’entre eux sont d’une pratique courante et servent à calculer les fondations superficielles et profondes : il s’agit de l’essai pénétrométrique et de l’essai pressiométrique. Le premier mesure l’effort de pénétration dans le sol d’une tige métallique se terminant par une pointe conique, la progression de la pointe étant réalisée par battage successif (pénétromètre dynamique, Standard Penetration Test), par un vérin (pénétromètre statique) ou par couplage des deux. Il permet également de déterminer les tassements. L’essai pressiométrique est utilisé dans tous les terrains pour évaluer la déformation latérale de la paroi d’un forage. Il consiste à introduire une sonde dilatable dans un trou foré, et à modifier le volume de la sonde en la gonflant d’eau sous pression. Cela entraîne une déformation du terrain sous contraintes radiales horizontales.

Parmi les autres méthodes employées, l’essai au scissomètre s’utilise dans les limons et les argiles molles pour évaluer la résistance au cisaillement et la cohésion à court terme. L’appareil qui dispose de quatre pales fixées sur un axe vertical permet ainsi de mesurer le couple de torsion nécessaire pour faire tourner un cylindre du terrain. L’essai à la plaque consiste à mesurer le déplacement vertical moyen de la surface du sol situé sous une plaque rigide chargée. L’essai au phicomètre, qui se pratique dans un forage à l’aide d’une sonde gonflable, sonde pressiométrique munie de dents horizontales, permet de mesurer la cohésion d’un sol, ainsi que son ­angle interne de frottement interne à court terme.

Les essais in situ peuvent être complétés par des essais hydrauliques pour rechercher la présence d’eaux souterraines et envisager un rabattement de nappe : essais de pompage et d’eau de Lugeon afin d’apprécier la circulation de l’eau et la fissuration des sols rocheux, et essai Lefranc pour mesurer la perméabilité des sols fins ou grenus.

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