En France, les désordres liés au comportement des sols représentent plusieurs milliards d’euros de sinistres cumulés sur les deux dernières décennies. Pourtant, la plupart de ces pathologies auraient pu être anticipées grâce à une étude géotechnique rigoureuse. Si les investigations de terrain (forages, pénétromètres, pressiomètres) constituent la phase visible du travail, les essais réalisés en laboratoire sur les échantillons prélevés sont tout aussi déterminants.
Ce sont eux qui fournissent les paramètres quantifiés sans lesquels aucun dimensionnement fiable de fondations n’est possible. Voici un panorama structuré des principaux essais en laboratoire mobilisés lors d’une étude géotechnique, de l’identification des sols jusqu’à la qualification de leur agressivité chimique.
Les essais d’identification des sols en laboratoire
Ces essais portent sur les caractéristiques fondamentales du matériau prélevé et incluent plusieurs analyses complémentaires.
L’analyse granulométrique
L’analyse granulométrique détermine la distribution en taille des particules qui composent un sol (graviers, sables, limons, argiles). Elle est réalisée par tamisage pour les fractions grossières et par sédimentométrie pour les fractions fines.
Cette répartition granulaire conditionne directement la perméabilité, la portance et le comportement hydraulique du sol. Un sol à dominante argileuse n’est pas traité de la même façon qu’un sable bien gradué.
La teneur en eau naturelle
La teneur en eau naturelle (w) mesure la proportion d’eau contenue dans un échantillon par rapport à la masse de sol sec. Elle est obtenue par pesée avant et après séchage à l’étuve à 105 °C.
Ce paramètre renseigne sur le degré de saturation du sol au moment du prélèvement. Une teneur en eau élevée dans une argile peut indiquer une nappe proche ou un terrain sensible aux variations saisonnières.
Les limites d’Atterberg
Les limites d’Atterberg mesurent la plasticité des sols fins (argiles, limons). On distingue la limite de liquidité (wL), au-delà de laquelle le sol se comporte comme un fluide, et la limite de plasticité (wP), en dessous de laquelle il devient cassant.
L’indice de plasticité (IP = wL – wP) est un indicateur clé de la sensibilité d’une argile au retrait-gonflement. Les sols présentant un IP supérieur à 25 sont considérés comme très plastiques et particulièrement exposés aux mouvements volumiques sous l’effet des variations hydriques.
L’essai œdométrique pour évaluer les tassements prévisibles
L’essai œdométrique est l’un des essais mécaniques les plus utilisés en géotechnique pour les sols compressibles. Il consiste à soumettre un échantillon cylindrique de sol à des charges croissantes appliquées verticalement, en condition de drainage latéral nul.
On mesure les déformations verticales en fonction du temps, ce qui permet de déterminer deux paramètres essentiels.
Le module œdométrique (Eoed) traduit la rigidité du sol sous compression. Il entre directement dans le calcul des tassements sous les fondations ou les remblais. Plus ce module est faible, plus le sol est compressible et plus les tassements seront importants.
Le coefficient de consolidation (cv) indique la vitesse à laquelle le sol se consolide sous charge, c’est-à-dire la rapidité avec laquelle l’eau interstitielle est expulsée. Ce paramètre est déterminant pour anticiper la cinétique des tassements dans le temps.
L’essai triaxial
L’essai triaxial est l’essai mécanique de référence pour déterminer la résistance au cisaillement d’un sol. Il consiste à placer un échantillon cylindrique dans une cellule pressurisée, puis à appliquer une contrainte axiale croissante jusqu’à la rupture.
Les mesures recueillies (contrainte axiale, déformation, pression interstitielle) permettent de tracer les cercles de Mohr et d’en déduire deux paramètres fondamentaux pour tout calcul géotechnique.
La cohésion (c) exprime la résistance intrinsèque du sol en l’absence de contrainte normale. Elle est particulièrement significative dans les argiles. L’angle de frottement interne (φ) traduit la composante frictionnelle de la résistance, prédominante dans les sables et graviers.
Trois modes d’essai sont distingués selon le contexte du projet :
- UU (non consolidé, non drainé) : pour les sollicitations rapides à court terme, comme les excavations temporaires
- CU (consolidé, non drainé) : pour les ouvrages soumis à des charges dynamiques ou les digues en terre
- CD (consolidé, drainé) : pour les ouvrages permanents à long terme, où le drainage est effectif (remblais, pentes naturelles)
Le choix du mode d’essai doit être cohérent avec les conditions réelles d’exploitation de l’ouvrage, sous peine d’interpréter des valeurs qui ne correspondent pas à la situation projetée.
Essai de perméabilité en laboratoire
La perméabilité d’un sol peut être mesurée en laboratoire à l’aide d’un perméamètre, sur des échantillons intacts ou reconstitués. On distingue deux types d’appareils selon la nature du sol.
Le perméamètre à charge constante est adapté aux sols perméables (sables, graviers). L’eau circule en continu à travers l’échantillon sous une différence de charge fixe, et le débit mesuré permet de calculer le coefficient de perméabilité k (en m/s).
Le perméamètre à charge variable convient aux sols peu perméables (limons, argiles). La pression d’eau diminue progressivement au fil de l’essai, ce qui permet de mesurer des coefficients k très faibles (jusqu’à 10⁻¹⁰ m/s).
Ces mesures en laboratoire sont précieuses pour vérifier la cohérence des essais in situ (Lefranc, Porchet). Elles sont également indispensables pour dimensionner les dispositifs de drainage périphérique, les systèmes d’assainissement non collectif, ou encore les barrières étanches autour d’ouvrages souterrains.
Les essais d’agressivité des sols
L’essai d’agressivité des sols est une analyse physico-chimique normalisée (norme NF P 94-260) dont l’objet est d’évaluer la capacité d’un sol à attaquer chimiquement les matériaux de construction qui lui sont en contact (béton, acier, fonte, éléments métalliques enterrés). Il est systématiquement mobilisé en phase G2 ou G3 lorsque le contexte géochimique du site est incertain.
Plusieurs paramètres sont mesurés en laboratoire sur les échantillons prélevés à différentes profondeurs.
Le pH du sol constitue le premier indicateur. Un sol présentant un pH inférieur à 6 est considéré comme agressif pour le béton. En dessous de 4,5, l’agressivité est classée forte (classe XA3), ce qui impose des spécifications de béton renforcées (ciment résistant aux sulfates de type CEM III/A, par exemple).
La teneur en sulfates solubles est un paramètre déterminant. Au-delà de 3 000 mg/kg de sol sec, le sol passe en classe XA2. Ces sulfates provoquent la formation d’ettringite expansive dans le béton, entraînant une fissuration interne et une désagrégation progressive de la structure.
La résistivité électrique renseigne sur le potentiel corrosif du sol vis-à-vis des métaux. Un sol présentant une résistivité inférieure à 10 ohm·m est jugé très corrosif pour les structures métalliques enterrées (armatures, canalisations, pieux métalliques).
Quel lien entre les essais de laboratoire et les phases de mission géotechnique ?
Les essais en laboratoire ne sont pas systématiquement réalisés dans leur totalité pour chaque projet. Leur périmètre dépend du niveau de mission géotechnique commandé et du degré de complexité du site.
| Essai | Paramètres obtenus | Phase concernée | Application principale |
| Granulométrie | Distribution granulaire | G1, G2 | Classification du sol, perméabilité |
| Teneur en eau | w (%) | G1, G2, G5 | État hydrique, saturation |
| Limites d’Atterberg | wL, wP, IP | G1, G2 | Plasticité, sensibilité argileuse |
| Œdométrique | Eoed, cv | G2 PRO, G5 | Tassements, vitesse de consolidation |
| Triaxial | c, φ | G2 PRO, G5 | Résistance au cisaillement |
| Perméabilité labo | k (m/s) | G2, G3 | Drainage, infiltration |
| Agressivité chimique | pH, sulfates, Cl⁻, ρ | G2, G3 | Choix des matériaux, classe XA |
La fiabilité d’une étude géotechnique repose sur la cohérence entre les essais in situ et les analyses de laboratoire. Chaque donnée brute prend son sens lorsqu’elle est confrontée aux autres paramètres du site, interprétée par un ingénieur géotechnicien expérimenté, et intégrée dans un modèle de comportement qui reflète réellement la réalité du terrain.
Léo
Leo est spécialiste en géotechnique avec plusieurs années d’expérience dans la création de contenus relatifs aux études des sols et la conception de fondations pour des projets résidentiels et industriels.