Un terrain gorgé d’eau est une réalité courante en France, notamment dans les zones alluviales, les plaines argileuses ou les secteurs soumis à une nappe phréatique affleurante. Lorsqu’un projet de construction, d’assainissement non collectif ou de gestion des eaux pluviales est envisagé, une question s’impose avant tout dimensionnement : à quelle vitesse l’eau se déplace-t-elle réellement dans ce sol ? La réponse tient au coefficient de perméabilité hydraulique (noté k), dont la mesure précise conditionne la fiabilité de l’ensemble des calculs qui suivront.
Qu’est-ce que la perméabilité d’un terrain saturé ?
Un sol est dit saturé lorsque tous ses vides intergranulaires sont remplis d’eau, sans espace pour l’air. Dans cet état, l’écoulement de l’eau obéit à la loi de Darcy (1856), qui établit une relation linéaire entre la vitesse d’écoulement, le gradient hydraulique et le coefficient k.
Ce coefficient k s’exprime en mètres par seconde (m/s). Il varie de 10⁻¹ m/s pour un gravier grossier à moins de 10⁻⁹ m/s pour une argile compacte, soit une amplitude de huit ordres de grandeur entre les sols les plus drainants et les plus imperméables.
Dans un sol saturé, la mesure en place (in situ) est privilégiée car elle intègre la structure réelle du terrain : hétérogénéités, fissures, lamines sableuses. Un essai de laboratoire seul serait insuffisant pour capter cette variabilité naturelle.
L’essai Lefranc : la méthode de référence en sol saturé
Parmi les essais in situ disponibles, l’essai Lefranc est spécifiquement conçu pour les terrains saturés et constitue la méthode la plus utilisée en géotechnique française.
Principe et déroulement de l’essai
L’essai Lefranc se réalise depuis le fond d’un forage descendu sous le niveau de la nappe. Il consiste à créer une perturbation du niveau d’eau dans le forage, puis à mesurer la vitesse de retour à l’équilibre. Deux variantes existent selon la nature du sol :
- L’essai à charge variable (ou essai d’absorption) est utilisé en sol peu perméable : on injecte ou prélève un volume d’eau dans le forage et on chronomètre la dissipation.
- L’essai à charge constante convient aux sols plus perméables : on maintient un niveau d’eau constant et on mesure le débit d’injection.
Le coefficient de perméabilité k est calculé à partir des mesures de débit Q, de la charge hydraulique H et d’un facteur de forme C dépendant de la géométrie de la cavité en fond de forage. La formule de base est : k = Q/(C × H), où C est exprimé en mètres.
Dans quels contextes l’essai Lefranc est-il recommandé ?
L’essai Lefranc est adapté aux sols cohérents ou peu cohérents (sables fins, limons, argiles sableuses) présentant une perméabilité comprise entre 10⁻³ m/s et 10⁻⁷ m/s. Il convient parfaitement aux investigations de profondeur faible à moyenne (moins de 15 m).
Il est régulièrement prescrit dans le cadre d’études géotechniques de type G1 et G2, notamment lorsque le projet implique des fondations sous nappe, des ouvrages de drainage ou un système d’assainissement non collectif.
L’essai de pompage : mesurer la perméabilité à grande échelle
Lorsque la zone d’investigation est plus étendue ou que le terrain présente une forte hétérogénéité, l’essai de pompage devient l’outil adapté.
Fonctionnement et paramètres mesurés
Un essai de pompage consiste à pomper un débit constant depuis un puits central, tout en enregistrant la baisse du niveau d’eau (rabattement) dans des piézomètres installés à différentes distances. La durée d’un essai complet s’étale généralement de 24 à 72 heures, suivi d’une phase de remontée.
L’interprétation repose sur les formules de Thiem (régime permanent) ou de Theis (régime transitoire). Ces modèles permettent de calculer la transmissivité T (en m²/s) et le coefficient d’emmagasinement S de l’aquifère.
La perméabilité k est ensuite dérivée en divisant la transmissivité par l’épaisseur saturée de l’aquifère : k = T/e. Cette approche représentative d’un volume de sol important est indispensable pour les projets d’exhaure, de drainage ou de captage d’eau.
Le rôle clé du piézomètre dans les essais de pompage
Un piézomètre est un tube de mesure foré à proximité du puits de pompage. Il enregistre les variations de charge hydraulique au cours du temps, données indispensables pour tracer les courbes de rabattement et remonter aux paramètres hydrodynamiques.
En pratique, on installe au minimum deux piézomètres à des distances différentes du puits principal. La précision des capteurs de pression utilisés aujourd’hui (résolution de 0,1 mm d’eau) permet d’obtenir des courbes de très bonne qualité, interprétables avec des logiciels spécialisés.
Mesures en laboratoire : le perméamètre à charge constante ou variable
En complément des essais in situ, les mesures en laboratoire sur échantillons intacts permettent de caractériser la perméabilité intrinsèque d’une couche précise.
L’essai au perméamètre à charge constante s’applique aux sols grenus perméables (k > 10⁻⁵ m/s) : on impose un gradient hydraulique fixe et on mesure le débit traversant l’échantillon. Le perméamètre à charge variable est réservé aux sols fins (k < 10⁻⁵ m/s) : on laisse la charge chuter naturellement et on mesure sa décroissance dans le temps.
Ces essais sont normalisés par la NF EN ISO 17892-11, applicable aux essais géotechniques de laboratoire sur les sols. Ils nécessitent un prélèvement d’échantillon intact en forage carotté pour conserver la structure naturelle du terrain.
Comment choisir la bonne méthode selon le type de projet ?
Le choix de la méthode de mesure de la perméabilité dépend de trois critères principaux : l’échelle spatiale de l’investigation, la position par rapport à la nappe et la plage de perméabilité attendue.
| Méthode | Condition requise | Plage de k (m/s) | Usage typique |
| Essai Lefranc | Sol saturé, forage | 10⁻³ à 10⁻⁷ | G1, G2, ANC |
| Essai de pompage | Nappe, puits + piézo | 10⁻³ à 10⁻⁵ | Exhaure, grands projets |
| Perméamètre labo | Échantillon intact | Toute plage | Caractérisation fine |
| Essai Porchet | Sol non saturé | 10⁻⁴ à 10⁻⁶ | Infiltration, ANC |
Pour un projet d’assainissement non collectif, l’essai Porchet reste le test de référence en zone non saturée. En revanche, dès que le forage atteint la nappe, c’est l’essai Lefranc qui prend le relais. Les essais de pompage sont réservés aux projets nécessitant une connaissance hydrogéologique plus large du site.
Pour les projets nécessitant une analyse complète du contexte hydrogéologique d’un site, une étude hydrogéologique intègre l’ensemble des essais de perméabilité et leur interprétation dans un rapport argumenté.
Quels facteurs influencent la valeur de k mesurée in situ ?
Même rigoureusement conduits, les essais de perméabilité in situ sont soumis à plusieurs sources de variabilité qu’il faut identifier et maîtriser.
La température de l’eau modifie la viscosité dynamique du fluide et donc la valeur brute de k. Une correction à 20 °C est généralement appliquée pour permettre la comparaison entre essais. Une variation de 10 °C peut induire un écart de l’ordre de 20 % sur la valeur calculée.
La présence de colmatage en paroi de forage (boues de forage, fines argileuses) est une source d’erreur fréquente. Un développement préalable du forage, par agitation ou pompage, est indispensable pour éliminer ce skin effect et obtenir une mesure représentative de la perméabilité naturelle du terrain.
Enfin, l’anisotropie du sol (perméabilité horizontale kh souvent supérieure à la perméabilité verticale kv d’un facteur 2 à 10 dans les sols stratifiés) doit être prise en compte lors de l’interprétation, selon que l’écoulement dominant est horizontal ou vertical dans le projet considéré.
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.