L'eau, première cause de désordres en construction
Les eaux souterraines peuvent causer d'importants désordres sur les bâtiments et les ouvrages de génie civil, tant en cours de construction qu'en phase d'exploitation. Le constat est sans appel : 70 % des désordres relevés dans le bâtiment sont dus à l'eau, dont la moitié sont consécutifs à une étanchéité insuffisante ou défaillante, voire à l'absence totale de drainage.
Le repérage de l'eau dans l'étude d'un terrain destiné à la construction est capital : il conditionne le parti constructif et le coût de l'opération. L'eau peut modifier considérablement les propriétés mécaniques de certains sols et affecter la stabilité d'un versant ou d'une assise d'ouvrage.
Les réservoirs d'eau sur Terre
Sur l'ensemble de l'hydrosphère, les océans concentrent l'écrasante majorité de l'eau ; les eaux souterraines viennent en troisième position, derrière les océans et les glaciers. Le tableau ci-dessous donne une vue d'ensemble des réservoirs d'eau et de leur temps de résidence (durée moyenne pendant laquelle une molécule d'eau y séjourne).
| Réservoir | Volume (1015 m³) | % du total | Temps de résidence |
|---|---|---|---|
| Océans | 1 350 | 97,0 | 2 500 ans |
| Glaciers | 33 | 2,4 | 1 000 à 10 000 ans |
| Eaux souterraines | 8 | 0,6 | 1 500 ans |
| Lacs | 0,1 | < 0,01 | 17 ans |
| Eau dans le sol | 0,070 | < 0,01 | 1 an |
| Eau dans l'atmosphère | 0,013 | < 0,001 | 8 jours |
| Rivières | 0,0017 | 0,0001 | 16 jours |
| Eau dans la matière vivante | 0,0011 | 0,0001 | quelques heures |
| Total | 1 391 | 100 | — |
Le faible temps de résidence de l'eau dans le sol (1 an environ) traduit son rôle d'interface dynamique entre l'atmosphère, les nappes profondes et les cours d'eau : c'est un compartiment qui se renouvelle vite, ce qui explique sa sensibilité aux pluies et aux sécheresses.
Les formes de l'eau dans le sol
À l'échelle macroscopique
On distingue plusieurs formes d'eau dans le sol selon leur localisation et leur mobilité :
- L'eau libre (gravitaire) — circule sous l'effet de la pesanteur dans les pores connectés. Elle alimente les nappes et peut être captée par drainage ou pompage.
- L'eau capillaire — retenue dans les pores fins par les forces de tension superficielle, au-dessus du niveau de la nappe (frange capillaire).
- L'eau adsorbée (liée) — fixée à la surface des grains argileux par des forces électrostatiques ; ne s'écoule pas mais influe fortement sur le comportement mécanique.
- L'eau de constitution — chimiquement liée aux minéraux, ne joue pas dans le comportement géotechnique.
À l'échelle microscopique
Au sein du milieu poreux, l'eau remplit les espaces entre les grains. Selon la taille des pores et la pression appliquée, elle peut être :
- Sous pression positive sous le niveau de la nappe (eau libre)
- Sous pression négative (succion) au-dessus du niveau de la nappe, dans la frange capillaire
Capillarité et succion
La capillarité est la capacité de l'eau à remonter dans les pores fins du sol au-dessus du niveau de la nappe, sous l'effet de la tension superficielle. Plus les pores sont fins, plus la hauteur d'ascension capillaire est grande.
| Type de sol | Hauteur d'ascension capillaire |
|---|---|
| Sable grossier | quelques cm |
| Sable fin | 20-50 cm |
| Limon | 1 à 3 m |
| Argile | jusqu'à 10 m et plus |
D'après Hansbo.
La succion représente la pression négative qui s'exerce dans l'eau capillaire ou sur l'eau adsorbée. C'est un paramètre clé pour comprendre :
- Le retrait-gonflement des sols argileux (cycles d'humidification-dessiccation)
- La cohésion apparente des sols partiellement saturés
- Les remontées d'eau par capillarité dans les bétons enterrés
La perméabilité
La perméabilité d'un sol caractérise sa capacité à laisser l'eau le traverser. Concrètement, c'est la vitesse à laquelle l'eau peut traverser une couche de sol sous l'effet d'un gradient hydraulique unitaire (par exemple 1 cm/s pour un sable propre).
La loi de Darcy relie le débit Q à la perméabilité K :
Q = K · S · (ΔH / L)
- Q : débit (m³/s)
- K : coefficient de perméabilité (m/s)
- S : section traversée (m²)
- ΔH / L : gradient hydraulique (sans dimension)
Ordres de grandeur
| Type de sol | K (m/s) | Comportement |
|---|---|---|
| Graves propres | 10⁻¹ à 10⁻³ | Très perméable |
| Sables propres | 10⁻³ à 10⁻⁵ | Perméable |
| Sables limoneux | 10⁻⁵ à 10⁻⁷ | Peu perméable |
| Limons, argiles silteuses | 10⁻⁷ à 10⁻⁹ | Très peu perméable |
| Argiles compactes | < 10⁻⁹ | Pratiquement imperméable |
La connaissance de la perméabilité est fondamentale pour dimensionner les pompages, les drainages, les soutènements sous nappe et pour évaluer le comportement à long terme d'un ouvrage en présence d'eau.