posté par bentafat_rachid

Les eaux de fond

Publié à l'origine en novembre 1967.

R.F. Legget

Quelques Digestes précédents, traitant des sols et des fondations,

ont mentionné l'importance de la présence d'eaux souterraines. En dépit

des conséquences que celles-ci peuvent avoir pour les travaux en

profondeur, leur comportement paraît encore mystérieux, même à ceux qui

possèdent les notions de base du génie civil. Le fait que les sourciers

sont encore largement mis à contribution pour la découverte d'eaux

souterraines indique bien la méconnaissance des principes fondamentaux

en régissant la présence et les déplacements. Le présent Digeste sera

consacré à l'exposé de ces principes, et plus particulièrement de

l'importante question de la présence d'eaux de fond lors des travaux de

fondations. Un grand nombre de fouilles sont sèches, et par conséquent

les eaux de fond n'y posent pas de problème. Dans le cas où l'on

rencontre les eaux souterraines, les difficultés qu'elles entraînent

seront beaucoup moins embarrassantes et coûteuses si l'on connaît bien

leur comportement physique et si l'on applique les méthodes de lutte

idoines.

posté par bentafat_rachid

Le cycle de l'eau

L'eau existe sous une forme quelconque presque partout sous la

surface du sol. Elle est toujours en mouvement, car les eaux

souterraines ont un comportement dynamique et non statique, phénomène

qu'on apprécie à sa juste valeur quand on connaît le cycle parcouru par

l'eau. L'expression "Cycle de l'eau" résume sa circulation naturelle,

dont les différents aspects doivent être connus au moins dans leurs

grandes lignes par les personnes averties. L'importance croissante

qu'on attache à la propreté des eaux du domaine public, et les

problèmes connexes que pose la pollution, soulignent la valeur de cette

affirmation. Le cycle de l'eau devrait être parfaitement familier à

toute personne s'occupant des conditions souterraines.

Quand la pluie tombe sur le sol, on voit une partie de l'eau

s'écouler directement dans les rigoles d'égouttement, les ruisseaux ou

tout creux de terrain qui la conduiront en surface vers les rivières,

puis à la mer. Une partie des eaux de pluie cependant ne ruisselle pas

à la surface, mais s'infiltre dans le sol. Une certaine proportion sera

retenue par capillarité dans la couche superficielle humifère lui

donnant ainsi la consistance normale de sol mouillé, sauf à la suite

d'une sécheresse prolongée. La plus grande partie des eaux de pluie qui

s'infiltrent dans le sol traverseront lentement cette couche supérieure

aérée, dans les interstices de laquelle l'air est présent avec l'eau,

jusqu'à ce qu'elle atteigne la nappe qui s'est accumulée dans le sol

depuis les dernières pluies. C'est l'eau contenue dans ce réservoir

naturel constitué par les interstices du sol qu'on qualifie de nappe

phréatique.

Les eaux souterraines perdent leur mystère quand on les envisage

sous cet angle. Il s'agit là d'un phénomène d'une importance extrême

pour le bien-être de l'humanité. En effet, l'eau ainsi accumulée dans

le sol n'y reste pas immobile. Elle se déplace sous l'influence de la

gravité dans la direction de la pente décroissante de la ligne de

charge. Cette pente sera souvent déterminée par les niveaux

hypsométriques de la surface du sol, mais les eaux en mouvement

finiront par atteindre un point d'émergence, par suintement au travers

du lit d'un lac ou d'une rivière, ou comme source au flanc d'une

colline. La présence de sources est une indication certaine du niveau

de la nappe phréatique dans la colline d'où elles sourdent. Les eaux de

source ruissellent normalement à la surface et se dirigent vers les

cours d'eau, les rivières, puis finalement à la mer. La transpiration

des végétaux et l'évaporation qui se produit à la surface des nappes

d'eau et du sol renvoient continuellement les eaux à l'atmosphère sous

forme de vapeur. Celle-ci se condense en nuages qui produisent à leur

tour des précipitations de neige ou de pluie. C'est de cette façon que

l'étonnant cycle de l'eau boucle son éternel mouvement (voyez la figure

n° 1).

Figure 1. Cycle de l'eau

posté par bentafat_rachid

Le niveau hydrostatique

Le niveau de la surface du vaste réservoir caché des eaux

souterraines est indiqué approximativement par celui de l'eau dans les

puits, bien que dans certains cas ces indications soient beaucoup trop

sommaires. De même, ce niveau est indiqué par celui qu'atteignent les

eaux après équilibrage dans les trous des sondages de reconnaissance

hydrologique. On qualifie cette surface de niveau hydrostatique. La

nappe phréatique correspondante a une surface qui n'est presque jamais

parfaitement plane. Elle peut ne se trouver que très légèrement

inclinée, juste assez pour induire un lent déplacement latéral de la

masse d'eau sous-jacente, mais il semble indispensable qu'elle ne soit

pas parfaitement horizontale en raison des qualités dynamiques des eaux

souterraines.

Le niveau hydrostatique n'est pas non plus constant en un certain

endroit. Il variera selon la nature des eaux qui y sont emmagasinées.

Dans les régions tempérées que caractérisent les pluies hivernales, et

parfois les précipitations nivales, le niveau hydrostatique atteindra

son maximum au cours de l'hiver ou au début du printemps, puis baissera

doucement au cours de l'été. C'est cette décroissance normale de la

masse des eaux souterraines qui maintient un certain ruissellement dans

les rivières et les fleuves tout au cours de l'année, même en l'absence

de pluie. Il est en conséquence normal que le niveau hydrostatique

s'abaisse au cours de l'été. Par contre, si le niveau hydrostatique

s'abaisse trop par suite d'un pompage excessif, les autorités publiques

devront se préoccuper de la situation de la nappe phréatique.

posté par bentafat_rachid

Les phénomènes décrits ci-dessus se produisent dans les couches

géologiques en position normale. Certaines structures géologiques

peuvent causer l'emprisonnement des eaux souterraines dans une couche

aquifère recouverte d'une strate imperméable. Les eaux ainsi

emprisonnées se trouveront parfois soumises à de fortes pressions; lors

du percement des couches imperméables sus-jacentes, au cours du forage

d'un puits par exemple, l'eau peut remonter et même jaillir du trou de

forage, constituant ainsi un puits artésien. Si le niveau de l'eau

s'arrête juste au-dessous de la surface du sol, on le qualifie de puits

à niveau d'eau affleurant. Ces phénomènes particuliers ne se

rencontrent pas souvent dans les travaux d'excavation, mais se montrent

très gênant et réclament l'intervention d'un spécialiste s'ils se

produisent.

posté par bentafat_rachid

Déplacements des eaux souterraines

La mobilité des eaux de fond est indiquée non seulement par les

variations du niveau de la nappe phréatique, mais aussi par des

déplacements latéraux de la masse d'eau, dont le niveau hydrostatique

n'indique que la surface. La facilité de déplacement des eaux dépend de

la porosité des sols qui les contiennent. On rencontre les eaux

souterraines dans bien des types de roches dites compactes,

particulièrement le grès qui est parfois très poreux. Même les roches

granitiques peuvent être aquifères en raison de l'existence de fissures

ou de diaclases qui constituent des voies de pénétration pour les eaux.

Il est cependant plus aisé de concevoir le déplacement des eaux au

travers de masses de sable ou de gravier, qui sont des matériaux si

évidemment perméables.

Il existe des méthodes pratiques pour calculer le débit des eaux de

fond en tout endroit avant d'y entreprendre les travaux d'excavation,

en se fondant sur des essais in situ ou sur des essais d'échantillons

de sol en laboratoire. On peut ainsi calculer la quantité d'eau qui

pénétrera dans une fouille et la façon dont elle apparaîtra. Il est

particulièrement utile de connaître la direction de l'écoulement. S'il

se produit vers le bas, les parois de la fouille deviendront plus

stables, mais il en serait autrement en cas d'écoulement vers le haut

ou vers l'intérieur de la fouille.

posté par bentafat_rachid

La variation annuelle du niveau hydrostatique est de grande importance

pour l'exécution des travaux de fondations. Les données pertinentes

peuvent être facilement réunies au cours de l'exécution du programme

préliminaire d'étude du sous-sol, si un plan raisonnable d'études a été

établi, qui prévoit un laps de temps suffisant avant le début des

travaux de construction. S'il n'existe pas d'eaux de fond sous pression

capable de les faire jaillir en surface, et que le niveau hydrostatique

soit plus élevé que le fond des trous des forages de reconnaissance, le

niveau de la nappe phréatique y sera indiqué après un certain temps

d'équilibrage. S'il est possible, on choisira un certain nombre de

trous de forage en des endroits intéressants et on les tubera de tuyaux

de terre cuite poreuse munis d'écrans à mailles très fines là où ils

traversent des couches de sable fin. Ces tubages seront laissés en

place et coiffés d'un capuchon, qu'on pourra enlever pour mesurer la

hauteur du niveau hydrostatique à des intervalles réguliers, en vue

d'établir sans difficulté le diagramme des variations du niveau

hydrostatique.

posté par bentafat_rachid

Qualité des eaux de fond

Les eaux emmagasinées dans le sol ont été filtrées jusqu'à un

certain point par leur passage au travers des couches de terrain, mais

ce ne sont pas des eaux pures chimiquement. Elles peuvent contenir de

faibles teneurs de produits chimiques, et si le sol lui-même contient

des sels solubles, ils seront entraînés dans certaines conditions. Dans

l'Ouest canadien, la présence de sulfate de soude dans les eaux

souterraines est d'importance particulière. Quand ces eaux viennent au

contact du béton, comme celui qui constitue les fondements, elles

risquent de le détériorer et de provoquer de graves difficultés. Il est

donc important d'étudier la nature des eaux avant d'entreprendre les

travaux de construction. Si le sulfate de soude y est présent, le

constructeur devra employer un ciment spécial résistant à son attaque

pour tout ouvrage de substruction.

posté par bentafat_rachid

Les eaux souterraines et les fondations

Il est clair que le maître d'oeuvre devra disposer du plus grand

nombre de données possible au sujet des eaux de fond, avant même

d'entreprendre les travaux d'excavation d'une fouille si celle-ci doit

être profonde. Cette connaissance est également nécessaire à

l'architecte, comme celle des variations possibles du niveau

hydrostatique, pour lui permettre de tracer des fondations dont

l'utilisation se révélera satisfaisante et économique. Si le niveau

hydrostatique se trouve en dessous du niveau le plus bas de la fouille,

les travaux pourront commencer sans difficulté, et les fondations

seront construites plus facilement et plus économiquement.

Si le niveau hydrostatique atteint et dépasse au cours de l'année la

base des fondations, l'architecte devra autant que possible prévoir

l'établissement d'un système de drainage aux alentours des fondations.

Sinon, il devra tenir compte de la pression hydrostatique sur les murs

des fondations. Il devra également calculer l'effet de ces pressions

sur les planchers bétonnés des fondations, qui pourrait entraîner des

modifications dans le tracé de ces dernières. La pression d'une colonne

d'eau de trois pieds, par exemple, exercera une poussée suffisante pour

faire flotter tout un étage d'un édifice normal en béton armé.

Si les fondations doivent être établies sur des pieux de bois, une

raison supplémentaire de déterminer les variations éventuelles du

niveau hydrostatique existe; en effet le bois est un excellent matériau

de construction jouissant d'une très bonne durabilité s'il est maintenu

soit toujours sec, soit toujours humide. Les alternances de

dessiccation et d'imbibition, cependant, sont à l'origine de la

détérioration de la plupart des bois, y compris les espèces utilisées

normalement pour les pieux des fondations. Par conséquent, si l'on peut

déterminer d'avance que le niveau hydrostatique variera annuellement à

la profondeur atteinte par les pieux en bois, la nécessité apparaîtra

d'étudier à nouveau le tracé des fondations pour éliminer cette cause

de détérioration. De nombreuses difficultés découlant de ce phénomène

se sont déjà produites, et il ne faut pas hésiter à encourir les

dépenses supplémentaires qui permettront de l'éviter.

posté par bentafat_rachid

Protection contre les eaux souterraines

La présence d'eaux de fond doit bien entendu être considérée comme

un corollaire fréquent des travaux de fondation atteignant les strates

profondes. Il est nécessaire d'obtenir des renseignements exacts sur

les conditions physiques affectant la nappe phréatique sous le terrain

à bâtir au cours de l'exploration préalable du sous-sol, et de posséder

ainsi une connaissance aussi précise que possible des variations

maximales du niveau hydrostatique. Ces données devront être transmises

aux soumissionnaires chaque fois et autant qu'il sera possible dans les

documents habituels constituant l'appel d'offres.

Le maître d'oeuvre qui détermine les meilleures méthodes de

construction dispose de divers moyens pour lutter contre la présence

d'eaux de fond au cours des travaux d'excavation. S'il s'attend à n'en

trouver qu'une faible quantité tout au fond de la fouille, dans un sol

relativement stable, il peut utiliser un réseau d'égouttement par

tranchées établies au périmètre de la fouille, et conduisant à des

puisards d'où l'eau est pompée vers l'extérieur. Il est cependant

nécessaire, même dans ces cas simples, de s'inquiéter des effets

possibles du drainage sur la solidité des terrains et des immeubles

avoisinants. Dans les régions où le sous-sol est compressible,

l'abaissement du niveau hydrostatique peut entraîner un affaissement

important du sol et des constructions qui y sont assises.

Les travaux d'excavation doivent être menés à bien sans que les eaux

souterraines causent de gêne aux alentours de la fouille. Si le sol s'y

prête, on établit un type spécial d'exhaure utilisant des appareils

ingénieux mais simples, appelés puits filtrants. Ils consistent

en tuyaux de faible diamètre, munis à leur extrémité inférieure d'une

crépine à mailles très fines, de conception particulière. On enfonce

ces tubes dans le sol en rang assez serré à l'entour de la future

fouille, puis on les relie par des tuyaux collecteurs à un système de

pompage convenable. On procède habituellement à l'exhaure avant de

commencer les travaux d'excavation, de façon que les matériaux soient

égouttés lors de leur enlèvement. Ceci est rendu possible en raison des

phénomènes d'écoulement des eaux dans les matériaux poreux.

Le simple croquis de la figure n° 2 montre ce qui arrive au niveau

hydrostatique quand on procède à l'exhaure d'un sol poreux à l'aide de

puits filtrants, par exemple. Il suffit d'imaginer en trois dimensions

l'aspect de ce rabattement de la nappe phréatique pour comprendre que

le système d'exhaure crée une dépression conique dans la surface

hydrostatique. Si les propriétés du sol soumis à exhaure sont connues,

il est possible de calculer les dimensions du cône; l'insertion des

tuyaux d'exhaure selon un réseau tel que les cônes se recoupent permet

de rabattre le niveau hydrostatique sous le terrain à construire, et

seulement sous celui-ci, dans les limites du rayon d'action du réseau

de puits filtrants. La direction de l'écoulement sera modifiée dans le

périmètre de la fouille, et la nappe phréatique restera abaissée

jusqu'à la profondeur prévue par l'hydrologue tant que les pompes

fonctionneront. Un réseau de puits filtrants conçu par un spécialiste

sera d'une aide inappréciable pour les travaux d'excavation, illustrant

ainsi de façon frappante l'application de principes scientifiques aux

techniques un peu terre-à-terre de la construction.

Figure 2. Rabattement de la nappe phréatique par exhaure.

Nous avons mentionné ci-dessus quelques-uns des effets de la

présence des eaux de fond. Les fondations profondes, dont le drainage

est impossible, requièrent l'imperméabilisation des fondements en

béton. Les meilleures méthodes de protection contre les eaux

consisteront à prévoir dans le cahier des charges la fabrication, la

mise en place et la maturation de béton d'excellente qualité,

l'utilisation de joints efficaces, soigneusement établis et vérifiés

avant bétonnage. Dans ce cas, le tracé de l'ensemble des fondations

doit tenir compte de l'existence d'importantes pressions hydrostatiques.

En ce qui concerne les fondations peu profondes qu'on peut munir

d'un système de drainage, et comprenant un sous-sol de maison ordinaire

par exemple, il suffira d'établir soigneusement au périmètre de la

fouille un drain d'une pente convenable, relié à un égout ou à une

autre sortie, pour obtenir le même résultat qu'un réseau plus complexe

de puits filtrants. Le remplissage de la fouille où le drain est placé

doit être exécuté soigneusement avec des matériaux poreux compactés.

L'humidité régnant dans nombre de sous-sois de maisons reflète trop

souvent l'attention insuffisante accordée à cette facette du tracé des

fondations et souligne en conséquence la nécessité d'avoir une bonne

connaissance de la nature et du comportement des eaux souterraines,

ainsi que des façons de parer aux difficultés possibles