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Wikigeotech:Mesure de la perméabilité

De Wikibardig

Sommaire

GENERALITE

La perméabilité (coefficient de perméabilité ou conductivité hydraulique) est une caractéristique intrinsèque d’un matériau. Elle s’exprime en mètre par seconde et est noté k (m/s). La perméabilité correspond à une vitesse de transfert d’un liquide passant au travers des vides du matériau (voir l'article sur les les variétés de réservoirs d’eau souterraine): la porosité dite ouverte, la fracturation et autres discontinuités (diaclases, fissures..). Cette valeur n’est pas dépendante de la charge hydraulique mais est évaluée grâce la formule de Darcy mettant en relation débit, perméabilité et gradient.

La perméabilité est très dépendante de la saturation du milieu. Dans un matériau sec, la perméabilité est quasi nulle. C’est ce que l’on observe lorsqu’un évènement pluvieux intervient après un épisode de sécheresse : l’eau ruisselle à la surface des terrains et n’y pénètre pas, même avec des sols très graveleux. Il faut passer par une phase d’imbibition avant de pouvoir infiltrer l’eau (article sur l'eau dans les sols).

La perméabilité augmente progressivement avec la saturation jusqu’à une valeur maximale à 100 % de saturation. C’est pour cette raison qu’il est admis de mesurer k uniquement à saturation afin d’éviter la relation avec la teneur en eau. Il devient évident a contrario qu’on ne peut mesurer la perméabilité d’un sol en place non saturé qu’après avoir défini des conditions d’essais précises.

La détermination du coefficient de perméabilité peut-être approchée au travers de différents types d'essais, déterminés par la nature des matériaux testés et le niveau de précision recherché par l'étude. La durée et la méthodologie de l'essai peuvent varier sensiblement suivant la classe de perméabilité du matériau testé :

Relation entre durée d'essai et perméabilité des sols/roches testés (extrait de la norme NF EN ISO 22282-1)

avec (traduction des termes):

  • Pump Test : Essai de pompage ou de type Lefranc avec pompage
  • Pump Test using packers : Essai de/avec pompage et packers
  • Constant head test : Essai à charge constante
  • Slug test : Essai d'injection / relaxation
  • Slug test using packers : Essai d'injection / relaxation avec packers
  • Pulse test : Slug test, avec variation brutale de la charge (sans débit)

Le choix de la méthodologie d'essais dépend de la nature géotechnique des matériaux testés et du type d'étude menée (projet, problématique, niveau de définition …). Ces méthodes d'essais peuvent être classées en cinq catégories :

  • NF EN ISO 22282-2 : essai de perméabilité à l'eau dans un forage en tube ouvert
  • NF EN ISO 22282-3 : essais de pression d'eau dans des roches
  • NF EN ISO 22282-4 : essais de pompage
  • NF EN ISO 22282-5 : essais d'infiltration
  • NF EN ISO 22282-6 : essai de perméabilité à l'eau dans un forage en tube fermé
Extrait de la norme européenne sur les essais d'eau NF EN ISO 22-282-1 Correspondance avec les essais français


La perméabilité peut également être mesurée en laboratoire, à l’aide de perméamètre à cellule triaxiale, oedométrique etc., mais les résultats obtenus n’ont pas toujours une signification précise du fait du remaniement possible des échantillons et de leur faible volume. D’où la nécessité de privilégier la mesure sur le terrain, pour les matériaux de gamme de perméabilité moyenne (10-3 à 10-7 m/s).

Les mesures de perméabilité par essai en laboratoire permettent en revanche de tester les sols de très faible perméabilité (k < 10-8 m/s), qui ne sont pas dans la pratique mesurables par la plupart des essais in situ.

MESURE DE LA PERMÉABILITE

Mesures in situ

Plusieurs essais et/ou matériels permettent d’évaluer la perméabilité in situ.

En sondage

  • L’essai Perméafor dans les sols saturés et non saturés, évalue une pseudo-perméabilité
  • l’essai Lefranc dans les sols saturés (sous nappe) avec sa variante l’essai Nasberg pour les sols non-saturés
  • l’essai de pompage (sous nappe)
  • l’essai Lugeon (adapté aux mesures sur roches ou sur ouvrage)
  • le Slug Test
  • le Pulse Test
  • l’utilisation du Micro-Moulinet uniquement sous nappe, pour détecter les sens de circulation de l’eau souterraine.

sur une surface

MESURES PIÉZOMÉTRIQUES

Les piézomètres sont des dispositifs permettant de mesurer des niveaux d'eau dans les sols. On distingue :

Aucun de ces dispositifs ne donne d’indications sur la perméabilité des matériaux. Ils permettent au mieux de situer les niveaux d’eau (sous réserve d’avoir correctement dimensionné le dispositif) et de qualifier l’activité de la nappe (variations avec la pluviométrie, variation des hauteurs d’eau …).

ÉVALUATION DE LA PERMÉABILITE EN FONCTION DE LA GRANULARITÉ

De nombreuses formules existant dans la littérature établissent des corrélations entre la granulométrie des matériaux et la perméabilité, parmi lesquelles on peut citer :

  • la formule de Kozeny,
  • la formule de Loudon,
  • la formule de Hazen.

Ces formules permettent d’obtenir des estimations assez justes de la perméabilité, mais souvent établies pour des sols ou des agrégats uniformes et dans des régimes d'écoulement maîtrisés en laboratoire (vitesse, température).
Nous les citons pour mémoire, en sachant que naturellement les matériaux répondent rarement aux conditions idéales pour lesquelles elles ont souvent été établies, et que l'hétérogénéité des sols nécessite souvent des mesures et essais plus spécifiques.

La formule de Hazen est :

k (m/s) = [d10 (cm)]² .

Elle s'applique aux matériaux sableux et n'est valable, en principe que lorsque le coefficient d'uniformité CU = d60 / d10 est inférieur à 2 environ (la formule peut être étendue à CU < 3,5, avec un certain niveau d'incertitude).

Une autre forme de cette formule est :

k (m/s) = 0,35 x [d15 (cm)]².


RÉFÉRENCES

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