Les eaux de fond

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

salam

Merci, encore une fois Mr l'EXPERT

azefoun a écrit:salam

Merci, encore une fois Mr l'EXPERT

merci , my name is rachid bentafat

salam alicom
merci pour vs mon frere

muhamad a écrit:salam alicom
merci pour vs mon frere

merci