Observations de la teneur en eau des sols de fondation de chaussées belges à la fin de l'hiver – Compte rendu de recherche CR 2/72

En vue de connaitre les teneurs en eau des sols de fondation de chaussées à l'époque la plus défavorable de l'année, des échantillons non remaniés ont été prélevés, par des forages horizontaux sous des chaussées de toutes les régions de la Belgique, au cours des mois de mars et d'avril des années 1968, 1969 et 1970. A cette époque de la fin de l'hiver, les sols sont le plus humides et les nappes phréatiques le plus élevées.

Le nombre total des forages a été 120; les sites auscultés présentaient une large variété de conditions climatiques (liées à l'altitude), hydrologiques (position de la nappe phréatique par rapport à la chaussée), hydrauliques (perméabilité et dispositifs de drainage de la chaussée) et géotechniques (nature et compacité des sols de fondation).

Entre les teneurs en eau des sols prélevés à 20 cm en-dessous de l'assiette et les caractéristiques des sites et des chaussées, plusieurs relations ont été dégagées:

  1. Effet de la nature du sol
    Les sols non cohésifs (sols sableux fins) sont moins humides, avec un degré de saturation moyen de 0,66, que les sols cohésifs (sables limoneux, sables argileux, limons, argiles) dont le degré de saturation moyen est 0,84.
     
  2. Effet de la profondeur de la nappe phréatique
    Dans les sols non cohésifs le niveau phréatique était presque toujours très proche (à moins d'un mètre de profondeur), et l'effet de sa profondeur n'a pu être mis en évidence; cependant, des teneurs en eau très faibles (degré de saturation de l'ordre de 0,2) ont été trouvées lorsque la nappe était à plus de deux mètres de profondeur; l'allure typique des courbes de succion (à inflexion très marquée) explique cette constatation.
    Dans les sols cohésifs, l'effet de la profondeur du niveau phréatique est moins abrupt  mais néanmoins très significatif.
    Ces faits correspondent à ce que la théorie thermodynamique des profils hydriques permettait de prévoir,  même si un équilibre réel n'était pas atteint dans la plupart des cas.
     
  3. Effet de bord hivernal
    Lorsque le sol des accotements exposés aux intempéries est très humide,  comme c'est le cas après l'hiver, on s'attend généralement à ce qu'il humidifie,  par migration, le sol de fondation de la chaussée sous la zone de bord de celle-ci,  tandis que le sol sous le centre de la chaussée demeure moins humide.
    Cet effet de bord n'a pas été constaté du tout dans les sols non cohésifs (sableux); au contraire,  le sol de la zone centrale était plus humide que celui de la zone de bord. L'explication est que d'une part dans un sol sableux, la différence de succion qui existe entre une zone humide et une zone moins humide, et qui est responsable de l'effet de bord, est faible, tandis que d'autre part, les infiltrations à travers la chaussée confèrent à la surface de la nappe phréatique un profil elliptique convexe: la nappe est plus haute sous le centre que sous les bords de la chaussée.
    Dans les sols cohésifs par contre, l'effet de bord classique s'est manifesté nettement.
     
  4. Effet de la structure de la chaussée
    Les entrées d'eau constituées par des détériorations du revêtement de la chaussée: fissures de dalles de béton, joints ouverts, craquelages de revêtements noirs, se manifestent par des augmentations sensibles de la teneur en eau du sol.
    Des situations particulièrement défavorables ont été décelées sous des chaussées du type dit "baignoire" comportant une sous-fondation poreuse et capillaire (sable) dépourvue d'exutoires. De telles sous-fondations ont été trouvées gorgées d'eau, et le sol sous-jacent pratiquement saturé, d'où portance réduite du sol et détérioration progressive de la chaussée.
     
  5. Effets du gel et du dégel
    Les hivers des années citées ont été relativement doux en Basse et Moyenne Belgique, mais en Ardenne ils ont comporté de longues périodes de gel. Dans la région du plateau de Libramont, à plus de 400 m d'altitude, les sols de fondation de chaussées minces (épaisseur 25 à 30 cm), auscultées au moment du dégel, se sont avérés, non seulement saturés par l'eau de fusion de lentilles de glace, mais en outre très peu compacts (jusque 55 % de vides) du fait de leur dislocation par la croissance de ces lentilles. Cette situation, la plus périlleuse de toutes celles qui ont été rencontrées, montre que la lutte contre l'eau ne doit pas être dissociée de celle contre les effets du gel et du dégel.

Outre ces enseignements hydrologiques', l'investigation a fourni un échantillonnage étendu et varié des sols de surface de la Belgique. Le classement des 120 échantillons étudiés en fonction de leurs caractéristiques d'identification géotechnique montre que les limons constituent de loin la catégorie la plus nombreuse, et aussi qu'il n'est pas rare de rencontrer également des sols cohésifs dans ce qu'on appelle la région sableuse du Nord de la Belgique.

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