Essai SPT : valeur N, N60 et lecture du rapport de sondage

L'essai SPT (Standard Penetration Test), ou essai de pénétration au carottier, mesure la résistance d'un sol en comptant les coups de mouton nécessaires pour enfoncer un tube de 30 cm au fond d'un forage. Ce chiffre, la valeur N, indique si un sable est lâche ou dense, si une argile est molle ou dure, et le tube remonte au passage un échantillon du terrain. Ce guide explique le déroulement de l'essai, la lecture de la valeur N dans votre rapport et les corrections à lui appliquer.

L'essai SPT compte les coups de mouton au fond d'un forage

Sur le chantier, l'opérateur descend le carottier fendu, un tube en acier, au fond d'un forage déjà creusé, puis le bat avec le mouton, une masse lâchée d'une hauteur fixe. À chaque chute, le carottier s'enfonce un peu. On note le nombre de coups par tranche de 15 cm.

Sa particularité tient au carottier. Une fois remonté, ce tube s'ouvre dans la longueur et livre un échantillon de terrain. L'essai donne donc deux choses à la fois : un chiffre de résistance et un morceau de sol à examiner à l'œil, sable, argile ou limon. Il fait partie des reconnaissances menées directement dans le terrain, aux côtés du pressiomètre et des autres méthodes de sondage réalisées sur place.

1. 1

   On descend le carottier

   Le tube fendu, de dimensions usuelles 51 mm de diamètre extérieur et 35 mm intérieur, est posé au fond d'un forage nettoyé, au bout des tiges.

2. 2

   Le mouton frappe

   Une masse de 63,5 kg tombe en chute libre de 760 mm sur la tête de battage. Chaque coup pousse le carottier vers le bas.

3. 3

   On amorce sur 15 cm

   La première passe traverse le fond de forage remanié. Elle s'arrête à 15 cm ou à 25 coups, et ne compte pas dans N.

4. 4

   On compte les 30 cm suivants

   Les coups des deux passes de 15 cm qui suivent donnent la valeur N. À 50 coups, l'essai s'arrête et l'opérateur note l'enfoncement atteint.

Dans un même forage, l'essai se répète en descendant, en général tous les 1 à 1,5 m ou à chaque changement de couche. Le projet de DTU publié en 1983 dans la Revue Française de Géotechnique préconisait déjà un intervalle de 0,50 à 1,50 m, de préférence 1 m.

Lire la valeur N dans votre rapport de sondage

Sur une coupe de sondage, l'essai SPT apparaît souvent sous la forme de trois nombres séparés par des barres. Le premier correspond à l'amorçage. N est la somme des deux suivants.

Cet arrêt, souvent appelé refus, ne prouve pas à lui seul un bon sol. Un galet ou un bloc dans une couche de sable donne le même résultat. Le géotechnicien recoupe donc avec l'échantillon remonté et les essais voisins.

Classer le sol avec la valeur N

La valeur N est le nombre de coups nécessaires pour enfoncer le carottier des 30 derniers centimètres. C'est un comptage, sans unité physique, lu sur place sans calcul. Plus le sol est dur, plus N grimpe.

Pour passer du chiffre à une description du sol, les géotechniciens utilisent une grille empirique, d'après Terzaghi et Peck, deux pionniers de la mécanique des sols. Elle s'applique à la valeur N mesurée et donne des repères, pas des seuils. Les bornes changent selon le type de terrain. Les rapports rédigés à l'étranger emploient souvent les termes anglais, repris dans la troisième colonne.

Le sable se classe par compacité

L'argile se classe par consistance

Si votre rapport affiche des valeurs N basses sous les futures fondations, plusieurs bureaux d'études vous diront quels essais complémentaires lancer.

Corriger N en N60 puis en N1,60

La valeur brute lue sur le terrain reste fragile. Deux biais la faussent :

• L'énergie du battage, qui varie d'un matériel à l'autre
• La profondeur, car un même sable bat plus de coups quand les terres au-dessus le compriment

Les corrections règlent ces deux biais, dans cet ordre.

Le N60 corrige l'énergie du marteau

Un coup de mouton ne transmet jamais toute son énergie aux tiges. Un marteau à corde et poulie en délivre moins qu'un marteau à déclenchement automatique. Deux appareils donnent donc deux valeurs N sur le même sol.

Le N60 ramène la valeur à un rendement de référence de 60 % de l'énergie de chute libre, selon la méthode de Skempton publiée en 1986. La correction d'énergie s'écrit N × Er / 60, où Er est le rendement mesuré du matériel. Selon la méthode de calcul retenue, le géotechnicien multiplie aussi par trois facteurs liés au forage, aux tiges et au carottier, regroupés dans le tableau ci-dessous (valeurs de Youd et Idriss, 2001). La norme NF EN ISO 22476-3 exige de connaître ce rendement pour tout calcul fondé sur N.

Le N1,60 corrige l'effet de la profondeur

Le N1,60, noté aussi (N1)60, ramène le N60 à une contrainte verticale effective de référence de 100 kilopascals. Le coefficient vaut Cn = (100 / σ'v) puissance 0,5, avec σ'v en kilopascals, selon la relation de Liao et Whitman de 1986. Son plafond dépend de la méthode : 1,7 chez Youd et Idriss (2001), 2,0 et de préférence 1,5 dans l'annexe informative A de la norme NF EN ISO 22476-3. Le N1,60 sert surtout sur les sables, pour la densité relative et le risque de liquéfaction.

Passer de la valeur N aux paramètres de calcul

La valeur N reste une mesure indirecte. Pour la transformer en paramètres de calcul, l'ingénieur s'appuie sur des corrélations empiriques, établies type de sol par type de sol. Elles servent au pré-dimensionnement, pas au calcul final des fondations.

• Angle de frottement : pour les sables, des abaques comme ceux de Peck, Hanson et Thornburn ou de Meyerhof relient la valeur N corrigée à l'angle de frottement interne du sable. Plus N monte, plus l'angle grandit.
• Cohésion non drainée : pour les argiles, des correspondances relient N à la cohésion Cu. Elles donnent un ordre de grandeur, moins fiable sur une argile.
• Résistance de pointe : le rapport entre la résistance qc du pénétromètre statique et N60 grandit avec la taille des grains, de l'ordre de 0,4 à 0,6 MPa par coup pour un sable selon sa granulométrie (Robertson et ses coauteurs, 1983). Ce rapport reste un ordre de grandeur.
• Liquéfaction : le N1,60 alimente la méthode simplifiée de Seed et Idriss, mise à jour par Youd et Idriss en 2001, pour juger si un sable saturé se liquéfie sous séisme.

En France, une étude de la Revue Française de Géotechnique (n° 58, 1992, Gonin, Vandangeon et Lafeuillade) a comparé le SPT et la pression limite pl du pressiomètre sur neuf formations de la région parisienne et du Nord. Extrait de ses résultats :

L'incertitude correspond à l'écart moyen relevé par les auteurs. Ces relations valent pour les formations étudiées et ne se transposent pas telles quelles à d'autres sols. Les auteurs jugent le SPT aussi représentatif dans les argiles. Ils appellent à la prudence dans la craie et écartent les vases et les roches dures.

Pour savoir quels essais votre terrain justifie, comparez les propositions de plusieurs bureaux d'études.

Distinguer le SPT du pénétromètre dynamique

Les deux essais reposent sur le battage et comptent des coups. Mais ils ne donnent pas la même chose. Le SPT travaille au fond d'un forage et remonte un échantillon. Le pénétromètre dynamique enfonce une pointe pleine en continu, sans forage et sans prélèvement.

L'atout du SPT, c'est l'échantillon : il dit la nature du sol, pas uniquement sa dureté. Le pénétromètre dynamique va plus vite, mais reste muet sur la matière traversée. Les deux se complètent dans une campagne de reconnaissance.

Comprendre pourquoi le SPT reste rare en France

Né aux États-Unis au début du XXe siècle et normalisé par l'ASTM en 1958, le SPT sert de base à une grande partie des corrélations publiées dans la littérature anglo-saxonne. En France, la pratique a pris un autre chemin.

La raison tient à un appareil né dans l'Hexagone. Le pressiomètre breveté par Louis Ménard en 1955 est devenu l'outil de référence pour dimensionner les fondations. La norme NF P94-262, qui applique l'Eurocode 7 aux fondations profondes, consacre son annexe F à la méthode pressiométrique.

Les services publics suivent la même logique. Le Cerema liste parmi ses essais en place le pressiomètre Ménard et le pénétromètre dynamique. Le SPT garde sa place dans quelques situations :

• Sables et graviers sous la nappe, où l'échantillon et N se lisent bien
• Zones sismiques, pour vérifier le risque de liquéfaction d'un sable saturé
• Projets suivis par une ingénierie étrangère, habituée aux corrélations SPT
• Forages profonds où l'on veut un échantillon à chaque palier

Votre bureau d'études choisit les essais selon le sol et le projet, demandez-lui pourquoi il retient tel essai plutôt qu'un autre.

Connaître les normes qui encadrent l'essai SPT

L'essai ne s'improvise pas. Un texte fixe le matériel, le déroulement et le contenu du procès-verbal. C'est ce qui permet de comparer un sondage à un autre.

Vous pouvez consulter la fiche officielle de la norme NF EN ISO 22476-3 sur le site de l'AFNOR.

Questions fréquentes