Essais de laboratoire géotechnique : identifier et tester le sol

Un sac de terre de quelques kilos, prélevé au fond d'un sondage, suffit à un laboratoire pour dire si votre sol gonfle au contact de l'eau, tasse sous une maison ou tient une fondation. Sur un devis géotechnique, vous lisez granulométrie, triaxial, œdomètre ou Proctor sans savoir ce que chaque essai apporte à votre projet.

On reprend chaque essai de laboratoire un par un, ce qu'il mesure, et ce que son résultat change pour vos fondations ou votre terrassement. D'un côté l'identification du sol, de l'autre son comportement mécanique.

Les différents essais à connaître en laboratoire

Un essai de laboratoire géotechnique part toujours d'un prélèvement. Le géotechnicien remonte un peu de sol d'un sondage, le met en sac ou en carottier, l'étiquette avec sa profondeur, puis l'envoie au laboratoire. Là, à l'abri, on le pèse, on le sèche, on le tamise, on l'écrase sous une presse. Chaque manipulation livre un chiffre sur le matériau.

Chaque essai répond à une question précise sur le sol

Une vue d'ensemble de tous les essais, rangés par finalité, avec ce que chacun mesure et l'intérêt qu'il apporte au projet.

Le laboratoire prolonge les mesures faites sur le terrain

Ces analyses prolongent le travail mené sur place et nourrissent le rapport remis à la fin d'une étude géotechnique complète. Elles se distinguent des mesures prises directement dans le terrain, comme le pressiomètre ou le pénétromètre, qui testent le sol sans le sortir de sa place.

Vérifiez ces points avant de commander vos essais

Quatre réflexes simples évitent les déconvenues.

Les sections suivantes détaillent les essais les plus courants, de l'identification du sol à la mesure de sa résistance, de sa déformation et de son compactage.

Les essais d'identification classent le sol

Avant de calculer quoi que ce soit, on a besoin de savoir à quoi on a affaire. Sable, limon, argile, ou mélange des trois. Les essais d'identification répondent à cette question et débouchent sur une étiquette de classement, selon la classification routière des sols (GTR, norme NF P11-300) ou le système USCS. Le détail figure dans la page sur les méthodes pour identifier et classer un sol.

La granulométrie trie les grains par taille

On verse le sol sur une colonne de tamis aux mailles de plus en plus fines, et on pèse ce qui reste sur chaque tamis. Pour les particules trop fines pour être retenues, on les laisse sédimenter dans l'eau et on mesure leur descente. Le résultat se lit sur une courbe qui donne la part de graviers, de sable, de limon et d'argile dans l'échantillon.

Les limites d'Atterberg situent le sol face à l'eau

Une même argile coule comme une boue quand elle est gorgée d'eau, se travaille comme de la pâte un peu plus sèche, puis casse net une fois sèche. Les limites d'Atterberg repèrent les teneurs en eau de ces changements d'état, la limite de liquidité et la limite de plasticité. L'écart entre les deux donne l'indice de plasticité, un chiffre qui dit combien le sol est sensible à l'eau.

La valeur au bleu révèle l'argile active

On ajoute du bleu de méthylène à une suspension de sol jusqu'à saturation. Plus le sol contient d'argile active, plus il absorbe de bleu. Cette mesure, appelée valeur au bleu ou VBS et détaillée dans sa fiche dédiée, complète les limites d'Atterberg pour juger du caractère argileux du terrain.

Ce que cette famille d'essais apporte concrètement :

• Un classement du sol, qui sert de langage commun entre le géotechnicien, le terrassier et le bureau d'études.
• Le repérage des argiles gonflantes, celles qui se rétractent en été et gonflent à la pluie. C'est le risque qui fissure les maisons et que la réglementation encadre pour la construction en terrain argileux.
• Une première orientation des fondations, avant même les essais mécaniques plus lourds.

L'essai triaxial mesure la résistance du sol

L'essai triaxial cherche à savoir à partir de quelle charge un sol cède et glisse sur lui-même. On taille une éprouvette cylindrique de sol, on l'enferme dans une cellule remplie d'eau sous pression, puis on l'écrase verticalement jusqu'à la rupture. La machine enregistre la force et la déformation tout du long.

De cet écrasement, on tire les deux nombres qui décrivent la résistance d'un sol au cisaillement : la cohésion, qui dit comment les grains se tiennent entre eux, et l'angle de frottement, qui dit comment ils glissent les uns sur les autres. Selon le drainage de l'éprouvette, l'essai se décline en trois versions :

• UU, non consolidé non drainé, rapide, pour un comportement à court terme.
• CU, consolidé non drainé avec mesure de la pression de l'eau dans les pores, fréquemment utilisé en géotechnique.
• CD, consolidé drainé, lent, pour le comportement à long terme.

Ces valeurs servent à vérifier qu'un talus tient, à dimensionner un mur de soutènement ou à calculer la stabilité d'un remblai. Le déroulé complet de l'essai triaxial précise le montage de l'éprouvette et la lecture des courbes.

L'essai œdométrique prévoit les tassements

Une argile molle, chargée par une maison, tasse lentement pendant des mois à mesure que l'eau s'évacue de ses pores. L'essai œdométrique mesure ce phénomène. On place une galette de sol dans une bague rigide qui l'empêche de s'étaler sur les côtés, puis on empile des charges par paliers en notant l'enfoncement à chaque étape.

Le résultat dit deux choses : de combien le sol va tasser sous une charge donnée, et en combien de temps. On en tire l'indice de compression, l'indice de gonflement et la pression à partir de laquelle le sol se tasse fortement. Cet essai est couramment utilisé pour évaluer les tassements des sols compressibles, notamment certaines argiles et vases.

Le cisaillement direct donne cohésion et frottement

L'essai de cisaillement direct vise le même but que le triaxial, la résistance du sol, mais par un chemin plus simple. On enferme l'éprouvette dans une boîte coupée en deux moitiés horizontales. On appuie sur le dessus avec un poids connu, puis on fait glisser une moitié de la boîte par rapport à l'autre. On mesure la force qu'il faut pour cisailler le sol.

En répétant l'essai sous trois charges verticales différentes, on obtient la cohésion et l'angle de frottement, lus en conditions drainées. Cet essai à la boîte, dit boîte de Casagrande, sert surtout pour la stabilité des talus, des fouilles et des ouvrages de soutènement.

Pour le protocole détaillé et la lecture des résultats, voir l'essai de cisaillement à la boîte en détail.

Proctor et CBR vérifient le compactage et la portance

Ces deux essais ne regardent pas un sol de fondation, mais un sol que l'on va remettre en place et tasser : un remblai, une plateforme, une couche de chaussée. L'enjeu est de savoir comment bien le compacter et combien il supportera de charges une fois compacté.

L'essai Proctor cherche la teneur en eau qui rend le compactage le plus efficace. On compacte plusieurs fois le même sol à des humidités croissantes, on mesure la densité obtenue à chaque essai, et on trace une courbe en cloche. Son sommet donne la teneur en eau optimale et la densité sèche maximale, deux repères que le terrassier vise sur le chantier. Selon l'énergie de compactage, on parle de Proctor normal ou de Proctor modifié.

L'essai CBR mesure ensuite la portance du matériau compacté, sa capacité à supporter le trafic. On enfonce un poinçon dans l'éprouvette et on compare la résistance obtenue à une référence. Le résultat sert au dimensionnement des chaussées et au classement des plateformes. Le détail des essais Proctor et CBR reprend chaque étape.

Les normes qui encadrent chaque essai

Chaque essai suit un mode opératoire écrit, pour que deux laboratoires trouvent le même résultat sur le même sol. Un point mérite l'attention. Depuis 2017, les essais sur les sols sont décrits par la série européenne NF EN ISO 17892, qui a remplacé plusieurs anciennes normes françaises NF P 94. Le Proctor et le CBR, eux, restent encadrés par des normes françaises, sans équivalent européen pour les sols.

Ce que coûtent les essais et le délai des résultats

Les essais de laboratoire se commandent rarement à l'unité par un particulier. Ils font partie de la mission confiée à un bureau d'études, le plus souvent une étude de conception (G2). Le devis englobe alors les sondages, les prélèvements, les essais et le rapport final.

Le coût dépend de la mission confiée, du nombre de sondages, de leur profondeur, des essais réalisés et de l'accès au terrain. À titre d'ordre de grandeur indicatif, une étude de conception (G2) pour une maison individuelle se situe souvent entre 1 500 et 2 500 € HT. Mieux vaut comparer plusieurs devis qui décrivent précisément le contenu des investigations plutôt que de retenir le seul prix affiché.

Côté délai, tout dépend du type d'essai. L'identification rend son verdict vite. Les essais mécaniques demandent plus de patience, car l'éprouvette doit être saturée puis consolidée lentement.

Les documents publics qui détaillent les essais

Plusieurs ressources publiques expliquent à quoi ressemble chaque essai, comment lire son résultat et quelles normes l'encadrent. Elles viennent d'organismes publics et de la profession, pas de prestataires commerciaux.

Questions fréquentes