Trois mètres sous le niveau d'une nappe, l'eau des pores pousse déjà sur le sol avec une pression proche de 30 kilopascals. Cette pression, notée u sur un rapport géotechnique, commande une chose simple, la part de charge réellement reprise par les grains du sol. Quand elle monte, le sol perd de la résistance, un talus glisse, une fondation tasse. On détaille ici ce que désigne ce u, le principe de Terzaghi qui le relie à la résistance, et comment on le relève sur le terrain.
Sommaire
- À quoi correspond la pression interstitielle
- Le principe de Terzaghi sépare l'eau et le squelette du sol
- Pourquoi l'eau change la résistance du sol
- Comment on relève la pression interstitielle sur le terrain
- Une surpression d'eau déclenche glissements et liquéfaction
- Ce que la pression interstitielle relie dans la mécanique des sols
- Questions fréquentes
À quoi correspond la pression interstitielle
La pression interstitielle, notée u, est la pression de l'eau logée dans les pores d'un sol saturé. Sous une nappe au repos, elle grandit avec la profondeur, à mesure que la colonne d'eau au-dessus du point devient plus haute. C'est une pression d'eau, distincte des contraintes portées par les grains du sol.
En conditions hydrostatiques, sous une nappe immobile, son calcul tient en une ligne.
u = γw × hw
u, la pression d'eau au point considéré, en kilopascals. γw, le poids volumique de l'eau, proche de 10 kN/m³. hw, la hauteur d'eau au-dessus du point, en mètres.
À trois mètres sous une nappe, u avoisine 30 kilopascals. À six mètres, environ 60. Ce code revient dans beaucoup de rapports, aux côtés des autres définitions du lexique géotechnique. Trois éléments font varier sa valeur.
- La position du point sous la nappe, donc la hauteur d'eau au-dessus de lui.
- Les variations de charge appliquées au sol, qui mettent l'eau des pores sous pression dans les terrains peu perméables.
- L'écoulement de la nappe, immobile ou en mouvement, qui modifie la pression au point de mesure.
En bref : sous le niveau de la nappe, la pression interstitielle est positive et grandit avec la profondeur. Au-dessus, dans la frange capillaire au contact de la nappe, elle devient négative par rapport à la pression atmosphérique.
Le principe de Terzaghi sépare l'eau et le squelette du sol
Karl Terzaghi a posé le principe qui fonde la mécanique des sols. Il sépare la charge totale subie par le sol en deux parts, celle reprise par l'eau des pores et celle reprise par les grains.
σ' = σ - u
σ, la contrainte totale au point. u, la pression interstitielle. σ', la contrainte effective, la part réellement reprise par le squelette de grains.
C'est la contrainte effective σ', portée par les grains en contact, qui commande la résistance et le tassement du sol. L'eau des pores, elle, transmet une pression mais n'oppose pas de résistance au cisaillement.
À noter : on ne mesure pas la contrainte effective directement. On relève la contrainte totale et la pression interstitielle, puis on retranche l'une à l'autre pour obtenir la part qui fait travailler le sol.
Pourquoi l'eau change la résistance du sol
Reprenez la relation. À charge totale constante, si u monte, σ' baisse d'autant. Les grains se serrent alors moins fort les uns contre les autres, et le sol perd de la résistance. Deux situations de chantier montrent le mécanisme dans les deux sens.
- Une montée de nappe après une semaine de pluie fait monter u. La contrainte effective chute, et un talus argileux déjà fragilisé se met à glisser.
- Un rabattement de nappe par pompage fait baisser u. La contrainte effective grimpe, le sol se comprime et tasse, parfois sous les maisons voisines du chantier.
Ce mécanisme explique aussi pourquoi on distingue deux moments dans le comportement d'un sol fin, juste après un chargement et longtemps après.
| Moment du calcul | État de l'eau des pores | Ce qui gouverne la résistance |
|---|---|---|
| Court terme | L'eau n'a pas eu le temps de s'évacuer, u reste élevée | La cohésion non drainée du sol fin |
| Long terme | La surpression s'est dissipée, u revient à l'équilibre de la nappe | Les paramètres effectifs, cohésion et angle de frottement |
Ce contraste explique pourquoi un sol fin saturé se calcule d'abord avec la cohésion non drainée, qui décrit la tenue à court terme, avant de revenir aux paramètres effectifs du long terme.
La résistance est une lecture parmi d'autres. La même pression d'eau se mesure aussi directement dans le sol.
Comment on relève la pression interstitielle sur le terrain
Deux familles d'outils donnent accès à u, l'une par lecture d'un niveau d'eau, l'autre pendant l'enfoncement d'une sonde.
- Le piézomètre, un tube placé dans le sol où l'eau monte jusqu'au niveau de la nappe. La hauteur d'eau lue donne la pression au point de mesure.
- Le piézocône, ou CPTu, un pénétromètre statique muni d'un filtre poreux. Pendant l'enfoncement, il enregistre la résistance de pointe, le frottement et la pression d'eau, souvent notée U2.
| Outil | Ce qu'il fournit | Terrain d'emploi |
|---|---|---|
| Piézomètre | Le niveau de nappe et la pression d'eau au repos | Suivi sur la durée, saison après saison |
| Piézocône (CPTu) | La pression d'eau pendant l'enfoncement, notée U2 | Sols fins et sables, sous le niveau de la nappe |
| Essai de dissipation | La vitesse de retour de la surpression à l'équilibre | Drainage du sol et ordre de grandeur de la perméabilité |
Bon à savoir : un essai au piézocône donne une pression d'eau fiable surtout sous le niveau de la nappe. Au-dessus, dans un sol non saturé, la lecture devient difficile à interpréter.
Une surpression d'eau déclenche glissements et liquéfaction
Une sollicitation rapide engendre une surpression interstitielle, une pression d'eau au-dessus de l'équilibre de la nappe. Le temps que cette eau s'évacue, la contrainte effective reste basse et le sol garde peu de tenue. Trois causes reviennent souvent.
- Une pluie longue ou une fonte de neige gonfle la nappe. Sur une pente argileuse, la surpression abaisse la résistance et un glissement de terrain favorisé par l'eau se met en route.
- Un séisme secoue un sable lâche saturé. La pression d'eau grimpe d'un coup, la contrainte effective tombe presque à zéro, et le sable se comporte comme un liquide. C'est la liquéfaction d'un sable lâche saturé.
- Un chargement rapide, un remblai monté vite sur une argile molle, met l'eau des pores sous pression avant qu'elle ne s'échappe.
Le portail Géorisques classe la présence d'eau parmi les conditions d'apparition d'un glissement de terrain, aux côtés de la pente et de la nature du sol, comme le détaille son dossier sur les mouvements de terrain.
Le drainage inverse le mécanisme. En évacuant l'eau, il fait baisser u, remonte la contrainte effective et stabilise le terrain. Des tranchées drainantes en pied de talus ou des drains verticaux dans une argile molle servent à cela.
Au-delà des risques, cette pression d'eau est le fil qui relie la plupart des chiffres d'un rapport de sol.
Ce que la pression interstitielle relie dans la mécanique des sols
Beaucoup de paramètres d'un rapport reposent sur la même idée, la part de charge reprise par les grains une fois l'eau retranchée. La pression interstitielle est le pivot qui les rend cohérents.
- La consolidation d'une argile est la lente dissipation de la surpression. Tant que l'eau s'évacue, le sol tasse, et le coefficient de consolidation mesure la vitesse de ce retour à l'équilibre.
- La cohésion non drainée décrit la tenue d'un sol fin tant que l'eau des pores n'a pas bougé, donc à court terme.
- Les indices de compression et de gonflement et la pression de préconsolidation se lisent en contraintes effectives, une fois la pression d'eau soustraite.
Comprendre u, c'est comprendre pourquoi un sol réagit vite ou lentement, et pourquoi l'eau gouverne presque toute la mécanique des sols.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que la pression interstitielle ?
Que signifie u en géotechnique ?
Quelle est l'unité de la pression interstitielle ?
Qu'est-ce que le principe des contraintes effectives ?
Quelle relation lie contrainte totale, contrainte effective et pression interstitielle ?
Pourquoi l'eau réduit-elle la résistance d'un sol ?
Comment mesure-t-on la pression interstitielle ?
Qu'est-ce qu'une surpression interstitielle ?
Pourquoi la pression interstitielle favorise-t-elle un glissement de terrain ?
Quel rôle joue la pression interstitielle dans la consolidation ?
Le drainage fait-il baisser la pression interstitielle ?
Qui a énoncé le principe des contraintes effectives ?
À retenir
- La pression interstitielle u est la pression de l'eau dans les pores d'un sol saturé, en kilopascals, croissante avec la profondeur sous la nappe.
- Le principe de Terzaghi pose que la contrainte effective égale la contrainte totale moins u, et que seule cette part reprise par les grains fait travailler le sol.
- Quand u monte, la contrainte effective baisse et le sol perd de la résistance, ce qui distingue le court terme du long terme.
- On la relève par piézomètre pour la pression au repos, ou par piézocône pendant l'enfoncement d'une sonde.
- Une surpression d'eau favorise glissements et liquéfaction, et le drainage, qui fait baisser u, sert à stabiliser le terrain.
