9.1) Les problèmes créés par l'eau dans la construction sont quelquefois négligés ou

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1 CHAPITRE 9 : PIÉZOMÈTRE 91)Introduction 9.1) Les problèmes créés par l'eau dans la construction sont quelquefois négligés ou souvent mal posés, quand ils ne sont pas complètement ignorés. Et pourtant, ils sont fondamentaux tant en ce qui concerne les conditions d'exécution des chantiers que la stabilité des ouvrages et les problèmes hydrogéologiques. Il importe donc, tout d'abord, dans une étude des sols, de préciser le niveau de la nappe et d'indiquer l'influence de ce niveau sur le déroulement des futurs travaux. Le niveau deau d'eau ou la pression interstitielle mesurés dans un sol sont rarement constants sur une longue période; ils subissent des variations à cause de: 1) la précipitation, de l'infiltration et de l'évaporation; 2) la variation du niveau de contrainte (charges); 3) l'écoulement saisonnier alimenté par la variation saisonnière des niveaux de rivières ou de lacs avoisinants; 4) les travaux de construction qui modifient les contraintes au sein des sols ou qui modifient les conditions o aux limites, exemples e es une excavation; 5) le pompage page ou recharge en eau; 5) les effets du gel et de dégel; 6) la variation de la pression atmosphérique et de l'humidité. 1

2 La détermination précise du niveau de la nappe phréatique et des pressions interstitielles est importante pour la conception, la construction des fondations et des ouvrages souterrains. La profondeur de la nappe phréatique est un facteur pouvant influencer le choix du type de fondation. La variation saisonnière du niveau de la nappe peut occasionner des mouvements (gonflement ou de retrait)des sols de fondation. La présence d une nappe artésienne peut grandement affecter la stabilité d une excavation réalisée dans l argile. Le contrôle des pressions interstitielles permet de suivre la consolidation ou la dissipation des pressions interstitielles développées dans une couche d argile suite à des travaux de construction ou de chargement. La pression interstitielle élevée constitue souvent la cause des problèmes d instabilité; il est donc important de pouvoir mesurer ces pressions et leur dissipation. Dans le cas des problèmes de pollution, le piézomètre est utilisé pour permettre des prélèvements pour analyses chimiques et aussi pour étude hydrogéologique g de la nappe phréatique et le risque de contamination. 2

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5 Un niveau de la nappe phréatique libre (free ground-water table) est défini comme la surface de contact entre la nappe phréatique libre et la zone capillaire, i Hvorslev (1949), c'est le niveau atteint t par l'eau dans un forage. La nappe phréatique peut être régulière s'il existe une seule nappe libre; quand la pression hydrostatique augmente linairement avec la profondeur (p=z ), comme dans le cas d'un réservoir d'eau. Ceci signifie ifi que la charge piézométrique, h=z+p/, est la même quelle que soit la profondeur, figure 9.1. Il faut remarquer que dans la nature, des nappes régulières sont rares et on rencontre plutôt des nappes irrégulières, figure 9.2. Un piézomètre est un dispositif qui permet de mesurer la charge hydraulique en un point du sol. Il est constitué, d'une façon générale, par un élément perméable (élément de tube crépiné, pierre poreuse, etc.) relié à la surface par un tube rigide ou une tubulure souple et mis en place dans un forage (figures 9.3, 9.4 et 9.5). Un bouchon étanche est réalisé au-dessus de la crépine afin d'éviter les communications au moyen du trou de forages avec les autres nappes supérieures ou d'éviter des infiltrations d'eau. 5

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11 Par suite d'une confusion regrettable, on étend souvent le nom piézomètre à tout autre dispositif destiné à mesurer le niveau de l'eau dans le sol, par exemple un tube troué placé dans le trou d'un forage. Cette erreur d'utilisation peut dans certains cas apporter des confusions et peut se traduire par des accidents de chantier qui aurait pu être évités si des piézomètres, au sens propre du mot, avait étaient installés et interprétés correctement. Sous l'effet de la pression qui règne au niveau de la crépine, l'eau va s'élever dans le tube supérieur. La mesure de cette pression se fait alors soit par repérage du niveau d'eau dans le tube à laide l'aide dune d'une sonde, soit par un dispositif manométrique. 9.2 Définitions Le document d Hydro-Québec et SEBJ (1990) définit les termes suivants : Piézomètre Il désigne le capteur de pression d eau, et la lanterne s il y a lieu; il inclut aussi le tube dans le cas des piézomètres à tube ouvert et hydraulique Piézomètre à tube ouvert Il s agit d un piézomètre avec un tube ouvert à la pression atmosphérique et posé dans le prolongement du capteur. Ce terme est préférable à piézomètre hydraulique 11 (SEBJ, 1990).

12 .Piézomètre Casagrande C est un piézomètre à tube ouvert avec un élément filtrant inséré dans une lanterne de sable et des bouchons de part et d autre de la lanterne. Tube perforé Il s agit d un tube plastique perforé à plusieurs endroits et entouré d un tissu résistant et perméable; il sert à déterminer la profondeur de la nappe d eau (SEBJ, 1990). Il ne doit être utilisé que dans le cas d une nappe régulière dans un dépôt homogène. Piézomètre hydraulique (avec manomètre) Son installation est semblable à celle d un tube ouvert, mais dont le niveau d eau dépasse l extrémité supérieure du tube à laquelle est fixé un manomètre; la pression au niveau du capteur est égale à la différence de niveau entre le sommet du tube et le niveau du capteur plus la pression enregistrée par le manomètre. Pour éliminer l air qui s accumule à l intérieur du tube à cause de l absence de circulation d eau et qui fausse les résultats, les piézomètres hydrauliques doivent avoir une tubulure double. Cette tubulure permet une circulation d eau désaérée à partir de la surface, circulation qui doit se faire périodiquement. Le terme piézomètre hydraulique est fréquemment utilisé pour désigner un piézomètre à tube ouvert; il est recommandé d ajouter avec manomètre s il s agit d un piézomètre hydraulique comme tel. 12

13 Piézomètre scellé Il s agit d un capteur de pression à corde vibrante ou pneumatique nécessitant un très faible écoulement par l élément poreux. Élément filtrant Ce terme désigne strictement l élément poreux fixé à l extrémité inférieure d un tube; il peut être en plastique, en métal ou en pierre poreuse. Lanterne Ce terme désigne la cavité de forme cylindrique, pratiquée sous l extrémité du tubage, comblée d un matériau plus perméable que le sol en place, qui supporte les parois de la cavité. Tube de mesure C est un tube métallique ou plastique, flexible ou rigide, qui relie l élément filtrant à la surface pour mesurer le niveau piézomètrique à la pression atmosphérique. Bouchons Ce sont des zones imperméables qui scellent le trou de forage de part et d autre de la lanterne; les bouchons sont constitués de bentonite. 13

14 Navfac définit les trois principales composantes d un piézomètre : a) Pointe (tip) La pointe du piézomètre comprend la section perforée, weel screen, tube poreux, ou toute autre élément similaire et la zone de filtre de sable entourant le tube poreux. b) Tube (Standpipe) Il s agit d un tube étanche de diamètre le plus petit possible au point de vue pratique fixé à la partie supérieure de la pointe et qui continue jusqu à la surface du terrain. c) Scellements (Seals) Le scellement est composé d un coulis de ciment, de boue de bentonite ou toute autre matériau imperméable similaire placé entre le tube et les parois du trou du forage afin d isoler la section de mesure souhaitée. 14

15 La figure 9.6 montre l utilisation de piézomètres pour étudier la direction d écoulement d eau souterraine. Définitions hydrogéologiques Aquifère C est une formation rocheuse ou de sol à l intérieur de laquelle l eau souterraine peut circuler et qui peut donner un débit suffisant pour une utilisation économique. Des mots comme water-bearing formations et groundwater reservoirs sont également utilisés en anglais comme synonyme d aquifère, Driscoll (1989). Aquitard : C est une formation imperméable. Nappe perchée : C est une nappe d eau très localisée dans une formation perméable où l écoulement gravitaire descendant de l eau est bloqué par la présence d une couche imperméable d étendue limité, figure 9.7. Nappe confinée, captive ou en charge C est Cest un aquifère contenu dans une couche perméable saturée à 100 % limité entre deux couches imperméables, aquitard, (argile, silt ou d autres matériaux imperméables), et dont la pression, en tout point, est supérieure à la pression atmosphérique. 15

16 Dans un aquifère confinée, le niveau d eau dans un piézomètre dépasse celui du niveau de la partie supérieure de l aquifère confiné. La pression de confinement est égale à la différence du niveau d eau dans l aquifère et celui de la partie supérieure de l aquifère exprimée en unité de pression (multiplié par le poids volumique de l eau). Nappe semi-captive C est un aquifère confiné dont l une ou les deux couches qui la limitent sont semiperméables. Nappe libre C est une nappe contenue dans une couche perméable partiellement saturée et reposant sur une couche imperméable ou semi-imperméable. i La surface libre étant t toujours à la pression atmosphérique. Transmissivité T d une nappe C est le produit du coefficient de perméabilité k par l épaisseur de la couche aquifère H : T =kh. Coefficient d emmagasinement S C est le volume d eau libéré ou emmagasiné par un prisme vertical de la couche aquifère d une section droite égale à l unité et pour une variation unitaire du rabattement ou de la charge. 16

17 Nappe artésienne C est un aquifère où le niveau piézométrique dépasse celui de la surface du terrain à l endroit du sondage, du piézomètre ou du puits réalisé. L eau souterraine est donc capable de jaillir en surface du terrain si on réalise un puits. Charge hydraulique La charge hydraulique en un point d un aquifère est définie par l équation suivante, figure 9.8 : H = V 2 /2g + u/ w + z Avec H la charge hydraulique, V la vitesse d écoulement d eau, u la pression d eau pour le point considéré, z la côte du point par rapport à un niveau de référence et w le poids volumique d eau. 17

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21 Gradient hydraulique Le gradient hydraulique, i, entre deux points d un milieu est défini par la relation suivante : i = H/L = (H2 H1)/L = - h/ l avec H, la différence des charges hydrauliques entre deux points et L la distance entre ces deux points Hauteur piézométrique Pour un point M situé au sein d un milieu aquifère avec la côte z, si on mesure le niveau d eau au moyen d un piézomètre à la côte z, la pression d eau sera donc : et la charge hydraulique sera : u = (z z) w H = (z z) + z = z La charge hydraulique au point M sera donc égale à la hauteur d eau dans le piézomètre par rapport au point tm; la hauteur z est appelée également la hauteur piézométrique. ét i 21

22 Le lieu de l ensemble des hauteurs piézométriques d une nappe est appelé la surface piézométrique. Sur une surface piézométrique, la pression est égale à la pression atmosphérique. Ligne isopièze Une ligne isopièze, ou isopièze, est le lieu des points d un aquifère ayant même niveau piézométrique (même charge hydraulique). On l apelle égalemment une ligne d isocharge hydraulique ou équi-potentielle. La connaissance des isopièzes permet de déterminer le sens des écoulements dans un aquifère. Lignes de courants Une ligne de courant est une ligne tangente au vecteur vitesse en chacun de ces points au temps considéré. Si le milieu est homogène et isotrope les lignes de courant sont perpendiculaires aux équipotentielles. Le tracé des lignes de courant et des équipotentielles est appelé réseau d écoulement écoulement. 22

23 9.3 Installation correcte d un piézomètre Casagrande (1949) a proposé un dispositif itif appelé Piézomètre Casagarnde pour mesurer les pressions interstitielles dans l argile. La figure 9.9 montre les dimensions du piézomètre Casagrande en pouces. L élément poreux a une longueur de 0,6 m (2 pieds) composé d un tube poreux de Norton. Son diamètre intérieur est de 25 mm (1 pouce) tandis que celui extérieur est de 38 mm (1,5 pouces). La partie inférieure de l élément poreux est scellépar un bouchon de caoutchouc, tandis que la partie supérieure est reliée à un tube Saran de diamètre extérieur de 12 mm. 9.4 Vérification d un piézomètre Les erreurs piézométriques sont fréquentes. Il est donc important de vérifier le bon fonctionnement t d un piézomètre installé pour s assurer de la représentativité ti ité des niveaux piézométriques observés. En parique, il faut vérifier périodiquement le bon fonctionnement des piézomètres après leur installation. Les résultats d un essai de perméabilité à niveau variable peuvent utiliser à vérifier si un piézomètre installé a été correctement scellé dans le sol, et à détecter des courts-circuits hydrauliques. 23

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28 9.5 Temps de réponse d un piézomètre Immédiatement édit taprès l installation tllti d un piézomètre dans un trou de forage, la pression hydrostatique mesurée par l instrument est rarement identique à la pression réelle existante sur place. Durant les travaux d'installation d'un piézomètre, le niveau d'eau à l'intérieur du forage est rarement au même niveau que celui des sols environnants. Afin de mesurer correctement les pressions interstitielles (niveau d'eau), il faut que la pression dans le piézomètre et les sols soit égale. Compte tenu de la différence de la pression existante, après l'installation, un certain temps est nécessaire pour que la pression s'équilibre. Ce temps sera d'autant dautant plus long que le sol est moins perméable et que le diamètre (le volume) du tube piézométrique sera plus important. On est donc conduit à définir le "temps de réponse" "time-lag" d'un piézomètre qui est le temps au bout duquel le piézomètre indique une valeur de pression égale à la pression réelle qui existe dans l'eau interstitielle au niveau de la crépine. Le temps nécessaire pour égalisation complète des pressions est théoriquement infini, mais du point de vue pratique, on peut supposer que les pressions sont égalisées quand 90-99% de la pression originale a été dissipée. 28

29 9.6 Développement théorique du calcul du temps de réponse (retard) Les équations mathématiques à la base du calcul du temps de réponse de piézomètre ont été présentés par Hvorslev (1951). Ces calculs supposent que le temps de réponse est la seule source d erreur et que les autres causes sont négligeables. De plus, ils supposent que la loi de Darcy est valable, que le sol et l eau restent incompressibles. La charge hydraulique active, H, au temps t est égale à H = (z y), avec z constant ou une fonction du temps, figure Le débit d écoulement, q, peut être exprimé par l équation simplifiée suivante, Hvorslev (1951) : q = F k H = F k (z-y) (1) avec F un facteur de forme dépendant de la forme et des dimensions de la cavité piézométrique et k le coefficient de perméabilité. Pour un temps dt, on peut écrire : q dt = A dy avec A la section du tube du piézomètre. En combinant les deux équations précédentes, on obtient : dy/(z-y) = (Fk/A) dt (2) Le temps de réponse de base, T (basic time lag) est défini comme le temps nécessaire pour égaliser les pressions à l intérieur du piézomètre et celle dans le sol. 29

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31 La figure 9.12 de Hvorslev (1951) schématise plusieurs cas d installation de piézomètre avec l équation de débit correspondant à chaque cas. Ces équations sont valables uniquement pour un milieu semi-infini, infini isotrope et qu il existe un niveau artésien ou que le changement du niveau piézométrique initial est faible. La figure 9.13, Hvorslev (1951), montre les exemples de calcul de temps de réponse de base des cas montrés sur la figure On constate t que le temps T est inversement proportionnel au coefficient de perméabilité du milieu. Quand le rapport L/D reste constant, T est inversement proportionnel au diamètre de la prise du piézomètre (D) et inversement proportionnel p au carré du diamètre du tube du piézomètre (d 2 ). 31

32 Tableau 9.1: Tem ps de réponse pour 90% d'égalisation, Hvorslev (1949) N ature du sol Sable S ilt A rgile k (cm /s) ) S oil in casing * 6m 1h 10h 4j 2)Casing, soil flush.6m 6m 1h 10h 4j bottom 10 3)Casing, hole extended 1.5 m 15 m 2.5 h 25h 10j 4 ) Casing, hole 6m 1h 10h 4 j 42j extended 5)P iezo. W ith w ell point 3m 30 m 5h 50h 21j 6)piezo. W ith well 12 2h 20h 8.3j 83j point m 7)M ercury m anom eter 2m 20 m 3.3 h 33h 1 4j 8)M ercury m anom eter 6m 1h 10h 4. 2j 9)W.E.S Hydr. Cell press. 16 m 2.6 h 2 6 h 10)W.E.S. Hydro. cell 14 2 pressure, sand filter m 4 h 32

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34 9.7 Irrégularités et variations piézométriques Plusieurs sources d erreur peuvent survenir lors des mesures piézométriques quand des irrégularités ou des changements rapides des pressions interstitielles peuvent se produire. Les conditions régulières, avec une mesure piézométrique identique à la pression de la nappe libre à toute profondeur sous la nappe, constituent des cas isolés. En réalité, on observe des conditions irrégulières ou des niveaux piézométriques changeant avec la profondeur. Ces conditions irrégulières peuvent être causées par Hvorslev (1951): 1)U Une nappe perchée ou un volume d eau isolé par une couche imperméable; 2) Un écoulement descendant vers les couches plus perméables en profondeur; 3) Un écoulement ascendant à partir d une couche soumise à une pression artésienne ou produit par évapotranspiration; 4) Une consolidation ou un gonflement incomplet causé par un changement das les charges ou les contraintes appliquées. 34

35 Sur une longue période de temps, la nappe phréatique ou les pressions interstitielles sont rarement constantes. Elles subissent des variations par : a) )Précipitation, it ti infiltration, ti évaporation et drainage; b) Changements des charges ou des contraintes et/ou écoulement dû à une variation saisonnière du niveau d eau dans les rivières, lacs, canaux, etc. voisins existants; c)pompage; d) Variation de température et spécialement gel-dégel de la couche supérieure de sol; e) Variation de la pression atmosphérique et de l humidité. Les principales sources d erreurs de la détermination du niveau de la nappe phréatique sont schématisées sur la figure 9.15, Hvorslev (1951). 35

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39 9.8 Différents types de piézomètres Navfac (1986) distingue les types de piézomètres suivants : a) Puits ouvert (Open well) La technique la plus commune à enregistrer le niveau de l eau consiste à mesurer ce dernier dans le trou du forage tel que montre sur la figure 9.16a (Navfac, 1986). Un des inconvénients de cette technique est que les différentes couches de sol peuvent avoir différentes pressions hydrostatiques et par conséquent le niveau mesuré sera inexacte et non représentatif tif du site. Ctt Cette technique hi est utile uniquement pour les dépôts homogènes. La plupart des inconvénients de la technique précédente peut être éliminée en installant un piézomètre tel qu indiqué sur la figure 9.16b (Navfac, 1986). Ce système permet à isoler une section bien limitée des sols. b) Piézomètre à élément poreux (Porous Element Piezometer) Tel que montré sur la figure 9.17 (Navfac, 1986), un élément poreux est connecté à un tube de mesure de faible diamètre afin de diminuer le temps de réponse de l instrument. En fait, il s agit du piézomètre Casagrande dont l élément poreux est une pierre en céramique ou tout autre matériau de mêmes dimensions. Les pores de l élément ont une dimension de 0, mm de telle sorte que l on peut l utiliser en contacte direct avec les sols fins. 39

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42 c) Autres types Les autres types de piézomètres utilisés sont pneumatiques à air, pneumatique à l huile ou hydrauliques. Généralement, é on distingue deux types de piézomètres: 1) les piézomètres ouverts; 2) les piézomètres fermés ou à volume constant. A) Piézomètres ouverts Les piézomètres ouverts peuvent être réalisés soit par forage, soit par battage. - Installation par forage Si le terrain est instable, le forage sera tubé car l'emploi de la bentonite (pour la stabilité des parois) doit être absolument prohibé pour éviter le colmatage du terrain. Une fois atteinte la profondeur désirée, on introduit dans le forage un tube piézométrique crépiné à sa base. Lorsqu'on veut procéder à des mesures ponctuelles, il est évident que la crépine devra être très courte (L/d =3). Si par contre, il ne s'agit que de mesurer un niveau d'eau, on pourra adopter une valeur beaucoup plus importante, mais sans dépasser 2.0 m de lo 42

43 En ce qui concerne la densité des vides de la crépine, il faut qu'elle soit telle que sa perméabilité soit très élevée. Une fois le piézomètre placé dans le forage tubé, on introduit dans l'espace annulaire, tout t en remontant t le tube de forage, un filtre dont la granulométrie doit être compatible avec celle du terrain environnant. On confectionne ensuite au-dessus du filtre, un bouchon étanche sur une hauteur d'environ 1 m. La réalisation du bouchon est une opération très délicate qui demande beaucoup d'expérience. Enfin on finalise les travaux en remblayant toujours dans l'espace annulaire. Avantages des piézomètres ouverts: Simplicité, fiabilité, pas d'appareillage et composantes compliquées. Désavantages des piézomètres ouverts: 1) Temps de réponse long; 2) tubulure doit être verticale ; 3) sujet au gel; 4) ils peuvent être endommagés par l'équipement de construction en surface et 5) possibilité de bulles d'air emprisonnées dans la colonne d'eau. 43

44 B) Piézomètre à volume constant Comme on a souligné plus haut, le temps de réponse des piézomètres ouverts dans les sols argileux est très long. On a donc cherché à diminuer le volume d'eau nécessaire pour l'équilibre des pressions et l'on a conçu des piézomètres dits à volume constant. Il existe différents types de ce genre de piézomètres: Piézomètre hydraulique, pneumatique, à corde vibrante, etc. B1) Piézomètres Hydrauliques Ce sont des piézomètres du type ouvert dans lesquels on a place un manomètre à l'extrémité des tubulures. Les tubulures sont remplies d'un liquide incompressible. La pression interstitielle au niveau de la crépine, u, s'obtient en mesurant la pression au niveau du manomètre (p) selon l'équation: u = p + h Avantages: Simple, fiable, temps de réponse plus rapide, et moins sujet à être endommagé. Inconvénients: Sujet au gel, les tubulures doivent être désaérées périodiquement. 44

45 B2) Piézomètres pneumatiques Ces piézomètres sont constitués dun d'un élément déformable (membrane flexible). La pression de l'eau contenue dans le sol applique la membrane sur les deux orifices de la chambre de pression. Par l'un de ces orifices, on envoie un gaz comprimé (air, azote ou CO 2 ). Lorsque la pression du gaz est égale à la pression interstitielle du sol, u, la membrane se trouve en équilibre indifférent, et le gaz s'évacue par la deuxième tubulure, figure Avantages: Pas de correction hydrostatique, réponse rapide, peut être branché un système d'acquisition de données, n'est pas limité par la profondeur de la nappe. Inconvénients: Problèmes de condensation, période d'utilisation limitée à quelques années. 45

46 B3) Piézomètres à corde vibrante Ils sont basés sur la déformation d'une membrane solidaire i d'un fil tendu (corde vibrante). La pression interstitielle agissant sur la membrane fait varier la tension dans le corde. La fréquence de vibration est fonction de la tension de la corde, figure En mesurant la fréquence de vibration, on peut calculer la tension et ensuite la pression interstitielle. la pression interstitielle s'obtient par l'équation: p = k (f 2 -f 2 0). où f 0 est la fréquence d'étalonnage à u=0. Avantages: Possibilité d'enregistrement continu, grande sensibilité, réponse rapide, non sujet au gel, peut être ré-étalonné, étalonné poste de lecture peut être très éloigné du site, peut mesurer des pressions négatives. Inconvénients: Sensible à la température, dérive dans le temps, sensible à l'humidité et aux orages électriques, action galvanique et le prix est élevé. 46

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50 Études de cas: Niveau de la nappe phréatique. 50

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52 Étude de cas, infiltration d eau deau et niveau de la nappe phréatique 52

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55 Résidence dans l eau (secteur Tracy) Sondage avec installation d un piézomètre Les sols de fondation sont constitués du sable (sol perméable) Présence d un ruisseau à proximité; Relevé de niveau pour relier le niveau de la dalle de plancher au niveau de l eau du ruisseau 55

56 Infiltration d eau observée dans le sous sol d un immeuble commercial ilen construction ti avec un rapport géotechnique établissant la nappe à 6 m de profondeur 56