Hoja de repaso: Introduction aux sols et géotechnique

📋 Plan du Cours

1. Définition et fonctions du sol
2. Menaces sur les sols et réglementation
3. Granulométrie et classification des sols
4. Risques géotechniques et aléas
5. Chaussées et matériaux routiers
6. Structure et service des routes
7. Cycle de l’eau en milieu urbain
8. Gestion des eaux pluviales
9. Géologie et hydrogéologie locales
10. Sondages et essais géotechniques
11. Fondations superficielles et profondes

📖 1. Définition et fonctions du sol

🔑 Notions clés & Définitions

• Sol multi-phasique : Le sol est un milieu multi-phasique en interaction avec l’air et l’eau, et avec l’activité humaine.
• Substratum altéré : La formation du sol superficiel provient de l’altération progressive du substratum par des agressions physico-chimiques et mécaniques.
• Terre végétale : La terre végétale correspond aux premiers centimètres du sol, riches en matières organiques, racines et biodiversité.
• Biodiversité du sol : Le sol est un milieu vivant très riche en biodiversité, comprenant mégafaune, macrofaune, mésofaune et microfaune.
• Fonctions du sol : Les fonctions du sol regroupent des rôles physiques, mécaniques, environnementaux, agronomiques, sociaux et économiques.

📝 Points essentiels

• Le sol est un espace formé très lentement, et sa dégradation peut être rapide, ce qui en fait une ressource non renouvelable.
• La fertilité du sol dépend de l’activité des organismes vivants qui décomposent la matière organique et reconstruisent la structure.
• Le sol régule l’eau et limite l’érosion grâce à la redistribution, la perméabilité et la réduction du ruissellement.
• Les fonctions physiques incluent le support mécanique des bâtis et le support végétal pour l’enracinement.
• Les fonctions environnementales comprennent le maintien de la biodiversité, le pouvoir tampon, la filtration de l’eau et la dégradation de certaines matières organiques.
• Les fonctions sociales et économiques relient le sol au patrimoine, aux loisirs et à la valeur foncière ainsi qu’à des matières premières comme argiles, tourbes et sables.

📖 2. Menaces sur les sols et réglementation

🔑 Notions clés & Définitions

• Artificialisation et imperméabilisation : L’altération du sol par l’urbanisation réduit l’infiltration et la filtration de l’eau, modifie les écoulements et favorise des îlots de chaleur urbains.
• Contamination des sols : La présence de polluants dans le sol peut être locale (déversement ou fuite) ou diffuse (dépôts atmosphériques, pratiques agricoles d’épandage).
• Tassement des sols : La compression du sol par des engins lourds ou le surpâturage diminue l’espace entre particules, réduit le stockage d’eau et la fertilité.
• Charte des sols (Conseil de l’Europe) : Document de 1972 qui incite les États à mettre en place une politique de conservation des sols.
• Inventaires français des sols contaminés : Système d’enregistrement de l’état des sols en France via des bases de données comme Basias, Basol, puis GEORISQUES et INFOTERRE.

📝 Points essentiels

• En 2002, la Commission européenne identifie 8 menaces majeures pour les sols liées au développement durable, et l’UE estime que 2/3 des sols sont endommagés.
• Les 8 menaces sont l’érosion, l’artificialisation/imperméabilisation, la diminution de matière organique, le tassement, la salinisation, les mouvements de terrain-inondations, la contamination, et l’appauvrissement de la biodiversité.
• La charte des sols de 1972 au Conseil de l’Europe pousse les États à conserver leurs sols par des politiques dédiées.
• Le Sommet de Rio de 1992 introduit le cadre conceptuel du développement durable pour structurer les actions environnementales.
• La convention des Nations-Unies sur la lutte contre la désertification date de 1994 et vise la protection des terres menacées par la dégradation.
• En France, les inventaires des sols contaminés passent par Basias puis Basol, et sont ensuite complétés par GEORISQUES et INFOTERRE.

💡 Astuce mémo

Erosion, Artificialisation, Diminution humus, Tassement, Salinisation, Crises (glissements-inondations), Contamination, Biodiversité : les 8 menaces UE (2002).

📖 3. Granulométrie et classification des sols

🔑 Notions clés & Définitions

• Sol : Un sol est un assemblage de grains solides avec de l’air et de l’eau.
• Classification granulométrique : La classification granulométrique classe un sol par taille des grains, du plus gros au plus fin.
• Granulat grossier : Le granulat grossier regroupe roche et cailloux puis des fractions comme les graves selon des seuils de diamètre.
• Sol grenus ou pulvérulent : Un sol grenus ou pulvérulent correspond à des sables fins, donc des grains relativement fins.
• Test de granulométrie (tamis) : Le test de granulométrie, souvent par tamisage, mesure la taille des grains et permet d’estimer les proportions fines.

📝 Points essentiels

• La granulométrie utilise des seuils de diamètre pour passer de roche et cailloux (200 à 20 mm) aux graves (20 à 2 mm), puis aux sables et sables fins.
• Les fractions fines sont données avec des plages : gros sable (2 à 0,2 mm), puis sables fins (0,2 à 0,02 mm).
• Les particules plus fines se classent en limon (0,02 à 0,002 mm) et argile pour des diamètres inférieurs.
• Le test de tamis relie la taille des grains au pourcentage de sables, limons et argiles pour caractériser un sol.
• On peut nommer un sol à partir de sa dominante, par exemple argile-calcaire ou calcaire, à partir des proportions déterminées.

💡 Astuce mémo

Caillou→Grave→Gros sable→Sable fin→Limon→Argile (200/20/2/0,2/0,02/0,002 mm).

📖 4. Risques géotechniques et aléas

🔑 Notions clés & Définitions

• Glissement de terrain : Aléa géotechnique correspondant à un déplacement de masses de sol, souvent favorisé par une pente trop forte et des conditions hydriques défavorables.
• Fissures de remblais : Défaut de construction associé à un remblai, pouvant venir d’un retrait ou d’un gonflement des argiles ou d’une charge trop élevée pour la résistance du sol support.
• Phénomène de poinçonnement : Mécanisme d’endommagement où une charge importante entraîne une pénétration locale du sol, pouvant provoquer un effondrement ou une déformation excessive.
• Effondrement lors de travaux : Aléa pouvant survenir pendant un chantier lorsque des vibrations causent l’effondrement de cavités présentes sous le site.
• Sécheresse et retrait-gonflement : Aléa géotechnique lié aux variations de l’humidité qui provoquent le retrait ou le gonflement des argiles.

📝 Points essentiels

• Les glissements de terrain et autres désordres peuvent être aggravés par le tassement qui limite l’infiltration de l’eau après passage de camions.
• Des fissures sur un remblai peuvent apparaître à cause du retrait ou du gonflement des argiles.
• Un défaut de fondations peut mener à un poinçonnement et à des effondrements, par exemple sur un décaissement rebouché insuffisamment compacté.
• L’effondrement d’un sol pendant la construction du métro est relié à la formation d’incidents dans des cavités provoquées par les vibrations des engins.
• Les séismes présentent des risques variables selon les régions et peuvent être associés à des cavités souterraines issues d’anciennes exploitations de craies.
• La sécheresse peut entraîner le retrait des argiles et donc des désordres, avec une logique inverse lors du gonflement.

📖 5. Chaussées et matériaux routiers

🔑 Notions clés & Définitions

• GNT : Un matériau granulaire naturel traité en assise qui sert de support en portant les pressions du trafic.
• MTLH : Un matériau traité au liant hydraulique utilisé pour former des couches très rigides qui se cassent si les déformations deviennent trop importantes.
• MB : Un matériau bitumineux formé de granulats associés à des liants hydrocarbonés, souple quand il fait chaud et fragile quand il fait froid.
• Couche de surface : Une couche de chaussée située en partie haute qui assure le roulement et contribue aux fonctions de sécurité, bruit et aspect.
• Structures de chaussées : Une famille de conceptions de chaussées qui combine types de couches (bitumeuses, béton, mixtes, inverse, rigides, souples, semi-rigides) selon le comportement recherché.

📝 Points essentiels

• En France, le réseau routier compte environ 1 million de km, dont 12,5 kkm d’autoroutes (1,35% du réseau mais 23% des véhicules par km), 8 kkm de nationales (1% du réseau mais 11% des véhicules par km), 380 kkm de départementales et 630 kkm de voies communales, plus ~600 kkm de chemins ruraux sans obligation d’entretien.
• Pour l’assise, on emploie notamment enrobés, bétons et GNT car ils doivent supporter les pressions liées au poids des véhicules.
• Pour les couches de surface, on utilise par exemple asphaltes, enrobés, pavés ou bétons pour assurer le roulement et des aspects liés à la sécurité, au bruit et à l’esthétique.
• Un liant hydraulique (MTLH) donne une couche très rigide qui devient fragile si elle se déforme trop, contrairement aux matériaux bitumineux (MB).
• Les MB sont très souples quand il fait chaud, mais deviennent cassants quand il fait froid, avec un enjeu d’adaptation à la chaleur (dilatation) et au poids des camions (aplatissement).
• Les sollicitations qui usent la chaussée combinent trafic (notamment poids lourds), conditions météorologiques, malfaçons de mise en œuvre ou d’entretien, et effets pneumatique-chaussée qui créent du frottement.

💡 Astuce mémo

MB comme un carambar : souple quand il fait chaud, cassant quand il fait froid, à cause de la chaleur et des contraintes des camions.

📖 6. Structure et service des routes

🔑 Notions clés & Définitions

• Revêtements drainants : Revêtements de chaussée conçus pour laisser l’eau s’infiltrer ou s’écouler à travers la structure afin de limiter le ruissellement.
• Béton drainant : Matériau de chaussée à pores permettant une circulation plus rapide de l’eau dans la structure et une réduction du ruissellement.
• Enrobé drainant : Couche de roulement drainante à travers laquelle l’eau est évacuée/infiltrée, ce qui diminue le volume ruisselé.
• Bassin de type structure alvéolaire : Ouvrage de stockage intégré à la structure de voirie qui peut fonctionner avec ou sans infiltration selon la conception.
• Ajutage de régulation : Équipement qui limite le débit de sortie des eaux pluviales pour amortir les pics lors des fortes pluies.

📝 Points essentiels

• Les revêtements qui gardent un coefficient de ruissellement autour de 0,3 pour une pluie de 10 ans sont les pierres/terres végétalisées type mélange terre pierre, la dalle/pavé à enherber, le béton poreux et l’enrobé drainant.
• Les revêtements pavés enherbés à joint large ont un coefficient de ruissellement plus élevé (0,5) que ceux à joint étroit (0,3).
• Les bassins structurels alvéolaires peuvent être placés sous tout type de revêtement, y compris en complément d’une noue ou au sein de la structure de voirie.
• Un puits d’infiltration est particulièrement recommandé quand une couche imperméable affleure et qu’une couche perméable se trouve en dessous.
• La régulation par ajutage vise à contrôler le rejet des eaux pluviales pour réduire les surcharges en aval.

💡 Astuce mémo

Drainant = moins de ruissellement : 0,3 (béton poreux, enrobé drainant) contre 0,5 (pavés enherbés joint large).

📖 7. Cycle de l’eau en milieu urbain

🔑 Notions clés & Définitions

• Lit majeur : Espace inondable associé aux crues où l’eau peut s’étendre en cas d’événements intenses, augmentant les surfaces soumises au risque.
• Lit mineur : Couloir principal d’écoulement qui transporte les eaux courantes, distinct du lit majeur pour la gestion des crues.
• Digues de protection : Ouvrages conçus pour réduire l’impact des crues, mais qui peuvent aussi créer des dangers lors de crues extrêmes par submersion ou rupture.
• Eaux non conventionnelles : Eaux impropres à la consommation humaine pouvant être réutilisées pour des usages urbains variés, notamment lors de sécheresses.
• SAGE : Schéma d’Aménagement et de Gestion de l’Eau qui organise la gestion de la ressource à l’échelle du territoire.

📝 Points essentiels

• Les aménagements doivent distinguer lit majeur et lit mineur pour gérer le risque de crues et d’inondations accru en milieu urbain.
• Le « vivre avec » le risque impose d’adapter le territoire, dont l’intégration du recul du trait de côte dans les choix d’aménagement.
• Les digues ont d’abord concentré les moyens de protection contre les crues, mais elles restent vulnérables à la submersion ou à la rupture en cas de crues très fortes.
• Le plan « eau » autorise l’usage des eaux non conventionnelles pour de nombreux usages urbains comme l’alimentation des jardins potagers, des espaces verts et les chasses d’eau.
• Les bassins de rétention à ciel ouvert peuvent capter environ 80% des eaux, puis inonder des zones plus rarement pour permettre la superposition des usages en période humide.

💡 Astuce mémo

Digues=boîtes de sécurité… mais si la crue dépasse, ça casse : submersion ou rupture.

📖 8. Gestion des eaux pluviales

🔑 Notions clés & Définitions

• Noues larges peu profondes : Les noues sont des ouvrages peu profonds conçus pour faire transiter puis infiltrer le ruissellement grâce à des pentes douces et à une végétation perméabilisante.
• Zones d’expansion de crue : Les zones d’expansion sont des secteurs prévus pour stocker temporairement l’eau lors des pluies fortes, permettant d’éviter la surcharge en aval.
• Bassins de rétention paysagers : Les bassins de rétention sont des volumes temporaires ouverts ou enterrés qui complètent l’infiltration et s’intègrent au paysage avec des usages superposés.
• Gestion intégrée 80/20 : La gestion intégrée vise à absorber une grande part du ruissellement par des dispositifs proches de la pluie, et à traiter le reste par des solutions adaptées.
• Infiltration sans pollution : L’infiltration n’est envisageable que si la perméabilité du sol est suffisante et si aucune pollution n’est susceptible d’atteindre la nappe.

📝 Points essentiels

• La priorité est donnée à l’infiltration maximale des eaux pluviales, au plus près de l’endroit où la pluie tombe, pour limiter l’accumulation en points bas.
• Des pentes douces et des noues peu profondes favorisent l’absorption, notamment grâce à l’action des racines qui améliore la perméabilité du sol.
• Les pluies à gérer sont découpées en une part courante et une part forte, avec une cible de 80% des événements en volume sur l’année puis 20% traités autrement.
• La réglementation impose de gérer les pluies à la parcelle et de traiter les eaux avant tout rejet, avec l’objectif de zéro rejet au réseau pour une gestion par infiltration.
• La faisabilité de l’infiltration dépend d’essais de perméabilité et de l’absence de pollution du sol, sinon il existe un risque de contamination de la nappe.
• Les dispositifs peuvent inclure bassin en eau ou stockage avec rejet en début contrôlé vers le réseau d’assainissement, en cas de traitement nécessaire des pluies fortes.

💡 Astuce mémo

80/20 : 80% à faire infiltrer près de la pluie, 20% en secours via rétention/traitement adapté.

📖 9. Géologie et hydrogéologie locales

🔑 Notions clés & Définitions

• Sables calcaires limon argiles alluvions : En zone étudiée, des formations sédimentaires comme sables, calcaires, limons, argiles et alluvions peuvent se superposer en proportions variables.
• Nappe captive : Une nappe captive correspond à une nappe rencontrée dans des terrains protégés, parfois exploitable pour l’eau potable.
• Nappe de la craie : La nappe de la craie désigne une nappe libre associée aux terrains crayeux pouvant être rencontrée lors de forages.
• Base de données géologiques : Les bases Geoportail, GEORISQUES et INFOTERRE donnent des informations sur la nature des sols et sur les éléments utiles en hydrogéologie.

📝 Points essentiels

• Dans les Hauts-de-France, on rencontre souvent des sables, calcaires, limons, argiles et alluvions qui se superposent en couches aux proportions variables.
• Lors de forages, il est possible de rencontrer plusieurs nappes, y compris des nappes protégées par des marnes ou de l’argile imperméables.
• Une nappe captive peut être utilisée pour le captage d’eau potable, grâce à une protection géologique limitant les infiltrations.
• Les bases Geoportail, GEORISQUES et INFOTERRE servent à documenter la nature des sols et l’hydrogéologie avant travaux.
• Un piézomètre posé lors de sondages destructifs mesure la profondeur du niveau de la nappe phréatique et permet de prélever l’eau pour analyse.

📖 10. Sondages et essais géotechniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Sondage destructif : Sondage où le sol est détruit pendant le forage pour identifier des couches, prélever des matériaux ou installer un piézomètre pour lire le niveau de nappe et analyser un échantillon d’eau.
• Prélèvement remanié : Prélèvement où l’échantillon est mélangé (souvent à la pelle/bêche, ou via tarière ou benne) pour analyser le type de pollution présente dans le sol.
• Prélèvement intact : Prélèvement carotté réalisé pour conserver la structure du sol, afin d’évaluer tassement ou stabilité et de calculer des pentes de talus à partir du comportement au cisaillement.
• Pressiomètre : Essai in situ qui, après un forage, utilise une cellule gonflée pour mesurer la résistance (pression de fluage et pression limite) et la déformation du sol pour dimensionner des fondations.
• Pénétromètre : Essai in situ proche du pressiomètre qui mesure la résistance uniquement à la pointe, permettant de multiplier les mesures rapidement pour évaluer l’homogénéité d’un terrain.

📝 Points essentiels

• Les sondages destructifs peuvent servir à installer un piézomètre pour connaître la profondeur du niveau de nappe phréatique et à prélever des matériaux remaniés pour des analyses.
• Le prélèvement intact se fait par carottage (carottier battu ou vérité, ou rotatif) et sert notamment à estimer tassement et stabilité d’un sol pour dimensionner des talus.
• Le pressiomètre fournit des enregistrements contrôlables, en plus des mesures de résistance, et son usage vise le dimensionnement des fondations des ouvrages.
• Le pénétromètre permet des mesures rapides en répétant des essais, car il ne mesure que la résistance à la pointe de l’appareil.
• Le scissomètre de chantier évalue la stabilité des sols meubles, car il est présenté comme applicable à ces terrains uniquement.

💡 Astuce mémo

Pressio = Résistance + Déformation (cellule gonfle), Pénétro = Pointe seule, Scisso = Sols meubles (cisaille).

📖 11. Fondations superficielles et profondes

🔑 Notions clés & Définitions

• Fondations : Les fondations sont des éléments porteurs en contact avec le sol, conçus pour transmettre les charges de l’ouvrage.
• Fondations superficielles : Les fondations superficielles sont des fondations dont l’encastrement dans le sol reste faible pour transmettre les charges via une semelle ou un radier.
• Fondations semi-profondes : Les fondations semi-profondes sont des fondations intermédiaires, avec une profondeur d’encastrement plus grande qu’une fondation superficielle, typiquement sous forme de puits.
• Fondations profondes : Les fondations profondes sont des fondations qui descendent jusqu’à des couches résistantes en portant l’ouvrage au-delà des sols meubles ou mauvais.
• Pieu foré simple : Un pieu foré simple est un pieu réalisé par forage avec armature acier et béton, avec injection du béton en commençant par le bas.

📝 Points essentiels

• Les fondations superficielles ont une hauteur d’encastrement < 5 fois la largeur de la fondation, avec radier ou semelle comme support.
• Les fondations semi-profondes ont une hauteur d’encastrement < 10 fois la largeur de la fondation, et sont typiquement exécutées en puits.
• Les fondations profondes (pieux ou barres) recherchent des sols résistants sous les zones meubles ou peu portantes.
• Pour des fondations superficielles, la protection contre le gel impose une profondeur de construction suffisante et un examen du fond de fouille.
• Des sinistres liés à des fondations superficielles proviennent notamment d’un mauvais compactage des remblais (25%) et d’absences ou inadéquation des reconnaissances de sols (35%).
• Un pieu foré simple se réalise par forage puis injection de béton en commençant par le bas, avec mise en place de l’armature ensuite.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

8 menaces UE (2002)

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre sol multi-phasique (grains + air + eau) avec une simple « terre » et oublier le rôle de l’activité humaine dans sa formation superficielle.
2. Inverser les seuils de classification granulométrique : croire que limon est plus gros que sable fin ou que l’argile a des diamètres supérieurs à ceux du limon.
3. Expliquer un glissement par « manque de pente seule » sans mentionner les conditions hydriques défavorables qui le favorisent.
4. Mélanger retrait-gonflement des argiles (sécheresse vs gonflement) avec le tassement mécanique dû aux engins lourds : ce n’est pas le même mécanisme.
5. Associer à tort un matériau bitumineux (MB) comme « rigide » : il est souple quand il fait chaud et cassant quand il fait froid.
6. Se tromper sur la gestion des eaux pluviales : croire que l’infiltration est toujours possible même en cas de pollution ou de perméabilité insuffisante.
7. Confondre lit mineur et lit majeur dans la gestion urbaine des crues : le lit majeur est l’espace inondable associé aux événements intenses.

✅ Checklist Examen

1. Définir le sol comme milieu multi-phasique et expliquer l’origine du sol superficiel par altération du substratum.
2. Citer les grandes fonctions du sol (physiques, environnementales, agronomiques, sociales, économiques) et donner une conséquence de la non-renouvelabilité du sol.
3. Lister les 8 menaces des sols et relier chacune à l’idée clé correspondante (2002, UE).
4. Expliquer la logique de la classification granulométrique (du plus gros au plus fin) et savoir associer des plages de diamètres aux familles (roches/cailloux, graves, sables, limon, argile).
5. Décrire les mécanismes et causes typiques des défauts géotechniques : glissement (pente + hydrique), fissures de remblais (retrait/gonflement argiles ou charge), poinçonnement (charge + défaut de fondations), effondrement chantier (vibrations/cavités), sécheresse et retrait-gonflement.
6. Relier les matériaux routiers à leurs comportements : GNT (assise/support), MTLH (rigide, fragile si déformation), MB (souple chaud/cassant froid) et les couches de chaussée (surface vs assise).
7. Connaître la répartition du réseau routier en France et les ordres de grandeur donnés (autoroutes, nationales, départementales, voies communales, chemins ruraux).
8. Expliquer le rôle du niveau de service et les sollicitations d’usure de la chaussée (trafics poids lourds, météo, malfaçons, frottement pneumatique-chaussée).
9. Définir et positionner la gestion de l’eau en milieu urbain : grand/petit cycle, réseaux unitaires vs séparation, et l’idée « ville-éponge »/zéro rejet au réseau.
10. Citer les principes de la gestion intégrée 80/20 et les conditions de faisabilité de l’infiltration (perméabilité + absence de pollution).
11. Savoir distinguer les ouvrages de gestion pluviale : revêtements (ex. pavés enherbés joint étroit vs large), ouvrages mono-usages (bassin structure alvéolaire, puits d’infiltration, ajutage), et multi-usages (noue, jardin de pluie, mare).
12. Exposer les types de sondages et essais géotechniques (destructif et piézomètre, prélèvements remaniés vs intacts, pressiomètre, pénétromètre, scissomètre) et leur finalité.
13. Caractériser les fondations superficielles/semi-profondes/profondes par leur encastrement relatif et décrire le principe du pieu foré simple.
14. Rappeler les notions d’hydrogéologie locale (nappe captive, nappe de la craie, plusieurs nappes lors de forages) et le rôle des bases de données (Geoportail/GEORISQUES/INFOTERRE).