INSA DE STRASBOURG Spécialité Génie Civil

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Sébastien Chataignon

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Date de parution

01 juin 2006

Nombre de lectures

155

Poids de l'ouvrage

12 Mo

Niveau: Secondaire, Collège, Cinquième

mémoire

INSA DE STRASBOURG Spécialité Génie Civil CHATAIGNON Sébastien Elève ingénieur de 5eme année PROJET DE FIN D'ETUDE L'Hydraulique Souterraine Pour l'étude géotechnique Juin 2006

méthode

essais d'eau

appelé gradient hydraulique

maîtrise d'œuvre des travaux de fondation

ingénieur

nappe libre

hydraulique

amélioration de la maîtrise des questions hydrauliques des ingénieurs géotechniciens

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INSA DE STRASBOURG Spécialité Génie Civil CHATAIGNON Sébastien Elève ingénieur de 5eme année PROJET DE FIN DETUDE LHydraulique Souterraine Pour létude géotechnique Juin 2006

PROJET DE FIN DETUDE Sébastien CHATAIGNON – GC5

TABLE DES MATIERES

Introduction ................................................................................................................................ 3 Présentation de lentreprise :......................................................................................... 4 I Notions théoriques.............................................................................................................. 5 II Essais ponctuels.................................................................................................................. 6 2.1 Différents essais et théories associées .............................................................................. 6 2.1.1 Lessai Porchet ................................................................................................... 6 2.1.2 Essai Nasberg ..................................................................................................... 8 2.1.3 Essai Lefranc .................................................................................................... 11 2.2 Analyse de lessai Lefranc ....................................................................................... 13 2.2.1 Niveau de la nappe au repos............................................................................. 13 2.2.2 Facteur de forme............................................................................................... 17 III Essai de pompage ......................................................................................................... 27 3.1 Généralités................................................................................................................ 27 3.2 Pratique de lessai de pompage ................................................................................ 27 3.2.1 Ordres de grandeur ........................................................................................... 28 3.2.2 Site.................................................................................................................... 32 3.2.3 Développement du puits................................................................................... 33 3.2.4 Pompage dessai ............................................................................................... 37 3.3 Dépouillement de lessai de pompage...................................................................... 38 3.3.1 Modélisation..................................................................................................... 39 3.3.2 Limites latérales ............................................................................................... 40 3.3.3 Analyse en régime permanent .......................................................................... 41 A – puits imparfait en nappe captive............................................................................ 42 B – Puits imparfait en nappe libre ................................................................................ 44 C – Méthode de Dupuit en nappe libre ........................................................................ 45 D – Méthode de Thiem................................................................................................. 46 3.3.4 Analyse en régime transitoire........................................................................... 47 A – Méthode de Theis .................................................................................................. 47 B – Méthode de Jacob .................................................................................................. 49 C – Méthode la remontée de THEIS ............................................................................ 52 Conclusion................................................................................................................................ 56 Remerciements :........................................................................................................... 57 Bibliographie :............................................................................................................. 58

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PROJET DE FIN DETUDE Sébastien CHATAIGNON – GC5

Introduction Le but de mon Projet de Fin dEtude, en tant quétudiant en cinquième année à lINSA de Strasbourg en Génie Civil, est de contribuer à lamélioration de la maîtrise des questions hydrauliques des ingénieurs géotechniciens de lagence FONDASOL Paris Ile-de-France Ouest. Il sagit en particulier des essais deau ponctuels et des essais de pompage « en grand ». Les essais deau sont relativement courants dans les investigations géotechniques dès que les problèmes de perméabilité du sol interviennent, et le traitement et linterprétation de ces essais nécessitaient une méthodologie et des outils plus avancés. En terme dessais de pompage, leur caractère plus exceptionnel fait que leur interprétation nécessite à chaque fois un nouvel investissement, dans un contexte de gestion quotidienne daffaires où le temps est précieux. De plus une interprétation trop succincte par manque dune analyse totalement approfondie et donc longue, peut conduire à retenir des valeurs caractéristiques dénuées de la précision juste et raisonnable quoffre linterprétation des essais. Par ce projet, jai contribué à sensibiliser les ingénieurs, spécialisés en géotechnique, aux quelques principes importants, à linterprétation judicieuse des essais, et à la manière de prévoir ces essais. Afin de faciliter leur dépouillement, jai mis au point plusieurs feuilles de calcul, et résumé les différentes méthodes danalyse dessais de pompage. Ce rapport résume les études que jai effectuées relativement à toutes ces questions, et les annexes les complètent en fournissant les pièces graphiques et divers autres éléments.

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PROJET DE FIN DETUDE Sébastien CHATAIGNON – GC5

Présentation de lentreprise : La société FONDASOL a été créée en 1958 par Monsieur Saint-Rémy Pellissier, et na cessé de se développer. Cest une Société Anonyme (SA) dont Monsieur Jean-Michel Gaboriaud est le président actuel du directoire. Le siège social se situe en Avignon. Fondasol est implantée sur lensemble du territoire national, avec également deux agences en Europe. Les différentes entités sont réparties en six régions : Région Paris – Nord – Normandie Région Ouest – Bretagne Région Est Région Centre Région Sud – Ouest Région Sud – Est Fondasol exerce une activité dingénierie géotechnique et géologique. Les domaines dintervention de la société sont larges et comprennent : - lingénierie des fondations, - la géotechnique routière, la mécanique des sols, - lauscultation et linstrumentation, - la maîtrise dœuvre des travaux de fondation, - les essais de laboratoire et de contrôle, - les essais in situ (pressiomètre, pénétromètre …) Lagence de Fondasol Paris – Ile-de-France Ouest se situe à Argenteuil, dans le Val dOise (95), au nord-ouest de Paris. Cette agence a été fondée en 1970. Lagence peut être décrite par lorganigramme suivant : Directeur régional : Directeur dagence : Directeur commercial : M. S.Y. Ung M. V. Perset M. C. Neumann Ingénieurs détudes : C. Guilbert, Y. Charlery, M. Floreani, A.F. Lefevre

Pôle Travaux Dépouillement Laboratoire Equipes de sondage des sondages

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I Notions théoriques Lorsque leau libre (c'est-à-dire qui peut circuler librement, contrairement à leau capillaire et à leau adsorbée) sécoule dans le sol, les particules liquides décrivent des trajectoires appelées lignes de courant. Les lignes de courant qui sappuient sur une courbe quelconque fermée constituent un tube de courant. Darcy montre en 1856 que la vitesse moyenne de filtration entre deux points dune même ligne de courant est proportionnelle à la différence dh entre les hauteurs piézométriques mesurées entre ces deux points, et inversement proportionnelle au chemin parcouru ds. On écrit alors :v=kdhds de Darcy). (loi Le rapportdhest appelégradient hydrauliqueet est noté i. ds k est appelécoefficient de perméabilité milieu, et est exprimé en m/s (cependant k nest du pas égal à la vitesse de filtration). La perméabilité du sol est un des deux paramètres estimés à partir des essais deau dont il est question dans ce mémoire. Lautre paramètre recherché est appelé coefficient (ou facteur) demmagasinement et est noté S (sans dimension). S est égal à la variation du volume deau dans un prisme vertical de section unité, pour une variation de charge unitaire. Dans une nappe libre il est égal à la porosité effective du sol. S ne sévalue quen régime transitoire, et permet dapprécier le volume deau quun aquifère peut libérer. A titre dillustration, le graphique ci-dessous représente, pour une méthode de calcul particulière, les courbes de rabattement dun pompage, en fonction de la distance au puits, pour différents instants. Les lignes pleines correspondent à un facteur demmagasinement S = 0.01, et les lignes interrompues à S = 0.005. On constate que S intervient en tant que constante à ajouter au rabattement (en effet dans la plupart des analyses, S divise k mais est intégré à un logarithme), et influence donc grandement le rabattement. Courbes de rabattement Distance (m) 0 2 4 6 8 10 0.00Le facteur demmagasinement 0.20nexiste que lorsque lon 0.40t = 1sconsidère des pompages à t = 10 min t = 1hgrande échelle, et ne saurait t = 10 h 0.60t'= 1sêtre déterminé par des essais t'= 10 minls 0.80t'= 10hponctue . t'= 1h 1.00 1.20

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II Essais ponctuels En hydrogéologie, la meilleure manière de déterminer les caractéristiques hydrauliques des sols est évidemment lutilisation dessais in situ, car dune part le remaniement du sol est réduit au maximum, et dautre part les essais de laboratoire sont influencés par des effets de bord prépondérants. Ces essais deau in situ sont de plusieurs sortes, et leur choix dépend du sol autant que de la nature du projet. 2.1 Différents essais et théories associées 2.1.1 Lessai Porchet Lessai Porchet est le plus élémentaire des essais deau. Il nest pas normalisé, et nécessite donc une grande retenue dans lapplication de ses résultats. Il consiste à creuser une cavité superficielle dans le sol, généralement inférieure au mètre cube, et à étudier la descente du niveau deau après remplissage. Il est nécessaire au préalable de saturer les parois de la cavité, afin de respecter au mieux les hypothèses de calcul. Les hypothèses sont les suivantes : linfiltration se fait sur toute la surface mouillée, avec un gradient hydraulique égal à 1. La mesure de la section S du trou permet dassimiler ce dernier à une cavité prismatique de section carrée de côtéL=S. Le calcul est alors le suivant : - le débit dinfiltration observé est égal à la baisse dh de hauteur deau pendant le temps dt , multiplié par la surface S = L². Doù :Qdt= −L2dh - la vitesse dinfiltration est : v = k i où i = 1 par hypothèse, soit v = k et Q = vS = kS. AinsiQ=k(L²+2(2L)h) =kL(L+4h) AinsikLdt(L+4h) = −L²dhdoùkdt(L+4h) = −Ldh DoùhLd= −kdt. L+4h Après intégration, on obtient alors :k(t−t0) = −4LlnLL++44hh0 =+ Doùh(t)L41 4hL0e−L4kt−1 

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PROJET DE FIN DETUDE Sébastien CHATAIGNON – GC5 Etant donné la rareté et la « simplicité » de ces essais, Fondasol ne dispose pas de logiciel danalyse propre à lessai Porchet. Jai donc mis au point une feuille de calcul sous Excel permettant la saisie et lanalyse très rapide des données dun essai Porchet. Il consiste en la manipulation du coefficient de perméabilité k (par lintermédiaire de boutons +/- de différentes précisions) afin dajuster sur un graphique la hauteur théorique avec la hauteur réelle :

N°dossier :0 Chantier :0 Date :00/19100/0 Sondage :0 Profondeur d'essai :0 k = 3.58E-05 m/s 358 AJUSTEMENT DE K 4.E-05 m/s

hauteur réelle hauteur théorique

Caractéristiques de l'essai surface du trou = 0.627 m² L = 0.79 m Acquisition t (s) t (min) hauteur (cm) h (m) h th (m) 0 0 40.50 0.41 0.41 60 1 39.50 0.40 0.40 0.45 120 2 36.46 0.36 0.39 150 2.5 36.50 0.37 0.39 0.40 180 3 34.96 0.35 0.39 210 3.5 35.00 0.35 0.38 0.35 240 4 34.16 0.34 0.38 270 4.5 33.80 0.34 0.38 0.30 300 5 32.16 0.32 0.37 330 5.5 32.50 0.33 0.37 0.25 360 6 31.96 0.32 0.37 390 6.5 31.50 0.32 0.36 0.20 420 7 30.80 0.31 0.36 450 7.5 30.50 0.31 0.36 0.15 480 8 30.50 0.31 0.35 510 8.5 30.20 0.30 0.35 570 9.5 29.80 0.30 0.35 0.10 630 10.5 28.50 0.29 0.34 660 11 28.50 0.29 0.34 0.05 690 11.5 28.30 0.28 0.33 720 12 27.90 0.28 0.33 0.00 750 12.5 27.60 0.28 0.33 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 780 13 27.50 0.28 0.33urteauHua( d e')m 810 13.5 27.00 0.27 0.32 840 14 26.60 0.27 0.32 870 14.5 26.50 0.27 0.32 900 15 26.00 0.26 0.31 930 15.5 25.80 0.26 0.31 960 16 25.70 0.26 0.31 990 16.5 25.30 0.25 0.31 1020 17 25.00 0.25 0.30 1080 18 25.00 0.25 0.30 1110 18.5 24.80 0.25 0.30 En loccurrence, lessai traité ci-dessus présente une difficulté importante dajustement. Cependant, lencadrement de la courbe donne des valeurs de 1.10-5 à 8.10-5 cest-à-dire m/s, précision de lordre dune puissance de 10, qui est inférieure à la précision que lon peut accorder à cet essai. Compte tenu de cette forte imprécision, cet essai ne peut être utilisé que pour des évaluations dans le cadre dabsorption de faibles quantités deau. Usuellement les règles de lArt imposent une utilisation réduite à la définition des systèmes dinfiltration individuels deaux usées (<150 l/jour).

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2.1.2 Essai Nasberg Lorsque lon souhaite connaître plus précisément la perméabilité dun sol, et/ou lorsque ce sont les couches profondes qui nous intéressent, lessai Lefranc et lessai Nasberg sont utilisés. Ils consistent tous les deux en linjection (ou le pompage, pour lessai Lefranc) dun débit donné au sein dune cavité réalisée par forage, donc de forme cylindrique, et communiquant avec le sol sur une partie de sa hauteur, au niveau de la couche étudiée. La communication hydraulique peut se faire, lorsque cest nécessaire, au moyen dune crépine, ou bien grâce au remplissage de la cavité par des matériaux très perméables (graviers). Lessai Nasberg correspond à un sol non saturé, contrairement à lessai Lefranc, où le sol testé est en nappe. En dehors de ce point les principes de réalisation sont les mêmes. Le croquis suivant indique les caractéristiques de lessai Nasberg : Linjection se fait au débit fixé Q, grâce à lutilisation dun bouchon calibré (bouchon dont lorifice est calculé pour fournir un débit donné) fixé sur un récipient spécial permettant dimposer une charge deau constante au-dessus du bouchon : Trop lein p Entrée Charge constante

Q : débit dinjection

NB : dautre systèmes dinfiltration existent. Le débit dinfiltration dans le sol est alors égal à la différence entre le débit dinjection Q (connu grâce au bouchon calibré) et le débit de remplissage du tubage. Cette relation dépend du temps, puisque le débit dinfiltration du sol dépend de la charge deau appliquée au centre de la cavité.

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Théoriquement, lessai Nasberg correspond à lécoulement à travers une cavité sphérique. Lassimilation à une sphère de la cavité réelle (cylindrique) nest acceptable quà condition davoir un élancement= L / B0compris en 0.5 et 2. Le diamètre de la sphère équivalente vaut alors :B=B20(1+4λ) Nasberg démontre que le débit Qs qui pénètre à tout instant dans le sol pour une charge H dans la cavité est :  + QS(t=)πk8B21−16BH(t)12 De même que pour lessai Porchet, on adtdhS=Q−Qs Léquation différentielle se résout en posant les variables auxiliaires suivante : = U=1−16HB+1 etq8QkB π La solution en temps est la suivante : 2 2− 0 t−t0=2πqSkBqlnUU2−−qq2+ln((UU+qq)()(UU00−+qq)) Où U0correspondant à la charge initiale Hest la valeur de U 0dans le tube. Lors de la phase de descente, cest-à-dire après arrêt de linjection, la relation devient : S U01 t−t=ln+1− 0 πkBU U0U Ces deux relations permettent dinterpréter rapidement les données issues dun essai Nasberg. La société Fondasol dispose depuis de nombreuses années de logiciels pour calculer ce genre dessais, cependant la saisie y est très laborieuse, et linterprétation est peu conviviale. Ainsi de la même manière que pour lessai Porchet, jai mis au point une feuille de calcul sous Excel, qui permet danalyser extrêmement rapidement et efficacement un essai Nasberg, dont je présente un exemple page suivante. Après avoir saisi toutes les informations relatives au chantier et au sondage, les valeurs de profondeurs de niveau deau (mesurées avec une sonde électrique) en fonction du temps sont entrées. Il suffit à présent de faire varier la perméabilité k pour que la courbe théorique de t = f ( H ) soit la plus proche possible des points expérimentaux. Cette feuille de calcul est utilisée à présent systématiquement dans cette agence, et commence à être diffusée dans dautres agences Fondasol. Malheureusement, cela interfère avec la commande par Fondasol de nouveaux logiciels de traitement dessais à une société spécialisée. Ces feuilles de calcul seront donc utilisées jusquà ce que soient livrés les nouveaux programmes. Cest un essai ponctuel donc adaptés aux ouvrages ponctuels, qui ne concernent quun faible volume de sol.

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Caractéristiques de l'essai L = 0.5 m Longueur de la poche B = 0.083 m Diamètre de la poche Q = 2.20E-05 m3/s Beq = 0.207899615 m T 0.5 m Hauteur hors sol du tube de mesure = niveau d'eau initial ZT = 3 m longueur totale du tubage BT = 0.098 m diamètre du tubage S = 0.005410608 m² Acquisition t (min) t (s) z (m) H mesuré (m) U t = 0 0 2.85 0.4 -4.637737823 0 1 60 2.75 0.5 -5.283319959 32 2 120 2.62 0.63 -6.034553165 77 3 180 2.5 0.75 -6.662908361 124 4 240 2.35 0.9 -7.382374214 191 5 300 2.2 1.05 -8.044790234 272 6 360 2.08 1.17 -8.541669493 351 7 420 1.97 1.28 -8.975423843 441 8 480 1.89 1.36 -9.279391927 523 9 540 1.79 1.46 -9.647155504 658 10 600 1.75 1.5 -9.790752018 728 11 660 1.72 1.53 -9.897207702 791 12 720 1.72 1.53 -9.897207702 791 13 780 1.72 1.53 -9.897207702 791

COURBE DE DESCENTE t (min) t (s) z (m) H mesuré (m) U t = 0 0 1.72 1.53 -9.897207702 0 1 60 1.75 1.5 -9.790752018 44 2 120 1.82 1.43 -9.538174118 152 3 180 1.88 1.37 -9.31675824 249 4 240 1.92 1.33 -9.166468994 316 5 300 1.96 1.29 -9.013924457 386 6 360 2 1.25 -8.859019944 458 8 480 2.06 1.19 -8.621988417 570 10 600 2.11 1.14 -8.419907119 669 12 720 2.13 1.12 -8.337850167 710 14 840 2.14 1.11 -8.296550088 731 16 960 2.17 1.08 -8.171534057 795 18 1080 2.19 1.06 -8.087234594 838 20 1200 2.21 1.04 -8.002145754 882

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900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

1400 1200 1000 800 600 400 200 0

N°dossier :IP 060061 Chantier :BASSIN LA GRANDE BORNE - FREPILLON Date :23/03/2006 Sondage :SC8 Profondeur d'essai :2.75 m Q = 2.20E-05 m3/s k = 1.18E-05 m/s q = 1.05E+01 118 AJUSTEMENT DE K 1.E-05 m/s

Série1 Série2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Hauteur d'eau (m)

AJUSTEMENT DE K 222 k = 2.22E-06 2.E-06

Série1 Série2

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2.1.3 Essai Lefranc Contrairement à lessai Nasberg, le sol étudié est en état de saturation, cest-à-dire quil se trouve en nappe. Lessai consiste alors à imposer dans la cavité cylindrique une différence de charge avec lextérieur, soit par injection, soit par pompage. La technique dinjection est strictement la même que pour lessai Nasberg et utilise le même matériel. En ce qui concerne le pompage, il peut sagit dun pompage à débit maîtrisé (pompe immergée), ou dun simple abaissement du niveau deau, pour nobserver que la remontée. Pour abaisser le niveau dans le tubage, il est possible dutiliser la technique dairlift : un tube en U est introduit pratiquement jusquau fond de la cavité. Après avoir passé le coude, lair injecté passe par une zone plus ou moins ouverte et emporte de leau pendant sa remontée. De même que lutilisation dune pompe, cette pratique est plutôt exceptionnelle. Lors dun essai Lefranc, la charge hydraulique responsable de lécoulement dans un sens ou dans un autre à travers la cavité est la différence entre le niveau de la nappe à lextérieur et celui dans la cavité. Les méthodes de calcul relatives à lessai Lefranc préfèrent, contrairement à lessai Nasberg, utiliser une formule générale, adaptée à la cavité grâce à un coefficient de forme. En effet, tous les problèmes de pompage ou dinjection peuvent se ramener à une équation simple : Q (pompage ou infiltration) = m.k.H.B - k est la perméabilité du sol au niveau de la cavité en mètres par seconde (le sol est supposé homogène et isotrope dans la zone influencée par le phénomène), - H est la charge hydraulique appliquée au centre de la cavité (en mètres), - B est la largeur de la cavité (une dimension horizontale caractéristique, en mètres). Enfin m est le facteur de forme de la cavité. Ce facteur prend en compte les dimensions de la cavité dune part, et dautre part la position des différents horizons du sol.

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