Essai Porchet : protocole, calcul de perméabilité et interprétation

A l'origine utilisé dans l'agriculture, l'essai porchet est devenu un indispensable des études de gestion des eaux pluviales.

Comme nous l'avions fait pour son pendant, l'essai Matsuo, dans cet article nous allons voir en quoi celui-ci consiste, ses avantages et inconvénients, sa mise en oeuvre sur le terrain et pour finir son interprétation.

En quoi consiste l'essai Porchet ?

L'essai Porchet, l'essai star des études d'infiltration, permet d'estimer directement sur le terrain la perméabilité (K) des premiers mètres du sol. Dit autrement, il estime la capacité d'un terrain à laisser l'eau s'infiltrer.

Il existe plusieurs variantes, mais la plus courante est celle à charge constante. Sur le principe, l'essai consiste à réaliser un trou de faible diamètre, généralement à la tarière, puis à imbiber le terrain pendant plusieurs heures. On maintient ensuite une hauteur d'eau constante dans le trou et on mesure le volume qu'il faut ajouter pour conserver ce niveau. Plus ce volume est important, plus le terrain est perméable.

Quand privilégier le Porchet par rapport au Matsuo

Si vous avez lu mon article sur l'essai Matsuo, vous vous demandez sûrement lequel choisir. Les deux essais répondent globalement à la même question, à savoir à quelle vitesse votre terrain est capable d'absorber de l'eau.

Si je dois choisir, je préfère le Matsuo, comme je l'explique dans son article, car il est souvent plus représentatif du fonctionnement d'un futur ouvrage d'infiltration. Le Porchet se fait dans un trou de faible diamètre et sollicite donc un volume de terrain réduit. Le Matsuo, lui, se fait dans une fosse bien plus grande et teste un volume de sol nettement supérieur.

Le Porchet a toutefois un avantage non négligeable. Il coûte moins cher et se met en place très vite, ce qui permet de le multiplier. Sur un terrain hétérogène, vous pouvez tester rapidement plusieurs zones et vous faire une idée plus globale des changements de faciès, là où le Matsuo restera forcément plus limité, car plus coûteux et plus long à mettre en œuvre.

Il est aussi bien plus simple à réaliser. Il demande une tarière, peu de matériel lourd et un peu d'eau, que l'on peut apporter à l'avance si le site n'en dispose pas.

Le Porchet est donc particulièrement intéressant lorsque :

• l'accès au site est compliqué ;
• une pelle mécanique ne peut pas intervenir ;
• vous disposez de peu d'eau ;
• vous souhaitez multiplier les points d'essai ;
• vous voulez une première vision de l'hétérogénéité du terrain.

Les deux essais sont d'ailleurs complémentaires. On peut très bien commencer par des Porchet en début de projet pour avoir une idée rapide et globale du site, puis réaliser des Matsuo quand le dimensionnement demande plus de précision.

Méthodologie de l'essai

Pourquoi imbiber le terrain avant la mesure ?

Votre but est d'infiltrer de l'eau, donc, par définition, votre sol sera la plupart du temps humide. C'est donc dans cet état qu'il faut le tester.

Si vous mesurez immédiatement après avoir rempli le trou, une partie de l'eau servira d'abord à humidifier un terrain initialement plus sec. Vous risquez donc de mesurer une infiltration plus importante que celle observée une fois le sol humide.

Cette phase d'imbibition sert donc à limiter l'influence de l'humidité initiale et de la succion capillaire, pour mesurer l'infiltration dans des conditions plus stables et plus comparables. Dans le protocole classique, on maintient environ 15 cm d'eau pendant 1 à 4 heures avant de mesurer.

Pendant ce temps, vous pouvez vous amuser à suivre le volume d'eau nécessaire pour conserver le niveau. Il va généralement évoluer, puis se stabiliser progressivement.

Si le terrain est déjà très humide, après une pluie récente par exemple, cette stabilisation peut être plus rapide. Vous pouvez alors vous permettre de démarrer l'essai plus tôt. C'est vous l'expert après tout.

Le matériel nécessaire

Pour l'essai Porchet, vous aurez besoin du matériel suivant :

Equipement de terrassement

• une tarière à main d'environ 150 mm de diamètre ;

Matériel de mesure

• un infiltromètre à niveau constant, le plus souvent équipé d'un flotteur et d'un clapet ;
• un récipient gradué ou un compteur pour mesurer le volume injecté ;
• une réserve d'eau (des bidons par exemple) ;

Relevé et observation

• un mètre ;
• un chronomètre ;
• une fiche terrain ;
• Téléphone portable ou appareil photo.

Comment réaliser l'essai ?

1. Positionnez vos essais. Ils doivent être placés au droit ou à proximité des futurs ouvrages d'infiltration. Si plusieurs bassins ou noues sont prévus, répartissez-les. Faites de même si le site présente des zones géologiques, des remblais ou une topographie différents. Prévoyez au minimum trois essais, ce qui permet de repérer un résultat qui ne serait pas représentatif.
2. Réalisez le trou. Forez à la tarière jusqu'à la profondeur souhaitée, avec un diamètre d'environ 150 mm. Profitez-en pour caractériser sommairement la lithologie du terrain et notez ses changements avec la profondeur.

3. Préparez le trou. Retirez les matériaux meubles tombés au fond, puis vérifiez l'état des parois et du fond. Des parois trop lisses peuvent fausser les résultats. Si besoin, grattez-les légèrement.
4. Remplissez la fiche terrain. Avant de lancer l'essai, notez le numéro de l'essai, sa localisation, la profondeur, le diamètre, la nature du terrain, la date, la météo, la présence éventuelle d'eau et toute observation particulière. Prenez une photo.
5. Installez l'infiltromètre. Placez-le au fond du forage. C'est ce dispositif qui régule la hauteur d'eau, grâce à sa bille au centre. Branchez-le à votre récipient gradué, ou directement à la réserve d'eau.
6. Imbibez le terrain. Ajoutez de l'eau jusqu'à ce que l'infiltromètre se bloque et maintenez ce niveau pendant environ 1 à 4 heures. Selon la perméabilité, cela peut demander très peu d'eau ou beaucoup plus que prévu, alors prévoyez de la réserve. Pendant ce temps, préparez les autres essais. Si c'est le dernier, préparez la série Netflix.
7. Lancez la mesure. Remplissez une dernière fois jusqu'au blocage de l'infiltromètre, puis démarrez le chronomètre. Il s'agit maintenant de suivre la descente dans le récipient gradué, tout en gardant 15 cm d'eau dans le forage, pendant 30 minutes. Faites une lecture toutes les minutes, puis espacez-les si l'eau descend très lentement. Si le récipient se vide avant la fin, l'essai s'arrête là. Chaque cas est différent, adaptez-vous à la situation.
8. Rebouchez le forage avec les terres excavées au début.

PS : une vidéo YouTube de la société ABESOL montre le dispositif et le démarrage de l'essai, à voir ici.

Calcul et interprétation de l'essai

Détermination de la perméabilité des terrains (K)

Le calcul de la perméabilité en lui-même est relativement simple. Il suffit de rapporter le volume infiltré à la surface de terrain en contact avec l'eau et à la durée de la mesure.

L'équation est la suivante :

K = V / (S × t)

Avec :

• K le coefficient de perméabilité (m/s) ;
• V le volume d'eau infiltré (m³) ;
• S la surface d'infiltration (m²) ;
• t la durée de la mesure (s).

Pour réaliser le calcul, vous allez donc devoir déterminer deux choses : la surface d'infiltration S et le rapport V/t.

Pour la surface d'infiltration, l'eau s'infiltre à la fois par le fond du trou et par les parois immergées. Pour un trou cylindrique, elle vaut :

S = π × r² + 2 × π × r × h

Avec :

• r le rayon du trou ;
• h la hauteur d'eau.

Pour un Porchet classique, un diamètre de 15 cm donne r = 0,075 m. Avec une hauteur d'eau h = 0,15 m, on obtient :

S ≈ 0,088 m²

Pour le rapport V/t, représentez sur Excel, ou sur papier millimétré pour les nostalgiques d'entre nous, le volume cumulé infiltré V (mL) en fonction du temps t (min).

Une fois le régime stabilisé, les points doivent former quelque chose qui se rapproche d'une droite. Tracez alors une droite passant au mieux au milieu de ces points. Son coefficient directeur correspond au volume infiltré par unité de temps, c'est-à-dire à V/t.

Prenons par exemple une pente de : V/t = 200 mL/min

Pour l'utiliser dans notre formule, il faut la convertir en m³/s : 200 mL/min = 200 × 10⁻⁶ m³/min = 200 × 10⁻⁶ / 60 = 3,33 × 10⁻⁶ m³/s

On obtient donc : V/t = 3,33 × 10⁻⁶ m³/s

Il ne reste plus qu'à diviser cette valeur par la surface d'infiltration : K = (V/t) / S = 3,33 × 10⁻⁶ / 0,088

soit : K ≈ 3,8 × 10⁻⁵ m/s

Comment interpréter le résultat ?

Une fois la valeur de K retenue, il reste à vérifier la possibilité d'infiltration de vos terrains.

Pour cela, on la compare aux ordres de grandeur établis par Musy et Soutter, qui permet de déterminer si les conditions d’infiltration sont acceptables ou si il faut abandonner l'idée d'infiltrer.

A noter quand tout de même que la faisabilité d’une infiltration ne dépend pas uniquement de la valeur de K. Elle doit également être appréciée en fonction du contexte du projet, notamment de la profondeur de la nappe, de la lithologie, de l’hétérogénéité des terrains et des caractéristiques de l’ouvrage envisagé.
Lorsque le niveau de nappe doit être suivi précisément, la mise en place de piézomètres peut devenir indispensable.

Pour compléter cette interprétation et comparer votre résultat à des valeurs typiques selon la nature du sol, vous pouvez également utiliser le tableau ci-après.

Source des tableaux www.ville.quebec.qc.ca

Ainsi, notre valeur de 3,8 × 10⁻⁵ m/s se situe dans une gamme compatible avec des terrains sableux ou sablo-limoneux relativement perméables. À confronter, évidemment, à ce que vous avez réellement observé à la tarière.

Quelle valeur de K retenir ?

Prenons un exemple. Vous réalisez quatre essais sur un site et obtenez les résultats suivants :

• P1 : 5,0 × 10⁻⁵ m/s ;
• P2 : 4,0 × 10⁻⁵ m/s ;
• P3 : 6,0 × 10⁻⁵ m/s ;
• P4 : 8,0 × 10⁻⁷ m/s.

Les trois premiers essais sont cohérents, alors que le quatrième apparaît complètement différent.

Avant de moyenner les résultats ou d'exclure ce dernier, essayez de comprendre cette anomalie. P4 a-t-il été réalisé dans une autre formation ? Dans des remblais ? À une profondeur différente ? Les parois étaient-elles très lisses ? Avez-vous observé une couche plus argileuse ? Ou est-ce simplement la preuve qu'une partie du site est nettement moins perméable ?

C'est cette analyse qui doit guider votre choix. Selon le projet, vous pourrez retenir une valeur représentative de chaque zone, choisir une valeur prudente, réaliser des essais supplémentaires ou déplacer l'ouvrage vers une zone plus favorable.

Évitez en revanche de prendre la valeur qui vous arrange pour faire fonctionner votre dimensionnement. Le terrain risque de ne pas être au courant.

Pour moyenner des valeurs de K, on préfère souvent la moyenne géométrique à la moyenne arithmétique, car la perméabilité varie sur plusieurs ordres de grandeur. Ici, les trois premiers essais sont proches, donc les deux moyennes donnent presque le même résultat, environ 5 × 10⁻⁵ m/s. L'écart devient surtout visible quand les valeurs s'étalent.

Dans cet exemple, si P4 correspond à une poche argileuse localisée, je retiendrais environ 5 × 10⁻⁵ m/s pour la zone des trois premiers essais et je traiterais P4 à part, par exemple en évitant d'y implanter l'ouvrage ou en y dimensionnant avec une valeur beaucoup plus faible.

Du K mesuré au K de dimensionnement

Le K que vous avez mesuré ne doit pas forcément être repris tel quel dans votre note de calcul.

Votre essai est ponctuel, de courte durée, et réalisé avec de l'eau relativement propre. Or, votre ouvrage devra fonctionner pendant plusieurs années, et ses performances pourront évoluer, notamment avec le colmatage. Le terrain reste par ailleurs hétérogène. Même avec plusieurs Porchet, vous ne connaîtrez jamais la perméabilité de chaque mètre carré sous votre futur ouvrage.

C'est pourquoi, dans une note de dimensionnement, je vous conseille d'appliquer une marge de sécurité sur le débit d'infiltration retenu, pour tenir compte de ces incertitudes et de la baisse possible des performances dans le temps.

Fiche terrain et d'interprétation :

Le premier onglet de la fiche correspond à l'interprétation des essais. Le second à la synthèse des essais de la campagne de terrain et le troisième à une fiche terrain à imprimer.

Ps : si vous constatez une erreur dans la fiche, n'hésitez pas à me la signaler via la page de contact.