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Wikigeotech:Essai Lefranc

De Wiklimat
Schéma de principe d'un essai Lefranc avec packer

Sommaire

PRINCIPE

L'essai Lefranc[1][2] est un essai qui permet d'évaluer ponctuellement la perméabilité horizontale d'un terrain aquifère situé au-dessous de la nappe (sol saturé).

Il consiste :

  • à créer une charge différentielle, par rapport à la charge correspondant au niveau initial de la nappe, dans une cavité de dimension connue préalablement réalisée dans le terrain à la base d'un forage et aménagée de telle sorte que la filtration de l'eau engendrée par cette charge différentielle ne se fasse que par les parois de cette cavité ;
  • à mesurer l'évolution dans le temps de cette charge différentielle qui peut être produite soit par le prélèvement soit par l'apport dans la cavité d'un débit d'eau constant.


APPLICATIONS

L'essai Lefranc permet une mesure de la perméabilité locale, réalisable lors d'une campagne de sondages géotechniques. Dans la pratique, l'essai teste une épaisseur de sol de l'ordre de 50 cm. Il présente donc un caractère ponctuel et n'est représentatif que si plusieurs essais permettent d'établir une analyse statistique pour éventuellement caractériser des hétérogénéités.

L'essai Lefranc permet de caractériser des sols de perméabilité comprise entre 10-2 et 10-7 m/s.

Avantages

Il s'agit d'un essai relativement simple à réaliser et à interpréter, d'un coût et d'une durée plus faibles que ceux d'un essai de pompage en vraie grandeur. Il est également réalisable avec des matériels de forage géotechnique usuels, et un matériel de mesure relativement simple.


Limitations

  • L'essai est difficile à mettre en oeuvre et à interpréter dans les formations hétérogènes.
  • L'essai n'est pas adapté aux sols de perméabilité k > 10-2 m/s
  • L'essai n'est pas adapté aux sols de perméabilité k < 10-7 m/s
  • Il faut noter qu'il est difficile d'apprécier l'anisotropie et la perméabilité d'ensemble d'une formation géotechnique à l'échelle d'un projet[3].
  • L'essai est très sensible à la qualité de réalisation de la crépine.
  • Il faut prendre des précautions d'interprétation pour l'essai en régime transitoire.

Précautions d'emploi

  • Lors de la réalisation de la crépine il convient d'éviter :
    • le lissage des parois lors de la remontée du tubage ;
    • les circulations d'eau entre le tubage et le terrain naturel (condition plus ou moins contradictoire avec la première).
  • Dans les sables, on portera attention aux phénomènes de Renard si l'essai est réalisé par pompage.
  • Dans les sols fins, il conviendra de faire attention au colmatage si l'essai est réalisé par injection (l'interprétation permet de mettre en évidence un colmatage éventuel en cours d'essai).

La norme préconise un essai par pompage de préférence, et une interprétation en régime transitoire. Il peut néanmoins être intéressant de faire l'essai suivant différentes configurations complémentaire : charge d'eau constante, différents débits, suivi de la descente (débit = 0) ... , pour disposer de plusieurs interprétations et de pouvoir retenir une valeur représentative et/ou moyenne.

MISE EN OEUVRE

Personnel

Connaissance et respect de la norme d'essai[1][2]. Qualification de sondeur géotechnique[4]. Un sondeur expérimenté en forage d'eau (CQP foreur d'eau) peut être nécessaire pour les essais sur aquifères multiples (prévention des contaminations inter-nappes).

Précaution de mise en œuvre sur le terrain

(voir précaution d'emploi ci-dessus)

  • La réalisation de la crépine est le point critique de l'essai.
  • Vérifier les étalonnages des débitmètres.
  • S'assurer que la crépine d'essai est dans un sol homogène. Le niveau de la nappe doit être connu avant l'essai. En pratique, il est souhaitable de définir la profondeur d'essai sur la base d'un reconnaissance préalable.

Rendement 

Suivant la profondeur et la perméabilité des sols testés, on peut envisager de réaliser 2 à 4 essais par jour.

Réalisation de la cavité d'essais

L'exécution de l'essai débute par la mise en place d'une cavité réalisée sous la nappe dans l'épaisseur complète de l'aquifère. Dans les sols pulvérulents ou peu cohérents, cette cavité est réalisée à l'aide d'un manchon type Lefranc (a) ou avec mise en place d'un matériaux filtre en base de tubage (b). Dans les sols cohérents, la cavité peut être aménagée directement en utilisant la partie inférieure du forage (c).

a) Manchon type Lefranc

Manchon lefranc.png

Légende :

  • 1 – Terrain
  • 2 – Niveau du terrain naturel
  • 3 – Niveau de la nappe
  • 4 – Cavité
  • 5 – Bouchon étanche ou obturateur dilatable
  • 6 – Tubage
  • 7 – Manchon perforé (Lefranc)
  • 8 – Sabot




b) Filtre en base de tubage

Filtre lefranc.png

Légende :

  • 1 – Terrain
  • 2 – Niveau du terrain naturel
  • 3 – Niveau de la nappe
  • 4 – Cavité
  • 5 – Tubage
  • 6 – Matériaux filtre

(*) Tubage puis introduction du matériaux filtre

(**) Relevage du tubage

c) Filtre sans tubage

Filtre lefranc ss tubage.png

Légende :

  • 1 – Terrain
  • 2 – Niveau du terrain naturel
  • 3 – Niveau de la nappe
  • 4 – Cavité
  • 5 – Bouchon étanche ou obturateur dilatable
  • 6 – Tube d'écoulement
  • 7 – Filtre



Choix du débit de pompage ou d'injection

La valeur du débit constant Qa est choisie à partir d'une phase préliminaire en procédant de telle sorte que la variation du niveau d'eau dans le forage soit au moins de 10 cm pendant la première minute.

Si le débit a été réduit au minimum et que le forage a été vidé, l'essai est poursuivi en mesurant la remontée du niveau d'eau en fonction du temps, après arrêt du prélèvement.

Pompage et mesures

L'essai débute au moment ou commence le pompage ou l'injection d'eau.
Les mesures du niveau d'eau dans le forage sont effectuées toutes les minutes pendant les vingt premières minutes. Au-delà, les lectures sont poursuivies toutes les 5 min jusqu'à l'obtention de trois valeurs successives qui ne diffèrent pas de plus de 1 cm entre elles. Si cela ne se produit pas, l'essai est arrêté au bout d'une heure. Après annulation du débit, le niveau d'eau dans le forage est mesuré aux intervalles de temps suivants : au moment de l'annulation du débit ; 30 s après ; une minute après ; puis toutes les minutes pendant un temps égal à la moitié de la durée de l'essai à débit constant non nul.

INTERPRÉTATION

L'interprétation sera menée conformément à la norme NF P94-132[1].

Une interprétation en régime transitoire et en régime stabilisé peut permettre de donner une analyse plus précise.

Principe 

La mesure de la variation de charge h(t) en fonction du temps t, par rapport au niveau initial de la nappe au repos, et du débit injecté ou pompé Q(t) à travers les parois de la cavité doivent permettre de calculer un coefficient de perméabilité local kL dit perméabilité Lefranc par la formule :

Q(t) = m kL h(t) B

avec :

  • Q(t) : débit pompé ou injecté à un instant t
  • m : facteur de forme, dépendant de la forme de la cavité et de sa position par rapport aux limites de l'aquifère (on se reportera à la page correspondante pour définir le facteur de forme)
  • kL perméabilité Lefranc recherchée
  • h(t) variation de la charge hydraulique à un instant t
  • B diamètre de la cavité

Calcul en régime permanent

Le régime permanent est théoriquement établi lorsque, sous un débit Qa constant, la charge dans le forage est stabilisée à une valeur h(t) constante.

Le coefficient de perméabilité Lefranc est alors calculé à partir de la relation :

Lefranc formule 1.bmp

Toutefois l'obtention d'un régime permanent n'implique pas forcément la représentativité de l'essai. C'est pourquoi la norme recommande de procéder à un calcul en régime transitoire.

La réalisation de trois essais à charge constante différentes permet de tracer la courbe des débits d'injection en fonction des charges d'essai. Si les essais sont corrects, cette courbe doit être une droite. Une concavité de la courbe vers les débits croissants indiquera un phénomène de dé-colmatage tandis qu'une concavité vers les charges croissantes indiquera un phénomène de colmatage ou un régime turbulent.

Calcul en régime transitoire à partir de l'équation différentielle

L'écoulement est régi par l'équation suivante : Lefranc formule 2.bmp

S désigne la section transversale intérieure du tube d'écoulement qui correspond dans le cas d'un forage tubé à la section interne du tubage.

L'exploitation des mesures se fait en traçant les courbes représentatives h(t) en fonction de dh/dt, correspondant d'une part, à la phase de pompage (Qa ≠ 0), et d'autre part, à la phase d'observation après l'arrêt du pompage (Qa = 0).

Durant la première phase (Qa ≠ 0), cette courbe doit être une droite passant obligatoirement par les points de coordonnées : Lefranc formule 3.bmp et Lefranc formule 4.bmp ; ce qui permet de calculer kL.
Durant la seconde phase (Qa = 0), cette courbe est une droite passant par l'origine.

Calcul en régime transitoire à partir de la solution de l'équation différentielle

Lorsque les courbes tracées dans la méthode précédente ne sont pas des droites ou présentent des anomalies, il convient d'effectuer un calcul à partir de la solution de l'équation différentielle.

Cette solution est : Lefranc formule 5.bmp
avec Lefranc formule 6.bmp soit lorsque la nappe est au repos et que h0 = 0 : Lefranc formule 7.bmp


La courbe théorique h(t) obtenue par résolution de l'équation différentielle, est alors calculée en utilisant les valeurs expérimentales. Elle est ajustée aux valeurs expérimentales par approximations successives à partir de valeurs de kL fixées a priori ou par ajustement de la courbe exponentielle avec un tableur.

Dans la phase ou Qa = 0, l'expression de h(t) se simplifie et devient Lefranc formule 8.bmp avec Lefranc formule 9.bmp.

L'évaluation de kL se fait soit comme précédemment par comparaison de cette courbe théorique avec les points expérimentaux, soit par ajustement linéaire en coordonnées semi-logarithmiques puisque Lefranc formule 10.bmp.

COMMANDE

Définition de la profondeur de l'essai et de la hauteur de la crépine. Si possible, définir les conditions permettant de bien isoler la crépine et éviter les remontées le long du tubage
Exiger une qualification (CQP foreur d'eau) ou des références qualité en matière de maîtrise des forages d'eau (charte qualité).

CONTRÔLE DE PRESTATION

  • Terrain :Implantation, profondeur, mode de réalisation de la crépine, étalonnage des matériels
  • Interprétation : Respect de la norme. Vérification du calage de la courbe théorique à la modélisation (colmatage, effet de Renard ...)

RÉFÉRENCES

  1. 1,0, 1,1 et 1,2 AFNOR (2000). NF P 94-132 "Sols : Reconnaissance et Essais - Essai d'eau Lefranc."
  2. 2,0 et 2,1 AFNOR (2014). NF EN ISO 22282-2 - Reconnaissance et essais géotechniques - Essais géohydrauliques - Partie 2 : essai de perméabilité à l'eau dans un forage en tube ouvert .
  3. Lafhaj Z. & Sharour I. (2004). Détermination de l'anisotropie de perméabilité des sols par l'essai Lefranc. n° 109, Revue française de géotechnique.
  4. Norme Internationale (2006). ISO TS 22475-2 - Reconnaissance et essais géotechniques − Méthodes de prélèvement par forage ou excavation et mesurages piézométriques − Partie 2 : Critères de qualification des entreprises et du personnel.
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