Organisation de la zone non saturée

Du point de vue physique, l’organisation de la zone non saturée est caractérisée par trois composantes : sa texture (ou granulométrie), sa structure et sa porosité.

I.1.1.1 Texture

La texture d’un sol est un terme qui permet de distinguer les sols sur la base de la granulométrie de leurs particules en supposant les particules de forme sphérique. Elle ne tient pas compte de la nature et de la composition des minéraux (par exemple la teneur en calcaire), ni de sa matière organique.

norme française NF P18-560 utilisée notamment dans le domaine routier. Cette norme permet de distinguer diverses classes de matériaux indépendamment de leur nature chimique.

Tableau I-1 : Classification granulométrique de sol (NF P18-560).

Diamètre maximum Appellation Diamètre minimum

200 mm Cailloux 20 mm 20 mm Graviers 2 mm 2 mm Sables grossiers 0.2 mm 0.2 mm Sables fins 20 µm 20 µm Limons 2 µm 2 µm Argiles < 2 µm

Figure I-1 : Triangle de textures pour la classification des sols selon leur granulométrie - Norme NF EN ISO 14688-2.

La texture du sol est généralement regroupée en trois classes fondamentales représentées sous forme d’un triangle, appelé triangle des textures, qui fait référence à la proportion relative des particules d’argile, de limon et de sable dans le sol (Figure I-1). Aussi,

le triangle des textures permet-il de classer les sols d’après leur composante granulométrique. Il existe de nombreux triangles de textures correspondants à des types de sols différents.

La texture du sol est l’un des facteurs les plus importants influençant les caractéristiques physiques du sol. Par exemple, un sol avec peu d’argiles a une faible cohésion et donc une faible stabilité structurale. Il peut être très perméable, surtout lorsqu’il est composé de grains grossiers, mais il peut être facilement érodable. Inversement, avec beaucoup d’argile, le sol est beaucoup plus lourd, a une structure massive et possède une forte rétention d’eau. En général, la texture du sol a une propriété fixe et ne change pas en fonction du temps.

I.1.1.2 Structure

La structure du sol fait référence à l’organisation spatiale des différents éléments solides. Les particules isolées se rejoignent pour former des grumeaux puis des agrégats. Il y a différentes sortes d’agrégations qui donnent des structures du sol très diverses.

La classification du sol selon sa structure comprend le degré ou l’intensité d’agrégation, la classe (ou taille moyenne des agrégats) ou le type de structure (forme de l’agrégation).

Le degré de structure décrit le caractère distinctif des agrégats (différence entre la cohésion au sein les agrégats et d’adhésion entre les agrégats). Cette classification s’applique pour le sol « frais » (pas trop sec et pas trop humide) afin d’éviter les changements éventuels des propriétés provoqués par la teneur volumique en eau de celui-ci. En général, on différentie le degré de structure en 4 classes nommées de 0 à 3, à savoir :

- 0-sans structure : Le sol ne contient aucun agrégat ; il est dit sans structure. Ce sont les cas correspondant à un sol formé par une seule masse (sol très cohérent où tous les grains sont bien cimentés) ou par des grains isolés (sol non cohérent, par exemple le cas du sable pur).

- 1-Structure faible : la liaison entre des agrégats est faible et le sol se brise facilement en un mélange composé d’un très petit nombre agrégats entiers, de nombreux agrégats

- 2-Structure modérée : la liaison entre les agrégats est distincte et moyennement durables. Quand on détache un bloc de sol du profil, de nombreux agrégats restent entiers, il y a seulement quelques agrégats brisés et une petite quantité d’éléments hétérogènes.

- 3-Structure forte : la liaison entre agrégats est bien distincte, durable et très visible dans le sol intact. La plupart des agrégats sont entiers avec un petit nombre d’agrégats brisés et peu ou pas d’autres éléments non agrégés lorsque le sol se brise.

Figure I-2 : Types de structure du sol.

Le type et la classe de la structure peuvent être définis d’après le système de classification de structure utilisée par l’US Soil Survey (Soil Survey Division Staff, 1993). Dans ce système, le type de la structure est divisé en 5 formes d’agrégation (Figure I-2) :

- Structure lamellaire : les particules s’agrègent en forme de plaques plates et généralement orientées horizontalement.

- Structure en colonne : les particules sont formées par des colonnes ou piliers verticaux avec des sommets arrondis, séparées par des fentes verticales minuscules mais bien visibles.

- Structure prismatique : les particules sont formées comme la structure en colonne, mais les sommets sont indistincts et normalement plats.

- Structure anguleuse et sub-anguleuse : les particules s’agrègent en blocs presque cubiques ou polyédriques, dont les angles sont plus ou moins tranchants.

- Structure granulaire et grumeleuse : les particules individuelles s’agrègent en petits grains presque sphériques.

La structure est également différenciée en cinq classes en fonction du type de structure en fonction de la forme des agrégats. Ils sont représentés sur le Tableau I-2 ci-dessous.

La structure du sol a un rôle important sur tant sur la porosité du sol comme sur la distribution de taille des pores (agencement des tailles différentes des pores dans l’espace poreux total) dans lesquels s’effectuent les transferts de gaz et d’eau. Par ailleurs, la structure assure la résistance du sol. Généralement, la structure du sol évolue dans le temps en fonction de facteurs internes et externes, comme par example : les processus de dissolution et de précipitation des constituants dans le sol ou dans le flux qui le traversent, les activités biologiques et le retrait et le gonflement du sol.

Tableau I-2 : Classe de taille de la structure (mm) (Soil Survey Division Staff, 1993).

Classe de taille Lamellaire Prismatique/colonne Bloc Granulaire

Très fine/mince <1 <10 <5 <1 Fine/mince 1-2 10-20 5-10 1-2 Moyenne 2-5 20-50 10-20 2-5 Grossière/épaisse 5-10 50-100 20-50 5-10 Très grossière/épaisse >10 >100 >50 >10 I.1.1.3 Porosité

La porosité est constituée par l’ensemble des interstices (connectés ou non) pouvant contenir des fluides (liquide ou gaz) dans le milieu poreux. On distingue deux catégories de vides : des vides de fissures (dont une ou deux des dimensions sont nettement supérieures à la troisième) et des vides de pores. Les pores du sol sont fondamentalement décomposés

Le degré de la connection est distingué en trois types principaux, à savoir :

- Les pores occlus ou fermés : ce sont les pores non accessibles aux extérieurs. Ils n’ont aucune ouverture vers les autres pores.

- Les pores piégés : ce sont les pores connectés aux autres pores mais ne permettant pas la récupération ou circulation des fluides piégés. Les pores efficaces : ce sont les pores où les fluides circulent et sont récupérables.

En fonction de leur diamètre, les pores du sol sont distingués en micropores (moins que 0.01 mm), les mésopores (de 0.01 mm à 1 mm) et les macropores (plus que 1 mm) (Luxmoore, 1981) :

- Les micropores : ce sont les pores isolés à l’intérieur des agrégats du sol, appelés aussi les pores matriciels ou texturaux, et les pores entre des agrégats, appelés également les pores structuraux (Musy and Soutter, 1991). Seuls les pores structuraux participent au transfert de fluides dans les micropores. En raison de leur faible diamètre, la pression capillaire domine dans ce milieu. La vitesse de transfert d’eau dans ce cas est faible (Février, 2001).

- Les macropores : composent des pores efficaces plus grossiers formés par des racines, des processus biologies dans le sol ou des processus de retrait-gonflement (fissures et craquèlements) (Kutilek, 2004). Par conséquent, l’écoulement gravitaire domine dans ces pores et engendre des écoulements rapides (Larmet, 2007).

- Les mésopores : composent des pores ayant des tailles intermédiaires entre les micropores et les macropores. Dans ces pores coexistent donc deux types d’écoulements (capillaire et gravitaire).

Etant le lieu de l’écoulement, la connaissance de la porosité permet de déterminer l’état de l’eau dans le sol et son transfert (Sasal et al., 2006). Elle est donc caractérisée par son volume, la répartition des tailles des pores et aussi la continuité des vides. Elle dépond de beaucoup facteurs tels la texture du sol (la taille et le type des particules), la structure, la compacité de l’assemblage, et la nature des constituants (processus chimiques, physiques, mécaniques et biologiques). Cependant, tout l’espace poral ne participe pas dans le

processus d’écoulement. Seule la fraction de la porosité effective (les pores continus) permet la migration de l’eau et du gaz dans le sol.