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De la connaissance du comportement physique et mecanique des sols de l’Est de la France
H. Mettauer, Y. Tual, Claire Huck, Roland Trendel
To cite this version:
H. Mettauer, Y. Tual, Claire Huck, Roland Trendel. De la connaissance du comportement physique et mecanique des sols de l’Est de la France. Agronomie, EDP Sciences, 1983, 3 (2), pp.141-152.
�hal-02721497�
De la connaissance du comportement physique et méca-
nique des sols de l’Est de la France
Hubert METTAUER, Yves TUAL Christiane HUCK Roland TRENDEL
LN.R.A., Station d’Agronomie, 28, rue de Herrlisheim, F 68021 Colmar.
RÉSUMÉ Une caractérisation du comportement mécanique des grands types de sols de la région Est de la France a été
réalisée en condition standard, au laboratoire.
Proctor
, Les auteurs ont étudié les courbes de compactage des sols, leur sensibilité au tassement, définie par la pente Sensibilité au
moyenne Apd/AW des courbes Proctor, et leur domaine de plasticité, mesuré à partir des limites d’Atterberg
C o M
pactage, (limite de liquidité, limite de plasticité).
Limites d’Atterberg. Les résultats obtenus confirment quelques relations statistiques connues entre des paramètres de constitution
(matière organique, granulométrie) et les résultats de ces tests de comportement mécanique. Ils ont d’autre part permis de préciser l’influence de paramètres supplémentaires (C/N, amorphes, calcaire...) sur ce même comportement.
La position relative des humidités caractéristiques de changements des propriétés mécaniques (W!, LA, LP) a
été étudiée par rapport aux caractéristiques hydriques classiques !Héq., PF, CC) et les possibilités de prédiction discutées sur les bases d’une variabilité de constitution (régressions multiples) des sols et en
fonction d’une répartition en familles pédologiques.
Une grille de classement de la susceptibilité au tassement des sols a été proposée, qu’il faudra confronter avec
les observations au champ en vue de déboucher sur une perspective d’utilisation thématique des cartes des sols
et sur une utilisation dans la pratique agricole.
SUMMARY On the physical and mechanical behaviour of soils
« Proctor », The characterization of soils under standard conditions makes it possible to compare and classify samples from Sensitivity a wide range of situations with relation to mechanical behaviour. The authors have studied the compaction
to compaction, curves of soils from eastern France, their sensitivity to compaction, defined by the slope Apd/AW of the Atterberg’s constants. Proctor curves, and their Atterberg consistency constants. The data obtained have confirmed certain statistical relations between constitutive parameters (organic matter, texture) and mechanical behaviour.
They have also made it possible to specify the influence of additional parameters (C/N, amorphous components, carbonate) on this behaviour. The moisture levels which characterize mechanical behaviour
(Proctor moisture minimum (we), plastic limit (LP), stickypoint (LA)) have been studied in connection with the classical moisture characteristics (moisture equivalent (Heq), wilting point PF, field capacity (CC)). An attempt has been made to predict these moisture levels with the help of multiple regressions, according to pedological affinities. A classification of soil sensitivity to compaction has been proposed, and must be
correlated with field observations in order to be useful in farming practice or thematic mapping.
1. INTRODUCTION
Classiquement, les sols de culture sont caractérisés, du point de vue des changements d’états physiques, par les
propriétés liées à la structure (DE LEENHEER, 1965), à la
stabilité structurale (H>;Nirr et al., 1969) ou à la cohésion. Ce
dernier paramètre a été estimé par le biais des limites
d’Atterberg dont RUSSEL & WEHR(1928) et BAVER (1930)
ont étudié les facteurs de variation, et que PÉRIGAUD
(1964), COMBEAU (1964) et RÉMY(1971) ont étudié dans certaines situations géographiques.
Plus récemment, certains auteurs ont introduit la notion de sensibilité au tassement et étudié le comportement physique des sols en relation avec leur constitution. FAURE
(1971), FAURE & FiÈs (1972) ont analysé l’influence des taux d’argile et de sable sur les mécanismes du compactage.
G U É
RIF& FAURE(1979) et GUÉRIF(1979) ont étudié le rôle de la matière organique sur le comportement d’un sol au compactage et SOUTY (1978), celui du calcaire. Nous- mêmes avons étudié la variabilité de la sensibilité au tassement des sols d’Alsace et de Lorraine (TUAL, 1977, 1978) et essayé de mesurer l’effet de cette sensibilité sur la croissance de la betterave sucrière (METTAUER et al., 1978).
Ces dernières décennies, l’agriculteur, en vue de s’affran- chir le plus possible des contraintes du milieu, a manifesté
un certain désintéressement à l’égard du travail du sol et de
sa qualité. On constate actuellement que le tassement du sol
est devenu un problème préoccupant car les interventions
mécaniques avec des engins de plus en plus lourds, sur des sols fragiles et dans des conditions d’humidité trop élevée, occasionnent des dégradations importantes.
L’étude du comportement physique des sols s’avère donc
une démarche nécessaire, quand il s’agit de préciser les potentialités agricoles de régions telles que l’Alsace ou la Lorraine où l’on rencontre, sous des conditions climatiques variées, des limons battants à structure fragile, des sols
lourds à hydromorphie diffuse, des sols alluviaux très calcaires ou très acides et des sols colluviaux de pente sensibles à l’érosion.
L’objectif de notre étude était de caractériser les princi-
paux sols de culture de l’Est de la France et de discuter des interrelations : constituants physiques - comportement physique - caractéristiques hydrodynamiques, en vue de
fournir des bases de prédiction pour les dates d’intervention
mécanique sur le terrain, compte tenu des conditions
climatiques.
II. MATÉRIEL ET MÉTHODES
A. Sensibilité au tassement
La courbe de tassement des sols a été dressée à l’aide du
test « Proctor », mis au point en génie civil et adapté aux
sols agricoles par FAURE& FiÈs (1972). La courbe Proctor illustre la variation de la densité sèche pd d’un sol, soumis à
une énergie de compactage donnée, en fonction de l’humidité pondérale de l’échantillon.
Les courbes Proctor présentent trois phases distinctes de comportement (fig. 1) ;
une phase 1 : aux faibles teneurs en eau, l’échantillon est
peu
sensible aux effets de compactage ;. une phase II : au-delà d’un seuil d’humidité caractéristi- que (W!), l’échantillon accuse une augmentation de compa- cité le conduisant au maximum ;
Il une phase III : à humidité forte, où la densité sèche de
l’échantillon décroît selon une allure hyperbolique.
Nous avons défini la sensibilité au tassement de deux
façons : soit par la différence àpd entre la densité maximale de la courbe - maximum Proctor - et celle relative au
début de la branche ascendante de la courbe - minimum Proctor -, soit par la pente moyenne àpd/àW de cette
branche ascendante (fig. 1). Ce second critère définit mieux la sensibilité moyenne au compactage (GRIMALDI, 1977 ; TU
AL
, 1977-78 ; DEMDAMI, 1979).
B. Les limites d’Atterberg
Les limites d’Atterberg définissent les teneurs en eau
caractéristiques de certains changements d’état ; la limite inférieure de plasticité (LP) sépare le domaine solide du domaine plastique, la limite de liquidité (LL) sépare ce
dernier du domaine liquide. Rappelons que la limite de
liquidité correspond en théorie à une teneur en eau pour
laquelle le sol possède une cohésion identique à celle du
liquide interstitiel. En pratique, on recherche l’humidité correspondant à la cohésion la plus faible possible et pour
laquelle le sillon tracé à la surface de la terre humide s’efface après un nombre défini de secousses (appareil de Casagrande).
La limite inférieure de plasticité (LP) est atteinte par perte d’eau au moment où l’eau interstitielle ne joue plus
son rôle de lubrifiant. En pratique, on choisit l’humidité minimale à partir de laquelle on peut rouler, dans des
conditions bien définies, un bâtonnet de 3 mm de diamètre.
L’indice de plasticité (LP), mesure la différence entre les deux limites et caractérise l’étendue du domaine plastique
d’un sol.
Le point d’adhésivité (LA) correspond au taux
d’humidité en dessous duquel il n’y a plus de risque
d’adhérence aux pièces travaillantes des engins mécaniques.
C’est la valeur pour laquelle la terre pétrie en pâton
n’adhère plus à une spatule métallique enfoncée dans
l’échantillon.
C. Choix des formations superficielles
Nous avons caractérisé le comportement mécanique des
sols de culture développés sur les formations superficielles
les plus typiques ou les plus répandues de la région Est (les
sols sur limons éoliens, les sols alluviaux et les sols sur marnes).
1. Les limons éoliens (65 échantillons analysés)
Ils couvrent environ 350 000 ha : 50 p. 100 dans le Bas- Rhin, 27 p. 100 dans le Haut-Rhin et 23 p. 100 en Moselle.
Ils ont été divisés en 5 formations : les loess à taux de calcaire > à 2 p. 100, les loess-lehms à taux de calcaire < à 2 p. 100, les lehms totalement décarbonatés, le complexe
des « vieux lehms » du Sundgau (au sud de Mulhouse, 28 000 ha), non calcaires, et les « terres blanches » de Lorraine.
2. Les alluvions (50 échantillons)
Elles sont classées selon leur origine (alluvions rhénanes,
de l’Ill, des affluents vosgiens et diverses alluvions de
Moselle), leur granulométrie et leur teneur en matière organique.
3. Les marnes (25 échantillons)
Ces formations sont très fréquentes en Lorraine mais plus
rares en Alsace. Elles appartiennent à diverses formations
géologiques :
. les marnes du Trias (Keuper, Rhétien),
. les marnes du Lias (Sinémurien, Hettangien, Char- mouthien),
. les marnes oligocènes (environ 1 000 ha en Alsace).
Nous avons en outre étudié quelques sols de montagne,
sur arène granitique et grauwacke, et quelques sols sur
colluvions de pente, soit au total 140 sols. Ce nombre élevé
englobe les sols analysés lors d’une enquête concernant la
culture de la betterave sucrière en Alsace (METTAUERet al., 1978), ainsi que les sols de limons du Sundgau (METTAUER, 1981). Pour la détermination des limites d’Atterberg, nous
avons retenu les principales formations superficielles mais
réduit le nombre d’échantillons par types de sols. Le choix s’est porté sur 75 échantillons.
111. RÉSULTATS
A. Sensibilité au tassement des sols
Le tableau 1 résume les principaux résultats et les figu-
res 2 à 6 illustrent l’allure des courbes Proctor des différen-
tes formations étudiées.
1. Classement de la sensibilité au tassement des sols selon leur spectre granulométrique
La figure 7 illustre les relations entre les 5 classes de sensibilité au compactage définies à partir des 2 critères retenus (p/d et Opd/OW) et les différentes classes de texture des sols étudiés.
Le classement selon Opd/!W confirme sensiblement celui de FAURE & FlÈS(1973) obtenu lors de leur étude sur les
dégâts causés aux sols par des engins lourds sur différents
chantiers de transport de l’EDF.
Si nous considérons l’origine génétique des sols étudiés,
on peut dire que les alluvions acides des rivières vosgiennes
et les alluvions rhénanes les plus sableuses se classent parmi
les formations les plus sensibles au compactage (classes 4 et 5) ; les sols marneux de Lorraine et les alluvions fines et
hydromorphes de la plaine d’Alsace sont par contre très peu sensibles. Quant aux sols sur limons (loess, loess-lehm, vieux lehm, terres blanches), ils prennent une position
intermédiaire.
2. Régressions progressives
Un classement des types de sols selon les classes de texture n’est pas entièrement satisfaisant. En effet, FAURE
& Fns (1972), GUÉRIF & FAURE (1979) ont montré
l’influence de la matière organique sur la sensibilité au tassement. Les régressions multiples progressives ont ainsi
été calculées pour différentes variables sur un ensemble de 121 sols dont les teneurs en matière organique restent
inférieures à 3,6 p. 100.
Les équations obtenues sont :
avec
Si nous effectuons les régressions progressives sur
l’ensemble des 140 sols analysés (le taux maximum de MO = 11,9 p. 100), on constate que le rapport C/N prend la place de l’argile comme 3cterme dans l’équation de la pente moyenne àpd/àW.
Les deux modes de calcul appliqués pour caractériser la sensibilité au tassement des sols confirment l’effet modéra- teur de la matière organique mis en évidence par GUÉRIF &
F
AURE en 1979. Mais l’action de la matière organique,
définie par son coefficient de corrélation dans la régression,
est plus grande sur la pente moyenne de la courbe Proctor que sur la différence entre densités sèches Opd. Ceci s’explique par le fait que la matière organique agit positive-
ment sur àW et négativement sur !pd.
B. Les limites d’Atterberg
Dans le tableau 2 sont consignées les valeurs moyennes des limites d’Atterberg calculées sur les principales forma-
tions superficielles de la région Est.
On constate que, pour des indices de plasticité similaires,
les limons peu argileux (sols ± érodés) présentent des
limites de liquidité et de plasticité nettement supérieures à
celles des alluvions d’origine vosgienne (respectivement 32,1 et 27,2 p. 100 pour les premiers ; 26,1 et 20,5 p. 100 pour les secondes). Les alluvions rhénanes se comportent
comme les sols de limons (loess, loess-lehm et les « terres
blanches ») ; quant ,aux sols alluviaux hydromorphes et
humifères de la plaine d’Alsace, ils atteignent des LL équivalentes de celles des sols lourds de Moselle (Keuper, Rhétien), mais présentent par contre des LP nettement plus
fortes d’où des IP plus faibles (18 p. 100 contre 29,9 p. 100).
L’étude de la matrice de corrélation avec la composition granulométrique montre que l’intensité d’action des limons fins (Lf) est de même signe (>0) que celle des argiles (A).
Comme cette intensité dépend de la valeur même de la composante mise en jeu et de la valeur des autres variables
présentes, nous avons calculé différentes régressions multi- ples. Dans le tableau 3 sont regroupées les valeurs des coefficients de ces régressions, à savoir : association de l’action de la matière organique à celle du couple argile + limon fin (A + Lf), puis à celle du couple limon grossier + sable fin (Lg + Sf), enfin à celle du rapport de
ces 2 couples dont les effets sont de signes contraires (corrélation négative pour Lg et Sf).
C. Comportement physique et mécanique des sols en présence de calcaire
Les sols calcaires possèdent des propriétés physiques particulières dues à la présence des carbonates. Les effets
sur les propriétés structurales ont été étudiés par MONNIER
(1965), ceux sur les caractéristiques hydriques par CHIAVE-
RINI (1976). GUÉRIF (1974) a mis en évidence l’existence d’une porosité texturale anormalement élevée et SouTY
(1978) a tenté d’expliquer l’effet du calcaire de la fraction
granulométrique inférieure à 2 Il- sur le comportement mécanique des sols.
L’effet propre du calcaire sur le comportement mécani- que des sols est très difficile à mettre en évidence du fait de l’existence de fortes liaisons avec la matière organique (C
HOULIARAS
, 1976). SOUTYa montré l’action positive des
calcaires fins sur l’humidité WC du seuil de sensibilité au
compactage. Quant à RÉMY (1971), il a montré qu’en sols
contenant du calcaire, les variations de LL, dues à la
présence de matières organiques, étaient très atténuées.
Ces considérations nous ont conduits à analyser plus en
détail les sols calcaires de l’ensemble étudié. Les courbes Proctor de 63 sols calcaires et les limites d’Atterberg de
27 sols ont été retenues. Les taux de calcaire trouvés se
situent entre 2,7 et 25,3 p. 100.
La récupération en totalité des fractions granulométri-
ques et le dosage du calcaire sur chacune de ces classes étant irréalisables sur un nombre aussi élevé de sols, nous avons
effectué une double analyse granulométrique (avec et sans
décarbonatation préalable) en vue d’une approche chiffrée
de l’importance du calcaire dans chaque fraction granulo-
métrique. L’analyse statistique a fait apparaître des corréla- tions négatives entre les variables à expliquer (Wc, LL, LP,
IP et LA) et le calcaire des fractions A et Lf, les teneurs en
calcaire total et le rapport dé ces 2 teneurs (tabl. 4).
Si nous introduisons le calcaire total comme 3Cterme dans les équations de régressions multiples, il apparaît avec le signe (-) dans la relation de W’ et avec le signe (+) dans
celle de !pd/OW. Quant au coefficient d’explication R2, il
passe de 0,92 à 0,94 dans le 1ercas et de 0,38 à 0,42 dans le
2 c cas.
D. Comportement mécanique en présence d’amorphes
Nous avons aussi analysé quelques sols de montagne
d’origine granitique et grauwackeuse voisins des sols ocre- podzoliques. Le comportement mécanique de ces sols est
fortement influencé par la présence de sesquioxydes amor- phes (tabl. 5).
En effet, les courbes Proctor se caractérisent non seule- ment par une diminution de la pente, du fait de la présence
de matière organique, mais surtout par un fort déplacement
de l’humidité critique W’ vers les humidités élevées (rapport W
c
largile > 1,5 ; maximum 3,3). Ce rapport ne dépasse pratiquement jamais 0,6 pour les sols de cultures étudiés même s’ils sont très humifères. FAURE (1972) a trouvé pour des mélanges artificiels, sans adjonction de matière organi-
que, des valeurs proches de 0,32 et 0,38 selon le type d’argile.
E. Courbes de compactage et porosité
Un compactage du sol entraîne toujours une réduction de
la porosité. Afin de pouvoir exprimer le tassement en ces
termes, nous avons calculé l’indice des vides,
des 2 points caractéristiques (minimum et maximum) de la
courbe Proctor, et la différence Ae entre ces 2 valeurs
(rappelons que l’indice des vides e est lié à la porosité totale
par la relation P,
= 1 + e
x 100 . Nous avons égalementcalculé la porosité air (P air’) du maximum Proctor en
retranchant de la porosité totale, calculée à l’aide de la relation classique :
le taux d’humidité volumique correspondant (HM) ; les
densités réelles (ps) ont été mesurées sur 25 échantillons de sols et appréciées sur les autres par interpolation, compte
tenu de la texture et du taux de matière organique.
Les moyennes des différentes valeurs calculées par types de formations superficielles sont regroupées dans le
tableau 6.
F. Les caractéristiques hydriques des sols étudiés 1. Liaison avec les courbes de compactage
Le comportement mécanique des sols étant sous la
dépendance de leur état .d’humidité, il est intéressant de situer les taux d’humidité relatifs aux minimum (Wc) et
maximum (W&dquo;’) Proctor et aux limites d’Atterberg des types de sols étudiés, par rapport à leurs caractéristiques hydri-
ques (point de flétrissement (PF) et humidité équivalente (Héq.), valeur approchée par défaut de la capacité au champ.
Les corrélations obtenues entre W! et W&dquo;’’ et les caracté-
ristiques hydriques sont les suivantes :
L’humidité critique (WI) se situe généralement en des-
sous de l’humidité au point de flétrissement ; ces résultats
confirment ceux de FAURE(1978) qui trouve, pour Wc, un pF voisin de 4,6. Quant à l’humidité au maximum de compactage, elle se situe en dessous de la capacité au champ.
2. Liaison avec la limite de plasticité LP et le point d’adhési-
vité LA
Le tableau 7 résume les coefficients des équations de régression de LP, LA et Héq., calculées sur la base des variables A, Lf et MO.
On constate que l’action de A + Lf sur les 3 variables en
question est sensiblement du même ordre de grandeur. Par
contre, l’effet de la matière organique sur LP et LA est 2 à
3 fois supérieur à celui sur Héq., si bien que cette dernière valeur reste systématiquement inférieure aux 2 autres. Or, dans l’optique travail du sol, la limite de plasticité et le point
d’adhésivité doivent être comparés à la capacité au champ
réelle et non à une valeur approchée. Comme le potentiel
matriciel de la capacité au champ d’un sol varie en fonction de sa granulométrie (BONNEAU, 1961 ; PÉRIGAUD, 1964),
nous avons essayé d’apprécier au plus juste l’humidité de la
capacité au champ, en prenant comme pF la valeur la plus
vraisemblable, compte tenu de la granulométrie, et en extrapolant l’humidité correspondante à partir des valeurs mesurées pour pF = 3 et pF = 4,2 (courbes potentiel-humi- dité). Cette manière de procéder permet de mieux situer LP et LA par rapport à la valeur corrigée de la capacité au champ (tabl. 8).
2 classes de comportement apparaissent nettement diffé-
rentes : la lre englobe les sols de limons et les sols alluviaux (calcaires et acides) et se caractérise par une capacité au champ légèrement supérieure à LA et LP ; la 2eenglobe les types de sols constitués en partie d’argiles gonflantes et dont
la capacité au champ est nettement inférieure à LP et LA.
IV. DISCUSSION DES RÉSULTATS ET CONSIDÉRA-
TIONS AGRONOMIQUES
A. Sensibilité au tassement et rapport
 O
ALes 2 modes de calcul appliqués pour caractériser la sensibilité au tassement des sols confirment l’effet modéra- teur de la matière organique mis en évidence par GUÉRIF &
F
AURE(1979). Ces auteurs avaient d’autre part montré que le
rapport Â!
était plus discriminant que la variable MOseule, et qu’il existait un seuil pour ce rapport (autour de
7 p. 100) au-delà duquel l’additivité mise en évidence par les
régressions n’était plus respectée. Les auteurs avaient ainsi
proposé la relation linéaire suivante :
Nous avons obtenu des résultats similaires avec des coefficients moins bons :
pour le groupe des sols acides et
pour celui des sols calcaires.
Les régressions linéaires pour OW et àpd n’étant pas
significatives avec
Â!,
nous avons calculé le meilleurajustement possible qui était la parabole. OW passe par un minimum pour une valeur
de #
de 0,076 (groupe des solsacides) et de 0,11 (groupe des sols calcaires) ; quant à Apd,
elle passe par un maximum pour une valeur
de Â!
de 0,115(sols calcaires). La pente moyenne Opd/OW de la courbe Proctor augmente donc avec l’argile pour des valeurs de
Â!
A < 11 p. 100 et diminue quand l’argile augmente pour des valeurs de—.—
MO > 11 p. 100.Sans vouloir attribuer trop d’importance à ces valeurs,
elles confirment néanmoins la notion de seuil d’action de la matière organique que différents auteurs signalent pour des
propriétés physiques variées.
B. Sensibilité au tassement et rapport C/N
L’introduction du rapport C/N dans les régressions multi- ples progressives a aussi mis en évidence une corrélation
négative entre la sensibilité au tassement et ce rapport.
Autrement dit, pour une même teneur en matière organi-
que, l’effet modérateur de celle-ci augmente avec le rapport C/N (qui varie entre 6,1 et 23,7 ; moyenne : 8,2).
En l’absence d’études systématiques de la matière organi-
que, il est difficile de chiffrer la part des effets attribuables à la fraction libre et à la fraction liée. Nous pouvons néan-
