SOLSPropriétés physiques et mécaniques

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Du point de vue de ses propriétés physiques et mécaniques, le sol peut être considéré comme un système poreux à trois phases : solide, liquide, gazeuse.

Certaines des caractéristiques de ce système sont permanentes ; c'est le cas de la constitution physique du matériau : granulométrie, morphologie et espèce minéralogique des particules élémentaires. De façon très globale, un matériau déterminé peut être caractérisé une fois pour toutes par sa texture, qui traduit l'influence sur son comportement des différents constituants et des interactions qui se manifestent entre eux.

D'autres éléments de description sont plus contingents : la géométrie du système, couramment appelée structure par les agronomes et les pédologues, bien qu'elle dépende au premier chef de la texture, varie en fonction de l'intervention de facteurs climatiques (pluie, gel, sécheresse), biologiques (racines des végétaux, micro-organismes et macro-organismes du sol) et mécaniques, ces derniers mis en œuvre par l'homme pour l'utilisation du sol (agriculture, génie civil, etc.).

Enfin, l'équilibre des phases solides et liquides se déplace incessamment, et parfois de façon très rapide, en fonction du régime hydrique du sol.

Il résulte de ces considérations que les notions instantanées d'état physique et de comportement mécanique doivent être complétées par celles de leur évolution dans le temps, principalement en fonction de l'humidité.

Principales propriétés physiques

En interaction étroite avec les facteurs du climat, les propriétés physiques commandent les conditions de température, d'aération, de circulation et de stockage de l'eau, d'implantation et de fonctionnement du système racinaire des végétaux.

Plus ou moins directement, toutes les propriétés physiques se rattachent à une caractéristique fondamentale qui est la porosité.

La porosité d'une couche de sol en place est la partie d'un volume apparent unitaire qui n'est pas occupée par la phase solide. On la détermine à partir de mesures de densité apparente da (poids de terre sèche par unité de volume apparent) et de densité ou poids spécifique réel dr de la phase solide. La porosité totale P s'exprime en pour cent, à partir de ces données, par la relation :

Cette porosité est susceptible de varier de valeurs inférieures à 25 p. 100, pour des sols sablo-limoneux compacts, à des valeurs supérieures à 60 p. 100, pour des matériaux à structure fragmentaire fine, ou bien à la surface de sols argileux humides et fortement gonflés.

À la connaissance du volume total de l'espace poreux doit s'ajouter une évaluation de sa configuration : la taille des pores principalement, mais aussi leur forme, leur orientation, leur degré de connexion, leur tortuosité, etc. On doit pour cela faire appel à toute une série de techniques : porosimétrie au mercure, perméamétrie, morphométrie sur plaque mince, établissement de courbes de pF (teneur en eau en fonction de la succion), etc.

D'un autre point de vue, la porosité totale du sol résulte le plus souvent de la superposition de différents niveaux d'arrangement des constituants du sol :

– À l'échelle de l'assemblage élémentaire, la disposition relative des particules individualisées au cours de l'analyse granulométrique ménage un premier système de porosité dite, du fait de son origine, texturale ;

– Dans le cas des structures fragmentaires, les éléments structuraux sont délimités par un réseau plus ou moins complexe de fissures qui constitue, avec les canalicules et alvéoles d'origine biologique ou pédologique, un deuxième système de porosité dite structurale.

La porosité texturale représente la fraction la plus importante et la plus fine de la porosité totale. Son rôle est essentiel dans le domaine de la réserve en eau des sols, de la circulation de l'eau par des mécanismes de succion, de la température et de l'aération du sol ; on la mesure sur des agglomérats terreux d'une taille suffisamment petite pour ne pas comporter de porosité structurale ou sur un échantillon auquel on a conféré artificiellement une structure continue et homogène. On peut considérer que c'est une caractéristique intrinsèque du matériau à une humidité donnée.

Porosité

Dessin : Porosité

Les systèmes de porosité 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La porosité structurale a fréquemment une taille suffisante pour être observable à l'œil nu ou à un faible grossissement. Elle ne constitue, si l'on excepte les couches du sol qui viennent d'être ameublies, que quelques pour cent du volume apparent unitaire. Bien que chaque système de porosité n'ait pas l'exclusivité de régir tel ou tel phénomène, son influence est prépondérante sur les possibilités d'enracinement, l'indice d'ameublissement global d'un horizon, la perméabilité à l'eau circulant par gravité. Elle est obtenue par différence entre la porosité totale et la porosité texturale, et elle est susceptible de variations aussi rapides que celles de l'état structural du sol dont elle est la conséquence.

Porosité

Dessin : Porosité

Les systèmes de porosité 

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Caractéristiques hydriques

Stockage de l'eau

Lorsqu'on apporte à un sol une quantité suffisante d'eau, il peut être saturé, c'est-à-dire que la totalité de sa porosité est remplie d'eau. Même en l'absence de toute évaporation, la teneur en eau correspondant à la saturation n'est, très généralement, pas stable ; l'eau contenue dans la fraction la plus grossière de la porosité (macroporosité) circule par gravité ou par succion des couches inférieures plus sèches : le sol se « ressuie » et tend vers un palier d'humidité correspondant à la capacité au champ (l'eau occupe alors ce qu'on appelle la microporosité).

Rôle comme réservoir d'eau

Dessin : Rôle comme réservoir d'eau

Représentation schématique du rôle du sol comme réservoir d'eau (d'après R. Gras et S. Trocmé) 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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À cette humidité caractéristique, l'eau ne circule plus que très lentement et le sol ne se dessèche que par évaporation directe pour les couches les plus superficielles ou par absorption d'eau par le système racinaire des végétaux. Ce dernier ne peut extraire de l'eau du sol que jusqu'à une humidité limite qui est caractéristique du matériau et qui correspond au point de flétrissement permanent.

L'évaluation directe de la capacité au champ et du point de flétrissement permanent est délicate et se prête mal à des déterminations en grande série. Aussi a-t-on recours à des évaluations en laboratoire. Le sol, qui a été préalablement saturé, est ressuyé sous une pression pneumatique convenablement choisie et qui varie suivant la texture de ce sol et, bien entendu, la caractéristique hydrique à laquelle on s'intéresse.

En définitive, l'eau utile pour les végétaux correspond à l'intervalle entre la capacité au champ c et le point de flétrissement permanent f. Exprimée en millimètres, la réserve en eau utile R d'une couche de sol d'épaisseur p (en dm) peut être calculée par la relation :

dans laquelle c et f sont exprimés en grammes d'eau pour 100 grammes de terre sèche et où da représente la densité apparente.

Rôle comme réservoir d'eau

Dessin : Rôle comme réservoir d'eau

Représentation schématique du rôle du sol comme réservoir d'eau (d'après R. Gras et S. Trocmé) 

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Réserves en eau

Tableau : Réserves en eau

Exemples de réserve en eau des sols. 

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Il est à noter que la capacité au champ d'un sol est une caractéristique essentiellement liée à la texture du ou des matériaux qui constituent ses différents horizons. Comme cela est également vrai pour l'humidité au poin [...]

Humidité et granulométrie

Tableau : Humidité et granulométrie

Relations entre l'humidité équivalente H (approximation de la capacité du champ pour les terres moyennes et lourdes) et la composition granulométrique du sol (d'après R. Gras). 

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  • : directeur de recherche à l'Institut national de la recherche agronomique

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Pour citer l’article

Gérard MONNIER, « SOLS - Propriétés physiques et mécaniques », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/sols-proprietes-physiques-et-mecaniques/