The Scale Effect in the Transposition of the Results of Deep-sounding Tests on the Ultimate Bearing Capacity of Piles and Caisson Foundations
Authors: De Beer E. E. 
Published: October 2009

Synopsis

Static penetration tests are often used in a number of countries to determine the length and the bearing capacity of piles. In recent times more attention has been given to the scale effect, i.e. the influence of the ratio of the transversal dimensions of the pile to the diameter of the base of the cone utilized in the test. In the extreme cases the penetration of the cone on to the soil is caused either by expulsion of an instantaneously incompressible material or by the volume decrease with structural modification of a very compressible soil. In reality the penetration will be caused generally by a combination of these two phenomena. In so far as the transversal dimensions of the piles are sufficiently small as not to alter the boundary-conditions, i.e. to obtain that the ratios of the distances of the pile-base to the different boundaries of the bearing stratum may be considered equal to the corresponding ratios of these distances to the diameter of the cone-base, the penetration resistance of the pile per unit area will at a given depth be nearly equal to the penetration resistance measured with the apparatus. However, the depths necessary to obtain a sufficiently approximated equality of the corresponding ratios are generally considerable and in practice they are not always reached with the real piles.

Recent tests performed by Professor Kerisel with a dense sand show a very marked scale-effect, i.e. the penetration resistance per unit area at a given depth varies considerably with the transversal dimensions.

These experimental data seem at first to be in contradiction with the Dutch and Belgian practice to determine the length and the bearing capacity of piles from deep-sounding tests, and with some other experimental results-for instance, those of Plantema. This contradiction is however only apparent. The general trend of the curves representing the results of the French experiments can be duplicated by utilizing the general formulae of the expulsion- for instance those of Meyerhof.

The very marked scale-effect found in the French tests is to be attributed to the fact that they are concerned with an extreme case of a dry, verydensesand, the surface of which is unloaded (i.e., no surcharge).

In the Dutch and Belgian practice adequate results have been obtained to determine the bearing capacity of piles from deep-sounding tests. The reason is that in the Delft laboratory, as in the Belgian Geotechnical Institute, the scale-effect has been taken into account for several years.

As has already been pointed out by the Author in a series of conferences given in Yugoslavia in 1955, the scale-effect can easily be deduced from the linear increases of the cone-resistances which are found in the deep-sounding tests at the levels where the cone penetrates in a more resisting layer. The application of this method gives, for instance, a fair agreement with the tests of the IRABA.

Les essais de pénétration sont couramment utilisés dans divers pays pour déterminer la longueur et la capacité portante des pieux.

Ces derniers temps on a commencé à analyser d'une façon plus approfondie l'effet d'échelle, c-à-d du rapport des dimensions transversales du cône de l'appareil et de la base des pieux.

L'enfoncement indéfini du cône de l'appareil peut dans les cas extrêmes être dû soit à un refoulement pur d'un sol instantanément incompressible, soit à une diminution du volume du sol avec modification de sa structure. Toutefois dans la réalité l'enfoncement sera généralement dû à une combinaison de ces deux phénomènes. Pour autant que les dimensions transversales des pieux restent suffisamment petites, pour ne pas modifier les conditions aux limites, c-à-d pour obtenir que les rapports des distances de la base du pieu aux diverses surfaces limitant la couche portante, à la dimension transversale du pieu, puissent être considérés comme égaux aux rapports correspondants de ces distances au diamètre de la base du cône, en général la résistance à l'enfoncement du pieu par unité de surface sera à une même profondeur pratiquement égale à la résistance au cône mesurée avec l'appareil. Toutefois les profondeurs nécessaires pour atteindre une égalité suffisamment approchée des rapports correspondants sont en général considérables et ne sont en pratique pas toujours atteintes avec les pieux réels.

Des essais récents effectués par le Professeur Kérisel dans du sable compact indiquent un effet d'échelle très marqué, c-à-d que la résistance à l'enfoncement par unité de surface à une profondeur donnée varie fortement avec les dimensions transversales.

Ces données expérimentales semblent à première vue en contradiction avec la pratique hollandaise et belge de déterminer la longueur et la capacité portante des pieux à partir d'essais de pénétration ainsi qu'avec certains autres résultats expérimentaux, notamment ceux de Plantema. Cette contradiction n'est toutefois qu'apparente. On peut en effet retrouver l'allure des courbes expérimentales françaises en utilisant les formules du refoulement, notamment celles de Meyerhof.

L'influence d'échelle très marquée constatée dans les essais français est due au fait qu'ils se rapportent à un cas extrême, notamment celui d'un sable sec de très forte compacité et qui se trouve à partir de la surface libre.

Si dans la pratique hollandaise et belge de bons résultats ont été obtenus pour la détermination de la capacité portante des pieux à partir des essais de pénétration, cela tient aussi au fait qu'aussi bien le laboratoire de Delft, que 1'Institut Géotechnique Belge ont depuis plusieurs annees deja tenu compte de l'effet d'échelle. Comme il a été indiqué par l'auteur e.a. dans une série de conférences qu'il a données en Yougoslavie en 1955, l'effet d'échelle peut être facilement dégagé à partrr des alignements rectilignes qui sont constatés dans les essais de pénétration aux niveaux où le cône pénètre dans une couche plus résistante. L'application de cette méthode donne e.a. une concordance satisfaisante avec les essais de 1'IRABA.