• Geomechanics and Engineering
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• 제37권2호
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• pp.97-107
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• 2024

The accurate prediction of grouting upward diffusion height is crucial for estimating the bearing capacity of tip-grouted piles. Borehole construction during the installation of bored piles induces soil unloading, resulting in both radial stress loss in the surrounding soil and an impact on grouting fluid diffusion. In this study, a modified model is developed for predicting grout diffusion height. This model incorporates the classical rheological equation of power-law cement grout and the cavity reverse expansion model to account for different degrees of unloading. A series of single-pile tip grouting and static load tests are conducted with varying initial grouting pressures. The test results demonstrate a significant effect of vertical grout diffusion on improving pile lateral friction resistance and bearing capacity. Increasing the grouting pressure leads to an increase in the vertical height of the grout. A comparison between the predicted values using the proposed model and the actual measured results reveals a model error ranging from -12.3% to 8.0%. Parametric analysis shows that grout diffusion height increases with an increase in the degree of unloading, with a more pronounced effect observed at higher grouting pressures. Two case studies are presented to verify the applicability of the proposed model. Field measurements of grout diffusion height correspond to unloading ratios of 0.68 and 0.71, respectively, as predicted by the model. Neglecting the unloading effect would result in a conservative estimate.

• Geomechanics and Engineering
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• 제23권2호
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• pp.151-163
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• 2020

Grouting method is an effective way of reinforcing cracked rock masses and plugging water gushing. Current grouting diffusion models are generally developed for horizontal cracks, which is contradictory to the fact that the crack generally occurs in rock masses with irregular spatial distribution characteristics in real underground environments. To solve this problem, this study selected a cement-sodium silicate slurry (C-S slurry) generally used in engineering as a fast-curing grouting material and regarded the C-S slurry as a Bingham fluid with time-varying viscosity for analysis. Based on the theory of fluid mechanics, and by simultaneously considering the deadweight of slurry and characteristics of non-uniform spatial distribution of viscosity of fast-curing grouts, a theoretical model of slurry diffusion in an oblique crack in rock masses at constant grouting rate was established. Moreover, the viscosity and pressure distribution equations in the slurry diffusion zone were deduced, thus quantifying the relationship between grouting pressure, grouting time, and slurry diffusion distance. On this basis, by using a 3-d finite element program in multi-field coupled software Comsol, the numerical simulation results were compared with theoretical calculation values, further verifying the effectiveness of the theoretical model. In addition, through the analysis of two engineering case studies, the theoretical calculations and measured slurry diffusion radius were compared, to evaluate the application effects of the model in engineering practice. Finally, by using the established theoretical model, the influence of cracking in rock masses on the diffusion characteristics of slurry was analysed. The results demonstrate that the inclination angle of the crack in rock masses and azimuth angle of slurry diffusion affect slurry diffusion characteristics. More attention should be paid to the actual grouting process. The results can provide references for determining grouting parameters of fast-curing grouts in engineering practice.

• Geomechanics and Engineering
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• 제34권2호
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• pp.155-171
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• 2023

Aiming at the grouting treatment of water inflow in karst conduits, a visualized experiment system for conduit-type grouting blocking was developed. Through the improved water supply system and grouting system, and the optimized multisource information monitoring system, the real-time observation of diffusion and deposition of slurry, and the data acquisition of pressure and velocity during the whole process of grouting were realized, which breaks through the problem that the monitoring element is easy to fail due to slurry adhesion in conventional test system. Based on the grouting experiments in static and flowing water, the diffusion and deposition behavior of the quick-setting slurry under different working conditions were analyzed. The temporal and spatial variation behavior of the pressure and velocity were studied, and the blocking mechanism of the grouting were further revealed. The results showed that: (1) Under the flowing water condition, the counter-flow diffusion distance of slurry was negatively correlated with the flow water velocity and the volume ratio of cement and sodium silicate (C-S ratio), and positively correlated with the grouting volume. The slurry deposition thickness was negatively correlated with the flowing water velocity, and positively correlated with the grouting volume and C-S ratio. (2) The pressure increased slowly before blocking of the flowing water and rapidly after blocking in karst conduits. (3) With the continuous progress of grouting, the flowing water velocity decreased slowly first, then significantly, and finally tended to be stable. According to the research results, some engineering recommendations were put forward for the grouting treatment of the conduit-type water inflow disaster, which has been successfully applied in the treatment project of the China Resources Cement (Pingnan) Limestone Mine. This study provided some guidance and reference for the parameter optimization of grouting for the treatment projects of water inflow in karst conduits.

• Geomechanics and Engineering
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• 제21권4호
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• pp.357-369
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• 2020

Different from the conventional planar fracture and simplified Newton model, for power-law slurries with a lower water-cement ratio commonly used in grouting engineering, flow model in geological rough fractures is built based on ten standard profiles from Barton (1977) in this study. The numerical algorithm is validated by experimental results. The flow mechanism, grout superiority, and water plugging of pseudo plastic slurry are revealed. The representations of hydraulic grouting properties for JRCs are obtained. The results show that effective plugging is based on the mechanical mechanisms of the fluctuant structural surface and higher viscosity at the middle of the fissure. The formulas of grouting parameters are always variable with the roughness and shear movement, which play a key role in grouting. The roughness can only be neglected after reaching a threshold. Grouting pressure increases with increasing roughness and has variable responses for different apertures within standard profiles. The whole process can be divided into three stationary zones and three transition zones, and there is a mutation region (10 < JRCs < 14) in smaller geological fractures. The fitting equations of different JRCs are obtained of power-law models satisfying the condition of -2 < coefficient < 0. The effects of small apertures and moderate to larger roughness (JRCs > 10.8) on the permeability of surfaces cannot be underestimated. The determination of grouting parameters depends on the slurry groutability in terms of its weakest link with discontinuous streamlines. For grouting water plugging, the water-cement ratio, grouting pressure and grouting additives should be determined by combining the flow conditions and the apparent widths of the main fracture and rough surface. This study provides a calculation method of grouting parameters for variable cement-based slurries. And the findings can help for better understanding of fluid flow and diffusion in geological fractures.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제26권4호
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• pp.345-363
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• 2024

강관보강그라우팅 공법은 터널 시공 중 막장면 천단의 보강과 차수를 목적으로 시공현장에서 널리 적용되고 있다. 가장 보편적인 강관다단그라우팅 공법은 주입재의 역류를 막기 위해 강관과 보어홀 사이에 실링재를 주입하도록 규정되어 있으며 이 공정에서 긴 시간이 요구되는 실정이다. 따라서 실링 주입 공정을 제거한 강관보강그라우팅 공법이 여러 종류 제안되었으며, 대표적으로 구획을 나누어 동시에 주입하는 공법과 외부 패커를 활용해 다단으로 주입하는 공법이 있다. 시공 기간과 장비 면에서 이러한 대체 공법들의 장단점이 논의된 바 있으나 실제 지반에 각 주입 방법 별로 얼마나 주입 범위를 확보할 수 있는지에 대해서는 정량적으로 검토된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 실제 주입 공정에 기반하여 그라우트 주입 방법에 따른 주입 범위를 평가하고자 한다. 우선 그라우트의 점도를 실내 실험을 통해 계측하였다. 그리고 전산유체역학 상용 프로그램을 사용하여 수치해석 모델링을 구성하였다. 수치해석 모델링에 측정된 그라우트 물성과 현장에서의 주입 절차를 반영하여 매개변수 해석을 수행하였으며, 그 결과 주입 방식에 따라 주입 범위와 거동이 크게 달라지며 특히 비균질한 지반에서 더 두드러짐을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 확인한 주입 방법과 지반 종류, 그리고 그라우트 종류에 따른 주입 범위를 기반으로 효과적인 주입공법의 선정에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제29권4호
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• pp.391-405
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• 2022

A newly proposed grouting simulation method, the sequential diffusion solidification method was introduced into the numerical simulation of combined bi-borehole grouting. The traditional, critical and difficult numerical problem for the temporal and spatial variation simulation of the slurry is solved. Thus, numerical simulation of grouting and blocking of flowing water in karst conduits is realized and the mechanism understanding of the combined bi-borehole technology is promoted. The sensitivity analysis of the influence factors of combined bi-borehole grouting was investigated. Through orthogonal experiment, the influences of proximal and distal slurry properties, the initial flow velocity of the conduit and the proximal and distal slurry injection rate on the blocking efficiency are compared. The velocity variation, pressure variation and slurry deposition phenomenon were monitored, and the flow field characteristics and slurry outflow behavior were analyzed. The interaction mechanism between the proximal and distal slurries in the combined bi-borehole grouting is revealed. The results show that, under the orthogonal experiment conditions, the slurry injection rate has the greatest impact on blocking. With a constant slurry injection rate, the blocking efficiency can be increased by more than 30% when using slurry with weak time-dependent viscosity behavior in the distal borehole and slurry with strong time-dependent viscosity behavior in the proximal borehole respectively. According to the results of numerical simulation, the grouting scheme of "intercept the flow from the proximal borehole by quick-setting slurry, and grout cement slurry from the distal borehole" is put forward and successfully applied to the water inflow treatment project of China Resources Cement (Pingnan) Limestone Mine.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제18권4호
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• pp.115-127
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• 2019

본 연구의 대상 공법인 저유동성 그라우팅 주입공법은 모르타르를 주입재로 하여 비배출 치환원리에 의해 지중에 압입하는 공법으로서 지반의 밀도 증대효과를 기대할 수 있고 저소음, 저공해, 내구성 확보와 함께 경우에 따라서는 높은 주입 고결체의 강도를 이용한 기초파일로 사용할 수도 있다. 저유동성 주입공법으로 지반의 동적 특성이 향상됨을 확인하기 위하여 현장에서 시험시공을 실시하고 물리시험을 수행하였으며 코어에 대한 실내시험을 통해 지중에 형성된 개량체 품질을 확인하고 코어회수율 분석을 수행하였다. 밀도검층은 감마선의 컴프턴 산란을 이용하여 지층의 체적 밀도를 산정하였고, 음파검층은 시추공 내에서 음파발생 및 수신장치로 구성된 검층기를 이용하여 시추공 주변의 지반에 대해서 시험을 실시하였다. 그라우팅 전,후 물성변화(밀도검층, 음파검층)를 측정한 결과, 기본적으로 두 물성 모두 그라우트제 주입 후 물성이 증가하여 측정되었다. 다만, 그라우팅 후 속도 증가보다 밀도 증가의 변화 폭이 컸으며, 지반 밀도 측정 방법이 주입재의 충진 효과를 측정하는데 효과적이다. 재령 28일 후 채취한 시료로부터 강도 및 코어회수율을 측정하였으며, 시험결과 개량체의 확산 및 강도시험 결과가 설계기준을 만족시켜 내진성능보강을 만족한 것으로 확인하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제36권11호
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• pp.149-156
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• 2020

약액 그라우팅은 지반의 강도 증진 및 차수 공법에 성공적으로 이용되어 왔으나, 그라우트의 유동은 지층의 투구계수 이방성에 크게 영향을 받는다. 따라서, 본 연구에서는 전산 유체 역학법을 이용하여 투수계수의 이방성이 수평 약액 그라우팅의 유효 반경에 미치는 영향을 알아보았다. 먼저 수평 방향 약액 주입 시뮬레이션을 위하여 공극 매질내 2상 점성 유체의 유동을 모델링하였고, 경화에 따른 확산과 점성 변화 또한 고려했다. 수치해석 결과, 투수계수의 이방성으로 인해 그라우트 구근의 형태가 타원체로 발달했고, 용해에 따른 확산 때문에 그라우트 구근의 모서리로 갈수록 공극내 그라우트 포화도가 점진적으로 감소했다. 이 결과를 바탕으로 10, 50, 90의 임계포화도를 설정하여 그에 따른 수평 방향 및 수직 방향 유효 반경을 산출하였다. 또한, 0.01 - 100의 수평·수직 방향 투수계수비에 따른 유효 반경을 산출하여 회귀식을 개발했다. 본 연구 결과는 투수계수 이방성을 가진 지층의 특성을 이용한 보다 효율적인 약액 그라우트 주입 전략 계획에 기여할 것으로 기대한다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제15권5호
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• pp.23-29
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• 2014

압력주입에 의한 그라우팅은 지반교란 및 인접지반에 미치는 영향이 적어 현재까지 광범위하게 활용되어 왔다. 반면 저압주입의 한계로 확산범위가 제한적이므로 그 단점을 보완하고자 최근 시멘트 입자에 주파수를 도입하여 주입효과를 개선한 진동주입공법이 개발되었다. 본 연구에서는 진동주입 방식에 의한 시멘트 그라우팅 공법의 주입효과를 기존의 압력주입방식과 비교하기 위하여 현장시험을 실시하였다. 점토코어 및 풍화토 지반으로 구성된 제방에서 진동주입 및 기존의 압력주입 방식으로 주입하고 그 효과를 비교하기 위하여 주입량, 표준관입시험, 현장투수시험과 전기비저항탐사를 실시하였다. 주입량을 비교한 결과 가진주입 시 일반주입 대비 약 15 % 주입량이 증가하여 확산 효과가 큰 것으로 분석되었다. 가진주입한 지반의 투수계수는 일반주입 대비 평균 50 %까지 감소하여 균질한 주입이 이루어짐이 확인되었다. 표준관입시험 결과 일반주입과 비교하여 가진주입 시 평균 17.4 %가량 N치가 증가하였고, 특히 풍화토층에서 개선효과는 일반주입 대비 19 %로 주입효과가 큰 것으로 나타났다. 전기비저항탐사를 이용하여 전체적인 주입효과를 판단한 결과 진동주입 구간의 경우 상대적으로 높은 비저항을 나타내어 균일하고 광범위하게 주입이 이루어진 것으로 나타났다. 이상의 주입효과 비교를 통하여 동일한 지반에서 압력주입을 진동주입으로 대체할 경우 주입공당 주입재의 양은 증가하지만, 주입재의 확산반경이 커짐에 따라 주입공의 천공간격이 감소함으로써 경제성 개선이 가능할 것으로 판단되었다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제24권1호
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• pp.15-23
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• 2023

그라우팅 공법은 연약지반의 차수 및 보강을 목적으로 시공되는 공법이다. 그라우트가 지반 내에 주입될 때, 지반을 구성하는 지반의 형태, 토립자의 크기, 공극율 및 지하수의 유무에 따라 그라우트가 침투 및 확산하는 형태가 다양하게 나타나고 있으나, 그라우팅 설계 시에는 이러한 요인을 적용하기 어려운 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 전도성 재료를 함유한 그라우트를 지반내로 주입하는데 있어서 전도성 재료 첨가에 따른 그라우트의 침투 성능을 파악하기 위하여 실내시험을 수행하였다. 주입시험에서는 전도성 재료를 혼합수의 0%, 3% 및 5%를 그라우트에 첨가하고, 원지반 조건을 자갈과 규사로 구성된 다양한 지반으로 조성하였다. 전도성 그라우트는 전용주입장치를 사용하여 모형지반 내로 압력에 의해 주입되면서 주입시간(t), 압력(p), 유속(v) 및 주입량(q)를 계측하고, 모형지반 내 주입된 경화체를 채취하여 침투성능을 평가하였다. 그라우트 주입실험 결과에서는 전도성 재료의 사용량과 그라우트 주입율은 역의 관계를 나타내었으며, 모형지반 토립자 크기에 따라 침투형태가 변화되는 것을 확인하였다. 전도성 재료를 함유한 그라우트는 지반 내 침투가 비교적 양호하고 경화체의 강도 및 내구성이 우수하여 그라우트의 침투범위 측정을 위한 첨가제로 사용하는 것이 가능하다고 판단하였다.