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전산유동역학을 이용한 절리 거칠기 및 주입재 특성에 따른 그라우트 주입 시 압력 손실 해석
Numerical analyses using CFD on the pressure losses of the grout flow with variation of joint roughness and grout features 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.20 no.6, 2018년, pp.989 - 1002  

사공명 (한국철도기술연구원 첨단궤도토목연구본부) ,  류성하 (풍산 시설팀)

초록
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암반 내 그라우팅은 불연속면 내부에 시멘트 그라우트재를 주입하여 주변지반을 강화하는 목적으로 사용된다. 현장에서 다상의 그라우트재의 주입 시 거동특성 및 주입경로인 3차원 절리면의 형태가 사전파악되지 않으므로 정량적인 설계가 어려운 분야중 하나이다. 따라서 현장에서의 그라우트 주입 거동특성을 나타내는 GIN (Grouting Intensity Number) 지표를 이용하여 주입 모니터링을 통해 적절한 시공관리를 수행하는 것이 최적이 방안이다. 본 논문에서는 그라우팅 주입 시 절리면의 거칠기 등급과 물시멘트(W/C)비에 따라 발생하는 압력의 손실을 전산유동해석을 수행하여 조사하였다. 절리면이 거칠수록 그리고 물시멘트비가 높을수록 주입 시 마찰저항은 크게 발생하였으며 해당 결과를 각 조건별 상관식으로 정리하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Grouting for the rock joint is to strengthen the rock strata by infiltrating cement grout materials into the rock joints. Grouting is one of a field of study which is difficult to develop deterministic and quantitative design approach because of multiphase behaviors of grout materials and 3 dimensio...

주제어

#그라우팅   #암반절리   #전산유동해석  

표/그림 (16)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 식 (7)과 같이 물리적 모델을 바탕으로 그라우팅의 이론적 모델을 제시하더라도 현장에서의 적용과는 많은 차이가 있을 수 있으며 그 요인중하나가 압력 손실과 체적증가분에 대한 내용이며 이러한 현상에 대한 논리적 근거를 제시하기에는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 절리의 틈과 거칠기 조건(Joint Roughness Coefficient, JRC)에 따른 압력손실계수의 산정 방안에 대해서 논의 하고자 한다.
  • 본 연구에서는 제한적인 조건에서 절리의 기하학적 특성(틈, 거칠기)과 물/시멘트비에 따른 주입특성을 검토하였다. 절리틈의 크기가 주입에 있어 가장 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

가설 설정

  • 0배 수준의 변동이 발생한다. 물/시멘트비는 최대 11배 정도의 차이가 발생한다. 따라서 현장에서 주입 시 절리의 틈에 대한 정확한 파악으로도 압력 변동의 문제를 어느 정도 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
  • 암반 내 그라우팅 주입시공 시 주입재의 물/시멘트 비, 절리의 틈, 거칠기 등에 따라 정량 주입조건 시 요구되는 주입압은 상이할 것이다. 암반 내 그라우팅은 이상의 변수에 의해서 주입설계와 현장주입 시 상이한 거동을 보일 것이다. 따라서 본 연구에서는 수치해석을 통하여 그라우팅 주입 시의 W/C 비, 절리 틈, 절리 거칠기 등이 그라우팅에 미치는 영향에 대하여 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
  • 여기서, Fallow는 상향의 들뜸의 허용한계값이며, 들뜲의 형태는 원통형 조건을 가정하였다. 복합 불연속면을 고려하여 절리의 개수를 고려하고 현장의 여건을 반영하여 절리면을 통과함에 따른 압력손실과 주입압에 따른 절리벽의 팽창에 따른 효과를 감안하면 GIN은 다음과 같이 표현할 수 있다.
  • 그라우트재의 특성은 물/시멘트(W/C)비율에 크게 영향을 미친다. 주입 시 그라우트재는 초기 배합비에 따라 일정한 특성을 가지고 있는 것으로 가정하여 주입이 이루어지나 실제 시간의 경과에 따라 유동학적 특성과 퇴적특성이 변화하기 때문에 이에 대한 고찰이 필요하다. 본 연구에서 사용된 주입재의 특성은 Rosquoet et al.
  • 따라서 FLUENT를 이용하여 JRC에 따른 그라우트 유동의 영향을 알아보기 위해 3 l/min를 주입할 때 요구되는 주입압을 계산하였다. 흐름 조건은 압력변동이 생기는 부정류(Transient flow) 상태로 가정하였다. 격자망의 우측 경계는 관의 출구로 압력조건을 “0”으로 경계조건(pressure outlet)을 설정하였으며, 주입부인 좌측의 경계 조건은 속도경계(velocity inlet) 조건(Table 3 참고)으로 하여 수치해석을 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
암반 내 그라우팅의 목적은? 암반 내 그라우팅은 지하수 유동성을 낮추거나 지반재료의 부착 강도를 높여 불안정한 지반상태를 안정적인 상태로 조성하는 목적으로 자주 사용된다. 특히 터널의 안정성 확보, 기초 보강, 지반보강 및 차수의 목적으로 공극 혹은 절리 등을 충전시켜 원재료간의 접착력을 높이며 원지반의 강도를 높여 지하수의 침투를 감소시키고 목적으로 사용된다.
GIN을 적용할 시 장비측정값과 실제 얻는 값이 달라서 사용하게 되는 것은? GIN에 적용되는 압력과 체적은 측정 가능한 물리적 계측값이며, 주입 시 그라우팅 펌프로부터 실시간으로 측정이 가능하다. 다만 장비에서 측정된 값과 실제 암반 내 주입 시 압력과 체적의 값은 상이하므로 이를 보정하기 위하여 손실계수를 사용하고 있다.
GIN은 무엇인가 , 1994). GIN은 그라우팅 과정에서 투입된 에너지의 개념으로서 주입단계에서의 압력과 그라우트재의 주입 체적의 곱으로 표현된다. GIN 개념을 적용함으로 인하여 그라우팅시 수압 파쇄(hydro fracturing) 혹은 들뜲(hydro jacking)의 발생 가능성을 최소화한다.
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참고문헌 (10)

  1. Cravero, M., Ferrero, A.M., Iabichino, G. (2001), "Evaluation of joint roughness and dilatancy of schistosity joints", Rock mechanics - a challenge for society Proceedings of Eurock 2001, Espoo Finland, 4-7 June 2001, pp. 217-223. 

  2. Han, S., Yea, G., Kim, H. (2014), "Improvement effects of cement grouting using vibration method through a field test", Journal of the Korea Geo-Environmental Society, Vol. 15, No. 5, pp. 23-29. 

  3. Jung, H.S., Han, J.K., Moon, J.S., Yoon, H.H. (2017), "Grouting performance for the reinforcement of operating railway roadbed", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 18, No. 12, pp. 13-23. 

  4. Kim, D.Y., Lee, H.S., Lee, S.J., Sim, B.K., Jung, J.H. (2014), "Case study on cut-off grouting for subsea tunnel construction using automated multi grouting system and grouting design software", Proceedings of the World Tunnel Congress 2014 - Tunnels for a better life Foz Do Iguacu, Brazil. 

  5. Park, I., Kim, D. (2017), "A study of field mixing ratio using bio-grouting injection material", Journal of the Korean Geosynthetics Society, Vol. 16, No. 2, pp. 47-54. 

  6. Park, S.Y., Shim, H.G., Kang, H.J., Lim, O.B., Sami, G.F., Kim, Y.S. (2017), "A study on hybrid grout material for reservoir embankment reinforcement", Journal of the Korean Geosynthetics Society, Vol. 16, No. 3, pp. 21-30. 

  7. Rosquoet, F., Alexis, A., Khelidj, A., Phelipot, A. (2003), "Experimental study of cement grout: Rheological behavior and sedimentation", Cement and Concrete Research, Vol. 33, No. 5, pp.713-722. 

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  8. Turcote, L., Savard, B., Lombardi, G., Jobin, H. (1994), "The use of stable grout and G.I.N. technique in grouting for dam rehabilitation", Annual Meeting Canadian Dam Safety Conference CSDA and CANCOLD Winnipeg, Manitoba, pp. 137-161. 

  9. Tse, R., Cruden, D. (1979), "Estimating joint roughness coefficient", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Vol. 16, No. 5, pp. 303-307. 

  10. Yang, Z.Y., Lo, S.C., Di, C.C. (2001), "Reassessing the joint roughness coefficient (JRC) estimation using $Z_2$ ", Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 34, No. 3, pp. 243-251. 

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