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절리 거칠기와 간극 변화에 따른 그라우트 유동과 주입압에 관한 수치해석적 연구
Numerical Analysis of Grout Flow and Injection Pressure Affected by Joint Roughness and Aperture

전기환    (서울대학교 에너지시스템공학부   ); 류동우    (한국지질자원연구원 지구환경연구본부   ); 김형목    (한국지질자원연구원 지구환경연구본부   ); 박의섭    (한국지질자원연구원 지구환경연구본부   ); 송재준    (서울대학교 에너지시스템공학부  );
  • 초록

    그라우팅 공법은 지하 내 구조물을 건설 시 유입되는 지하수를 억제하거나 암반의 강도를 증대시킬 목적으로 널리 이용되는 암반 개량공의 일종이다. 암반 내 불연속면을 따라 유동하는 그라우트의 유동 특성을 파악하는 것은 이러한 그라우팅 설계 및 그 효과를 예측하는데 필수적이다. 기존의 그라우트 유동 연구에서 그라우트 유동을 층류 유동으로 가정해 왔으나, 마이크로 스케일의 간극을 가지는 좁은 절리 틈새 내에서의유체 유동은 절리 거칠기의 영향을 받아 유동의 속도 단면이 거칠기 부분에서 변하기 때문에 일반적인 층류유동으로 모사하는 데 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 거칠기를 가지는 절리 내의 그라우트 유동에 절리 거칠기와 간극이 미치는 영향을 수치해석을 이용하여 조사하였다. 수치해석을 위해 전산유체유동해석 코드인 FLUENT 코드를 이용하였으며 FLUENT 코드에서 제공하는 Herschel-Bulkely 모델과 VOF(volume of fluid) 모델을 적용하여 물과 공기로 채워진 좁은 절리 틈새 내의 그라우트 유동을 모사하였다. 모사된 결과를 그라우트 유동을 위해 제시된 분석해와 기존의 실험실 그라우트 주입 실험 결과와 비교하여 FLUENT 코드의 적합성을 검증하였다. JRC와 간극 변화에 따라 일정 그라우트 주입량 유지에 필요한 주입압을 계산함으로써 마이크로 스케일의 절리 틈새 내 그라우트 유동시 채널 벽면의 거칠기 및 채널 간극의 영향을 정량화하였다.


    Grouting technology is one of the ground improvement methods used in water controlling and reinforcement of rock mass in underground structure construction. It is necessarily required to find out the characteristics of grout flow through discontinuities in a rock mass for an adequate grout design and performance assessment. Laminar flow is not always applicable in simulating a grout flow in a rock mass, since the rock joints usually have apertures at a micro-scale and the flow through these joints is affected by the joint roughness and the velocity profile of the flow changes partially near the roughness. Thus, the influence of joint roughness and aperture on the grout flow in rough rock joint was numerically investigated in this study. The commercial computational fluid dynamics code, FLUENT, was applied for this purpose. The computed results by embedded Herschel-Bulkley model and VOF (volume of fluid) model, which are applicable to simulate grout flow in a narrow rock joint that is filled with air and water, were well compared with that of analytical results and previously published laboratory test for the verification. The injection pressure required to keep constant injection rate of grout was calculated in a variety of Joint Roughness Coefficient (JRC) and aperture conditions, and the effect of joint roughness and aperture on grout flow were quantified.


  • 주제어

    그라우트 주입압 .   마이크로 채널 .   간극 .   거칠기.  

  • 참고문헌 (15)

    1. Barton, N. and V. Choubey, 1977, The shear strength of rock joints in theory and practice, Rock Mechanics, 10, pp. 1-54. 
    2. Cravero, M., G. Iabichino and A.M. Ferrero, 2001, Evaluation of joint roughness and dilatancy of schistosity joints, Rock mechanics - a Challenge for Society, Sarkka & Eloranta(eds), Swets & Zeitlinger Lisse, pp. 217-222. 
    3. Engin, T., U. Dogruer, C. Evrensel, S. Heavin and F. Gordaninejad, 2004, Effect of wall roughness on laminar flow on Bingham plastic fluids through microtubes, Transaction of the American Society of Mechanical Engineers, 12, pp. 880-883. 
    4. Eriksson, M., 2002, Prediction of grout spread and sealing effect, KTH, Civil and Architectural Engineering, Ph.D. Thesis, pp. 35-45. 
    5. FLUENT 12.0 User's guide, 2009, Ansys Inc., ISO 9001:2008. 
    6. Gertzos, K.P., P.G. Nikplakopoulos and C.A. Papadopoulos, 2008, CFD analysis of journal bearing hydrodynamic lubrication by Bingham lubricant, Tribology International, 41.12, pp. 1190-1204. 
    7. Gustafson, G. and H. Stille, 1996, Prediction of groutability from grout properties and hydrogeological data, Tunnelling and Underground Space Technology, 11.3, pp. 325-332. 
    8. Hakansson, U., L. Hassler and H. Stille, 1992, Rheological properties of microfine cement grouts, Tunnelling and Underground Space Technology, 7.4, pp. 453-458. 
    9. Hassler, L., U. Hakansson and H. Stille, 1992, Classification of jointed rock with emphasis on grouting, Tunnelling and Underground Space Technology, 7.4, pp. 447-452. 
    10. Myers, N.O., 1962, Characterization of surface roughness, Engineering Department, Engineering Research Division, Mechanical Research Laboratory, E. I. du Pont de ATemows and Co., Inc., Wilmington, Del. (U.S.A.), pp. 182-189. 
    11. Tse, R. and D.M. Cruden, 1979, Estimating joint roughness coefficients, International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, 16.5, pp. 303-307. 
    12. Kobayashi, S., H. Stille, G. Gustafson and B. Stille, 2008, Real time grouting control method, Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co., pp. 10-14. 
    13. Nazridoust, K., G. Ahmadi and D.H. Smith, 2006, A new friction factor correlation for laminar, single-phase flows through rock fractures, Journal of Hydrology, 329.1-2, pp. 315-328. 
    14. Warner, J., 2004, Practical handbook of grouting - Soil, Rock, and Structures, John Wiley & Sons, Inc, pp. 15-17. 
    15. Barton, N. and Eda F. de Quadros, 1997, Joint aperture and roughness in the prediction of flow and groutability of rock mass, International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, 34. pp. 3-4. 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (3)

    1. Hwang, Chul-Sung 2011. "Damage Analysis of Underpass Columns by LW Grouting" 한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, 11(5): 75~82     
    2. Lee, Jong-Hwi ; Chun, Byung-Sik 2011. "A Study on Numerical Technique of the Hardened Grout Formed by Grouting" 韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, 27(6): 27~37     
    3. Jeoung, Jae-Hyeung ; Hwang, Sung-Pil ; Lee, Ju-Hyung ; Lee, Tae-Hyung 2016. "The study on Evaluation of Injection Performance in Micro Crack Depending on Viscosity of Grouting Material" 한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, 16(5): 239~245     

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