Construction activities are involved with improvement of soil where the building or structure is built on weak zone. Grouting is one of effective methods to enhance soil structure by hydraulic soil cracking and filling with grout materials. The weak zone can exist around tunnel excavation sites or foundations and among others, and can be improved by injecting grouting materials. The effect of grouting is to reduce the permeability of soil media to densify the week soil, and to fill up the voids with grouts. The grouted zone serves as stabilization areas adjacent to the tunnels and sealing against inflow. Naturally, the formation and development of hydraulic fracturing much depend on geologic factors, grouting materials and grouting process. It is necessary to figure out conditions and circumstances in which hydraulic fracture happens and the initiation and the propagation process of hydraulic fracturing in particulate materials. In order to do so, fracture characteristics must be considered and well studied. Main fracture types considered herein are "sheet" and "bulging" fractures. Another type of fracture is an intermediate type which plays as an intermediate role between them. This type is important because it is a reference to differentiate two types. The mechanisms that govern the formation of fractures are very important because we can control them if the behavior of fractures is well understood. Moreover, we need to study and control the factors that affect the hydraulic fracturing process. The main purpose of this thesis is to analyze and summarize influential factors in hydraulic fracturing that can affect the types of hydraulic fractures. A small-scale laboratory experimental model is suggested using the modified consolidometer. Base materials used in the tests are sandy soils. In experiments, several types of grouting materials are used for injection. After each test, the injected material is preserved and analyzed. Viscous fluids are grouted into the hole at a controlled flow rate. The parameters that affect the formation of fractures have reciprocal relationships. Charts representing these relationships are made and they are considered as a reference for small-scale consolidometer tests.
This study also proposes a tomography-based method for evaluating grouting performance after injection. Tomography is a convenient approach for solving the boundary measurement inverse problem of capturing discrete pixels and synthesizing these pixels into a unified image. Four arrays of eight electrodes are installed into modified consolidometer specimens to simulate in-situ crosshole resistivity testing. Sand is used as a base material and an epoxy is grouted into the specimens. Electromagnetic waves are used as a means of accumulating the physical properties of the specimens. Each measured electrical resistivity is considered as a discrete signal. The electrical resistivity distribution is calculated and optimized through an iterative modified least-squares inversion based on a forward solution of Coulomb and Gauss’s law equations. Results show that the electrical properties of an injected grout material and its location and size can be effectively estimated from a series of resistance measurements. We characterize the grouting performance in sandy soil and propose some recommendations for further study.
연약 지반에 대한 각종 구조물 시공 시 사전보강은 필수적이다. 그라우팅 기법은 지반 내의 균열을 유발하고 발생 균열 내에 그라우팅재를 주입하여 지반을 강화시키는 효과적인 공법이다. 연약지반은 터널 막장 주변, 구조물 기초 외에 다양하게 분포할 수 있으며, 그라우팅 기법을 통해 충분히 보강될 수 있다. 그라우팅 기법의 효과는 연약 지반의 공극을 그라우팅재로 채워 지반 전체의 투수계수를 낮추고, 강도를 증가시킴으로써 발현된다. 보강된 지반은 시공시 안정성과 차수성을 보장해준다. 그라우팅 기법 시 발생하는 수압 파쇄 형상은 각종 지반 물성치, 그라우팅재 종류, 그리고 그라우팅 공법에 따라 변한다. 따라서 이러한 각종 영향 요소들을 조절함으로써 흙과 같은 입자 매질에 대한 수압 파쇄의 형상과 파쇄대 확장 경향을 조절할 수 있다. 그러므로 수압 파쇄에 대한 원리가 잘 이해되어야 한다. 본 연구에서는 주로 판형과 원형 파쇄 형상을 고려하였다. 다른 형상은 두 형상의 중간 형태로 각각의 특성들을 공유하고 있다. 중간 형태는 판형과 원형을 구분하는 기준점이 되기 때문에 매우 중요하다. 수압 파쇄 형상을 결정하는 인자들에 대한 이해는, 형상 조절을 위해 매우 중요하다. 그러므로 이러한 인자들에 대한 이해도를 높이는 것이 그라우팅 시의 예상 주입 형상 예측의 신뢰성을 높이는데 큰 도움이 된다.
본 연구에서는 수압 파쇄에 영향을 미치는 각종 영향 인자들을 찾고, 각 인자들의 영향 정도를 평가하는데 주된 목적이 있다. 이를 위해 실내 압밀 시험기를 이용한 실내 실험 기법이 제안되었다. 기본 지반 재료는 사질토를 사용하였으며, 다양한 그라우팅재들이 실험에 이용되었다. 모든 실험 후에 각 그라우팅재의 형상에 대한 관찰과 분석이 수행되었다. 그라우팅재의 주입 유량은 압력계로 조절이 되었다. 파쇄 형상에 영향을 미치는 인자들은 상호간에 관계가 있다. 각종 그래프들을 통해서 상관관계를 도시하였으며, 이 상관관계들을 토대로 실내 실험에 대한 잣대를 제시하였다.
그라우팅 재 주입 후에는 전자기파를 이용한 토모그래피 기법이 적용되었다. 토모그래피 기법은 매질의 경계에서 이루어진 측정 결과를 토대로 매질 내부 전체에 대한 관심 변수의 상대적 크기 분포를 영상화하는 편리한 해석 기법이다. 8개의 전극으로 이루어진 열 4개를 압밀 실험기에 삽입 되어 현장 상태의 크로스홀 기법을 실내에서 재현하였다. 매질로는 사질토가 이용되었으며, 그라우팅재로는 에폭시가 사용되었다. 전자기파는 통과하는 매질의 물리적 성질에 대한 정보를 담고 있다. 여기서 측정된 저항 값 자체는 하나의 획득된 고유 신호로 간주된다. 매질의 저항 값 분포 경향은 쿨롱 법칙, 가우스 법칙을 적용하고, 에러를 최소화하는 최소자승법을 통해 도출 되었다. 해석 결과는 전자기파를 이용한 토모그래피 기법이 주입된 그라우팅 재의 위치와 크기를 평가하는데 매우 유용함을 보여주고 있다. 결과적으로 본 연구에서는 사질토에서의 각종 그라이팅 기법의 형상 및 수압 파쇄에 미치는 각종 영향 인자들에 대한 실험적 연구를 수행하였으며, 도출된 결과를 바탕으로 향후 연구 목표를 제시하였다.
