Grouting is an empirical constructional technique aimed to improve the physical properties of geological media for construction through the injection of grouts such as cement, resin or chemicals into the ground. Ground improvement by grouting can inferred by employing non-destructive geotechnical investigation techniques such as elastic wave measurements to infer the characteristics and behavior of the geological medium and assess its properties without damage or disturbance to nearby ground. Numerous on-site elastic wave measurements before and after grouting in dam sites have displayed a noted increase in P wave velocity and the effects of grouting on the parameters of the Q-system has been analyzed through empirical relationships (Barton, 2007). However, the effects of grouting on individual joint parameters has yet to be properly assessed and analyzed.
The properties of geological media are affected by the subjected strain levels and state of stress and for jointed rocks, the state of joints (roughness, filling material etc.) also significantly affect their mechanical characteristics. Jointed rocks display nonlinear behaviors above the linear threshold strain ($10^{-4} ~ 10^{-2}$), and this nonlinear behavior can be characterized using the shear modulus and damping ratio degradation curves. The dynamic properties of grouted soils has been well documented for a range of strain levels for various types of cementing agents. However, the effects of grouting on the dynamic properties of rocks has yet to be properly quantified due to the difficulties in modelling the geometry of rock joints and quantifying joint properties.
This dissertation focuses on the elastic wave propagation of grouted rock mass. The longitudinal and shear wave velocities of grouts and grouted rocks, as well as their strain-dependent shear modulus and damping ratio degradation curves at the nonlinear strain level were obtained through experimentation. Grouted rock specimens were tested for different axial loading levels, grout curing time, initial joint roughness and grouted joint thickness. The equivalent shear modulus of grouted rocks was modelled using the joint stiffness and grout properties and verified through experimental results. The findings of this study can be used to assess elastic wave propagation through grouted rocks and can be applied to elastic wave monitoring and safety analysis of underground structures.
최근 도시화와 산업발달로 인해 도심지 지하공간의 활용에 대한 관심이 높아지고 있다. 지하공간 개발 시, 단층 이나 파쇄대 등의 열악한 지반조건이 빈번히 나타나며 이로 인한 막장붕괴, 공기증가, 지하수유입 등의 문제점이 발생한다. 시공 전 열악한 지반을 보강하기 위해 그라우팅 공법이 자주 사용된다. 그라우팅은 안전한 시공과 지반의 변형성 및 강도를 개량할 목적으로 지반 내에 시멘트, 점토, 벤토나이트, 아스팔트, 약액 등의 그라우트 재를 주입하는 공법이다. 암반에서 그라우팅은 지반 내 단층, 파쇄대 등의 불연속면을 따라 흐르고 암반의 고결화, 지지력 증가 및 투수성 감소를 일으켜 안정한 시공을 도모한다. 그라우팅으로 인한 지반 물성 변화는 비파괴탐사 방법의 하나인 탄성파 탐사로 추론할 수 있으며 여러 현장 계측값으로부터 그라우팅으로 인한 P파 속도증가가 감지되었다. 그라우팅으로 인한 암반분류 변화는 Barton (2007)에 의해 추측되었다. 그러나, 그라우팅으로 인한 암반절리 인자의 변화는 아직 연구되어있지 않은 실정이다.
지반 물성은 응력과 변형률에 따라 다른 물성을 보이고 절리암반에선 절리의 거칠기나 충진재가 역학적 거동에 큰 영향을 미친다. $10^{-5}$ 이하의 미소변형률 영역에서 암반은 선형거동을 보이나, $10^{-4}~10^{-2}$ 범위 내의 중변형률 영역에서는 비선형 거동을 보이고 절리 암반의 변형률 의존적 거동은 변형률에 따른 전단탄성계수 및 감쇠비 특성으로 대표된다. 이러한 지반의 동적물성은 안정성 해석이나 내진해석 인자로 사용된다. 그라우팅 보강토사의 변형률 의존적 거동은 여러 그라우트 재와 점토, 모래 등 여러 골재조건에서 실험이 되었으나, 그라우팅 보강암반의 변형률 의존에 대한 연구는 절리조건 모사의 어려움으로 미비한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 그라우팅 보강암반의 탄성파 전달 특성과 변형률 의존적 거동을 파악하기 위해 QSRC 와 RMDT 장비를 이용하여 실내실험을 진행하였다. 그라우트 시편과 그라우팅 보강암반 시편을 제작하여 여러 응력 조건, 양생기간, 절리 거칠기 및 절리 두께 조건에 대해 실험하였다. 실험 결과에 따르면, 그라우팅으로 인한 고결과 절리 충진으로 인해 절리암반의 탄성파 속도가 증가하고, 변형률 의존적 거동은 그라우트의 물성을 따라가는 것을 확인할 수 있었다. 절리 거칠기의 경우, P파 전달에는 큰 영향을 안 미쳤으나 S파 전달을 지배함을 알 수 있었고, 절리 두께에 따라 서로 다른 탄성파 속도 및 변형률 의존적 거동을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 그라우팅 보강암반의 등가전단계수를 그라우팅된 절리강성과 탄성파 결과를 이용하여 모델을 구축하였다. 본 연구의 결과는 그라우팅으로 인한 암반지반의 물성 변화를 예측하고 초기 절리 조건에 따른 그라우팅 보강암반의 장기거동을 파악하는데 기여할 수 있을 것이라 예상된다.
