The increasing need for watertight underground works, such as tunnel excavations, has sparked an interest in a number of research studies with grout penetrability being the focus. The research has so far contributed to a deeper understanding regarding the assessment of a successful grouting operation from different perspectives such as choice of equipment, material properties, phase planning and performance.  It is well established that several crucial factors influence the penetrability of grouts with pressure type and magnitude being two of them. Researchers have examined this issue from different perspectives and with different instruments. Previous research has shown that the increase of pressure has yielded better grout penetration both in the laboratory and the field. According to studies that dealt with dynamic pressure application, superimposed oscillatory pressure of high frequency resulted in grouts with decreased viscosity and better penetration. However, there is still need for further investigation in terms of lower frequencies, different pressure profiles and magnitudes and possible alternatives regarding the filtration and erosion mechanism. The present study aims to examine the penetrability of grouts under dynamic conditions of predefined peak and rest pressure intervals with frequencies lower than 0.5 Hz. The mechanism of action assumes active decomposition of any partially built plug in the vicinity of a narrowing in a rock fracture caused by the change in flow type before the constriction. The chosen method included the development of a laboratory grout injection system with a pneumatic valve and a pressure control rig. Tests were performed with both constant and varying pressure utilizing different periods of peak and rest intervals. The results showed an overall improvement of penetrability under dynamic conditions compared to the static. The decrease in peak – rest durations from [2 – 2] to [4 – 8] s yielded almost 11 times more material penetrating the 30μm aperture size.  The developed method utilized a pneumatic injection system which culminated in better penetration when tuned at [2 – 2] s of [peak – rest] durations with specific material properties. This study presents an indication that further research towards the direction of dynamic pressure application could be proven beneficial in the grouting industry.

Rock grouting is an effective technique frequently used in rock engineering to reduce  groundwater ingress and increase the stability of surrounding rock mass. The real time grouting control (RTGC) is one of widely used  analytical models to predict the grouting process. In previous research, this method was discussed under constant pressure condition. However, in practice, the injection is not always constant. The effect of variable injection pressure was not fully discussed. In this study,  a 2D radial single-phase flow model is applied to describe the rock grouting process. The model  is solved using numerical integration to incorporate variable injection pressure. The sensitivity of the model is reviewed afterward. In this paper, the dynamic grouting technique is analyzed using the new model. Field data from three rock engineering projects are compared with the model prediction to assess the performance of the model. The results from  the traditional  RTGC  method  are  compared with the model prediction.  The results show that  modeling prediction using variable injection  pressure condition significantly differs from that using constant injection pressure.  Moreover, time-variable model which is an extended version of the traditional RTGC theory shows a slightly better prediction when compared with recorded data and RTGC result. It also can be concluded that dynamic grouting could improve grouting performance from an analytical perspective. In the end, this research would result in an effective tool for further study in this field. / Berginjektering är en effektiv teknik som ofta används inom bergteknik för att minska grundvatteninträngning och öka stabiliteten hos omgivande bergmassa. The real time grouitng control (RTGC) är en av de mycket använda analytiska modellerna för att förutsäga injekteringsprocessen. I tidigare forskning har denna metod diskuterats under konstant tryck. Men i praktiken är injektionen inte alltid konstant. Effekten av variabelt insprutningstryck diskuterades inte fullständigt. I denna studie används en 2D radiell enfasflödesmodell för att beskriva berginjekteringsprocessen. Modellen löses med hjälp av numerisk integration för att införliva variabelt insprutningstryck. Modellens känslighet granskas efteråt. I denna artikel analyseras den dynamiska injekteringstekniken med den nya modellen. Fältdata från tre bergtekniska projekt jämförs med modellprognosen för att bedöma modellens prestanda. Resultaten från den traditionella RTGC-metoden jämförs med modellprognosen. Resultaten visar att modelleringsförutsägelse med användning av variabelt insprutningstrycksvillkor avsevärt skiljer sig från det som använder konstant insprutningstryck. Dessutom visar tidsvariabel modell, som är en utökad version av den traditionella RTGC-teorin, en något bättre förutsägelse jämfört med registrerade data och RTGC-resultat. Man kan också dra slutsatsen att dynamisk injektering skulle kunna förbättra injekteringsprestandan ur ett analytiskt perspektiv. I slutändan skulle denna forskning resultera i ett effektivt verktyg för vidare studier inom detta område.

Dynamic grouting in rock mass has been studied since 1985 while desired penetration in rock masses with fine fractures is still a challenge because of uncertainty and complexity in the grouting process. This has attracted the attention of researchers in different countries and regions, especially in some Nordic countries such as Sweden. This study presents a comprehensive review of grouting relevant research, including factors that influence penetration, different evaluation systems (equipment, and methods), and a variety of grouting techniques. Filtration as the main obstacle is a tendency that particles of suspensions would gradually separate from the flow and block the flow path. Hence, the effects of various factors on filtration are discussed in detail based on previous research and experiments. Factors such as temperature, grain size, and w/c ratio were found to have a dominant influence on filtration stability and rheology. This means rheology and filtration are highly coupled and brings more difficulties in penetration investigation with dynamic grouting. Therefore, the influence of each factor on rheology and filtration was discussed to help with the understanding of the mechanism in different grouting techniques. Then a review of dynamic grouting methods from 1985 is made in chronological order to find the limitations on existing equipment and evaluation methods. Even it is difficult to conclude the most efficient grouting method in micro-fractures without the quantitative comparison of efficiency, this review paves the way to a more systematic exploration of novel grouting equipment and techniques. Meanwhile, a contradiction regarding the influence of high-frequency oscillatory pressure on viscosity was revealed. Rather than rapid dissipation of pressure in the slots, the thermal effect caused by high-frequency oscillatory grouting is introduced to explain its adverse impact on penetration in fractures (250 and 100μm). The potential reason is the faster hydration of grouts resulted from the increased temperature and the speed of molecular motion. In the end, by evaluating the benefits from different combinations of grouting methods. It was found that the ultrasound dispersing method along with low-frequency rectangular pressure impulse would contribute to the rheology and filtration stability in the mixing and grouting phase respectively. With the application of CDF simulation, this proposal and the assumption of the thermal effect of high-frequency oscillatory pressure can be better verified in future research. / Dynamisk injektering i bergmassa har studerats sedan 1985. Önskad tätning av bergmassor med fina sprickor är dock fortfarande en utmaning på grund av osäkerhet och komplexitet i injekteringsprocessen. Detta har uppmärksammats av forskare i olika länder och regioner, särskilt i nordiska länder såsom Sverige. Denna studie presenterar en omfattande granskning av relevant forskning, inklusive faktorer som påverkar penetration, olika utvärderingssystem (utrustning och metoder) och en mängd olika injekteringstekniker. Filtrering som ett huvudsakligt hinder är en tendens att partiklar av cementsuspensioner gradvis separerar och blockerar flödesbanan, främst i små sprickor. Därför diskuteras effekterna av olika faktorer på filtrering i detalj baserat på tidigare forskning och experiment. Faktorer som temperatur, kornstorlek och vattencementtal har en dominerande påverkan på filtreringsstabilitet och reologi. Detta innebär att reologi och filtrering är starkt kopplade och medför fler svårigheter vid injektering. Därför diskuteras varje faktors påverkan på reologi och filtrering för att hjälpa till att förstå mekanismen i olika injekteringstekniker. Därefter görs en översyn av dynamiska injekteringsmetoder från 1985 i kronologisk ordning för att hitta begränsningarna för befintlig utrustning och utvärderingsmetoder. Även om det är svårt att avgöra den mest effektiva injekteringsmetoden vid mikrofrakturer, utan den kvantitativa jämförelsen av effektivitet, banar denna översyn vägen för en mer systematisk studie av ny injekteringsutrustning och teknik. Samtidigt påvisades en motsättning angående påverkan av högfrekvent oscillerande tryck på viskositeten. I stället för en snabb tryckförlust i sprickor introduceras den termiska effekten som orsakas av högfrekvent oscillerande injektering för att förklara dess negativa inverkan på penetration i tunna sprickor (250 och 100μm). Den potentiella orsaken är den snabbare hydratiseringen av injekteringsmedel som beror på den ökade temperaturen och hastigheten på molekylär rörelse. Genom att i slutändan utvärdera fördelarna med olika kombinationer av injekteringsmetoder. Det har visat sig att metoden med ultraljud för att dispergera injekteringsbruket tillsammans med lågfrekvent rektangulär tryckimpuls påverkar reologin och filtreringsstabiliteten i blandnings- och injekteringsfasen. Med tillämpningen av CDF-simulering kan antagandet om den termiska effekten av högfrekvent oscillerande tryck verifieras bättre i framtida forskning.

An essential demand in any underground facility is to seal it against the water ingress to reduce the time and cost of the construction and the corresponding environmental hazards. To achieve this, obtaining sufficient grout spread is of great importance. Among the grouts, cement grouts with lower costs and environmental issues have been more reliable, whereas their main problem is filtration that restricts the grout spread. Several investigations have been therefore aimed to develop instruments to measure the grout penetrability as a fundamental means to improve the grout spread. Due to the difference in assumptions, limitations, and test conditions, and the deficiency in design their results are occasionally in contradiction. The question here is how to measure the grout penetrability more realistic? To answer this, two of the most frequently used instruments, Filter pump and Penetrability meter, were adjusted to approach the test conditions in Short slot. The results were discussed with respect to the origins of contradictions to better evaluate the reliability and functionality of the instruments. Among the influencing parameters on grout spread, applied pressure is a key element. The stepwise pressure increment is the method currently used to improve the grout spread in rock. Application of dynamic grouting has been studied as a solution to improve the grout spread for almost three decades. Despite some promising results, the method has not been yet industrialized due to the limited efficiency and issues in the type and frequency of the applied pressure, and the geometry of the test equipment. Therefore, finding a more efficient alternative of the applied pressure was the second goal of this study. A pneumatic pressure control system was consequently employed to examine the efficiency of the method in Short slot. The results conclusively revealed the effectiveness of the method and provided a strong basis for further development of the dynamic grouting. / Ett viktigt krav när man bygger under mark är att konstruktionen blir tillräckligt tät, så att inläckage av grundvatten minimeras. Detta minskar både projektkostnaden och eventuell miljöpåverkan. För att skapa en tät konstruktion måste injekteringsbruket spridas tillräckligt i bergmassan. Kemiska injekteringsmedel har ofta bättre spridning i bergmassan än cementbaserade bruk, men cementbaserade bruk är både billigare och ger mindre miljöpåverkan. Det finns dock en del problem med cementbaserade bruk, nämligen att cementpartiklarna filtreras och att brukets reologiska egenskaper begränsar brukets utbredning. Ett antal studier har därför utförts för att studera dessa egenskaper hos cementbaserade bruk och utveckla metoder och instrument för att mäta brukets inträngningsförmåga. Detta i syfte att förbättra brukets utbredning. Dagens metoder och instrument ger nämligen ibland motsägelsefulla resultat på grund av de olika antaganden, begränsningar och förutsättningar som används i de olika testerna. Huvudfrågan är alltså hur man kan mäta brukets inträngningsförmåga på ett mer realistiskt sätt. För att undersöka detta modifierades två vanliga mätinstrument – filterpumpen och filterpressen – för att passa förhållandena i testanordningen Short slot. Resultaten diskuterades med avseende på olika typer av skillnader mellan metoderna i syfte att utröna dels vad som påverkar inträngningsförmågan, dels instrumentens tillförlitlighet och funktionalitet. Bland de parametrar som påverkar brukets spridning i bergmassan har injekteringstrycket en central roll. I dagsläget används stegvis tryckökning för att förbättra brukets spridning i sprickigt, hårt berg. Hur man kan använda dynamisk injektering för att förbättra brukets spridning har dock undersökts under snart tre decennier. Trots lovande resultat av denna metod ännu inte börjat användas i praktiken. Ett problem är svårigheten att ta försök på labb till fältmässiga förhållanden. Ett exempel är att man använde ett tryck som varierade med hög frekvens i en spricka som modellerades med två parallella skivor utan förträngningar, vilket är mycket annorlunda jämförelse med en riktig bergspricka. I modellen blir nämligen brukets spridning starkt beroende av brukets reologiska egenskaper, medan det snarare är filtrering som är problemet i en naturlig spricka på grund av förträngningarna. Dessutom fokuserade tidigare studier endast på sprickor med en sprickvidd större än 100 μm, trots att god spridning av bruket även i de smala sprickorna med mindre än 70 μm bredd är mycket viktigt när det är höga krav på anläggningens täthet. Ett annat mål med denna licentiatuppsats var därför att hitta nya sätt att förbättra brukets spridning i berget. Därför övervakades trycket med ett pneumatiskt kontrollsystem vid tester i Short slot för att studera hur effektiv denna metod är under mer realistiska förhållanden med förträngningar på mindre än 70 μm. Resultaten visade att metoden är effektiv, vilket utgör en bra bas för att fortsätta utveckla dynamisk injektering. / <p>QC 20160413</p>

In the past centuries, grouting has been one of the most common techniques in geotechnical engineering to strengthen and seal underground structures. Concerning increasing demands for tightness and cost efficiency, cement-based grout has been one the most frequent used materials. One of the first grouting operations is the work done by Charles Bérigny in France back in 1802 in order to repair a sluice by stabilizing the ground with liquid grout. Several studies have been then conducted in grouting, which have contributed into successful improvement of the grouting operations. The investigations have also extended the understanding of the factors such as choice of materials, choice of equipment, and the applied pressure type and magnitude, etc. that influencing the grout spread in rock fracture systems.   Among the factors, the applied pressure is one of the most significant ones influencing the spread of grout during grouting operations. Grouting at static pressure conditions is the most common method used in field, where in practice the injected grout can only penetrate into the rock fractures wider than 100 µm.   Recent investigations conducted on application of static and dynamic pressure conditions, using Short Slot and Varying Aperture Long Slot (VALS) in the lab have yielded an overall improvement of the grout spread under dynamic pressure conditions rather than the conventional static pressure conditions. However, the efforts conducted are just a beginning, especially in very fine micro factures smaller than 70 µm    The main objective of this investigation was therefore to improve the spread of grout by dynamic grouting into fractures smaller than 70 µm effectively, which could not be done with grouting at static pressure conditions.  Furthermore, the aim was to investigate filtration and erosion phenomena/ tendency of grout flow during static and dynamic pressure application using Varying Aperture Long Slot (VALS) in the lab. The durations of peak and rest periods used in the experiments were 2s/2s and 1s/5.5s, which were equivalent to 0.25 Hz and 0.15 Hz, respectively. The results of dynamic grouting showed up to 10 times improvement in the volume of passed grout through fracture apertures smaller than 70 µm. / Injektering är en av de vanligaste metoderna som använts för att förstärka och täta geotekniska konstruktioner. När det gäller ökande krav på täthet och kostnadseffektivitet har cementbaserade bruk varit ett populärt förbrukningsmaterial. Injektering användes förmodligen först av Charles Bérigny i en slussreparation i Frankrike under 1802 där marken stabiliserades med hjälp av flytande injekteringsmaterial. Flera studier har sedan dess utförts inom injekteringsteknik, vilket har bidragit till en framgångsrik förbättring av injekteringsoperationer. Dessa undersökningar har också utvidgat förståelsen av faktorer såsom materialegenskaper, val av utrustning, provprestanda, trycktyp och storhet som i sin tur påverkar brukets spridningsförmåga i bergets spricksystem.   Forskningen inom bergtätning fokuserar bland annat på att utveckla tillämpningen av statisk och dynamisk tryck vid injektering. Tillämpning av statiskt tryck är den vanligaste metoden för injektering ute i arbetsfält, där den injicerade bruket i praktiken endast kan tränga in i bergssprickor som är större än 100 μm.   De senaste undersökningarna med hjälp av Short Slot och Varying Aperture Long Slot (VALS) har visat en övergripande förbättring av inträngningen under dynamisk injektering jämfört med de konventionella statiska. Detta är bara en början och metoden behöver utvecklas mer, särskild för att åstadkomma bruksspridningen i mycket finare mikrosprickor, exempelvis sprickor mindre än 70 µm.   Syftet med detta arbete var att utveckla injekteringsmetoden där bruket kan tränga  i berg med sprickor mindre än 70 µm. Resultaten på de dynamiska tryckförhållanden visade att injekteringsbruket trängde bättre  i de smala sprickor  jämfört med de statiska tryckförhållanden. Upp till 10 gånger mer mängd av injekteringsbruk passerade sprickor med storlek mindre än 70 µm i VALS. Vidare har inloppsflödet och filtrerings- och erosionsfenomenen studerats med hjälp av laboratorieinstrumentet VALS. Varaktigheten av peak- och restperioder som användes i experimenten var 2s/2s och 1s 5.5s, vilka var ekvivalenta med 0.25 Hz respektive 0.15 Hz.