Numerical Modelling of Fully Grouted Rock Bolts using a 2D Finite Element Method

ABSTRACT: Rock bolts are one of the primary underground support systems utilized to stabilize the rock mass surrounding the opening of an excavation by transferring the load from the surrounding rock to the more stable rock mass further from the excavation. Modelling fully grouted rock bolts has been the focus of many researchers due to the difficulties associated with capturing the interaction mechanism(s) concerning the interface between the rebar and the grout as well as the grout and the rock at the micro-scale. In this paper, two-dimensional (2D) numerical simulations have been conducted in order to model the behaviour of fully grouted rock bolts (FGRBs) during axial pullout tests. Joint parameters of the rebar-grout interface (i.e. shear stiffness, normal stiffness and cohesion) are investigated as well as grout parameters (i.e. Poisson’s ratio and Young’s modulus) in terms of the influence on the rock bolt behaviour. The results indicate that the Young’s modulus of the grout and joint shear stiffness have significant influences on the overall behaviour and performance of the FGRB system. On the basis of these results, the upper and lower limit of strain distribution along with the rock bolt is determined. These results are also compared to the nominally identical axial pullout tests of rock bolts that have been conducted in the laboratory as part of the physical testing components of the overall research program.

RÉSUMÉ: Les boulons d'ancrage sont l'un des principaux systèmes de souterrain utilisés pour stabiliser la masse rocheuse entourant l'ouverture d'une excavation en transférant la charge de la roche environnante vers la masse rocheuse plus stable plus loin de l'excavation. La modélisation de boulons de roche entièrement jointoyés a été au centre de nombreux chercheurs en raison des difficultés associées à la capture du ou des mécanismes d'interaction concernant l'interface entre les barres d'armature et le coulis ainsi que le coulis et la roche à la micro-échelle. Dans cet article, des simulations numériques bidimensionnelles (2D) ont été menées afin de modéliser le comportement des boulons de roche entièrement injectés (FGRB) lors d'essais de retrait axial. Les paramètres communs de l'interface barres d'armature (c.-à-d. La rigidité au cisaillement, la rigidité et la cohésion normales) sont étudiés ainsi que les paramètres du coulis (c.-à-d. Le coefficient de Poisson et le module d'Young) en termes d'influence sur le comportement du boulon d'ancrage. Les résultats indiquent que le module d’Young du coulis et la rigidité au cisaillement des joints ont une influence significative sur le comportement et les performances globales du système FGRB. Sur la base de ces résultats, la limite supérieure et inférieure de la distribution des déformations avec le boulon d'ancrage a été déterminée. Ces résultats sont également comparés à des essais de retrait axial des boulons d'ancrage nominalement identiques qui ont été menés en laboratoire dans le cadre des éléments d'essai physique du programme de recherche global.