Numerical Modelling of the Stress Field and Failure Behaviour of Grouted Rocks

Abstract

Denne masteroppgaven undersøkte den forsterkende effekten fra injeksjon av bergprøvestykker som inneholder åpne sprekker av varierende lengde og fallvinkel, gjennom numerisk modellering. Til dette formålet ble to- og tredimensjonale numeriske simuleringer av prøvestykker som inneholder injiserte og ikke-injiserte sprekker utført i elementmetodeprogrammene Abaqus/Standard og RS2. Den numeriske modelleringen tok sikte på å etterprøve enaksielle trykkforsøk av injiserte og ikke-injiserte prøvestykker, som ble utført i laboratorium av Le et al. (2018). De numeriske modellene ble derfor oppbygd etter metodikkbeskrivelsen av de nevnte laboratorieforsøkene. Funnene antyder at injeksjon forbedrer styrken av berg som inneholder åpne sprekker. Videre er den forsterkende effekten mest tydelig for prøvestykkene som inneholder de lengste sprekkene, og for de prøvestykkene som inneholder sprekker rotert 75-90° fra kompresjonsaksen. Både litteratur og beregnede spenningsplott foreslår at spenningsreduksjon rundt sprekketuppen er en av mekanismene bak forsterkningseffekten. Et annet mål med oppgaven var å verifisere de numeriske modellene mot de tilgjengelige eksperimentelle resultatene fra Le et al. (2018). De numeriske og eksperimentelle resultatene stemmer godt basert på de følgende observasjonene: (1) Både de numeriske og eksperimentelle testene produserte strekkbrudd som initieres fra sprekketuppen og vokser parallelt med den påsatte lasten, og (2) de numeriske bruddelement-konturplottene og de eksperimentelle sprekkemønstrene viser kvalitativt lignende bruddmoduser. To sprekketyper som ble observert i laboratorieforsøkene, forekommer likevel ikke i de todimensjonale numeriske analysene. Dette gjelder en sprekketype som åpnes i strekkmodus og utvikles fra midtområdet på injiserte preeksisterende sprekker, samt en sprekketype som opptrer som skjærbrudd langs berg-mørtel-grenseflaten til injiserte preeksisterende sprekker. Derfor foreslås det at videre tre-dimensjonale numeriske analyser, der sprekkeflaten modelleres med overflateelementer, utføres i fremtidig forskning.

This study investigated the strengthening effects from grouting of rock specimens containing flaws of varying length and dip angle via numerical modelling. For this purpose, two- and three-dimensional numerical simulations of rock specimens containing grouted and non-grouted flaws were carried out in the finite element method (FEM) programs Abaqus/Standard and RS2. The basis for the numerical model design was the methodology behind experimental uniaxial compression tests of grouted rocks performed by Le et al. (2018). The findings suggest that grouting improves the strength of rocks containing open flaws. Moreover, the grout reinforcement effect is most pronounced for specimens containing the longest flaws and for specimens containing flaws that are rotated 75-90° from the loading axis. Both literature and the computed stress plots suggest that stress reduction around the flaw tip is one mechanism behind the grout reinforcement effect. Another aim of the current study was to verify the numerical models against the available lab results from Le et al. (2018). The numerical and experimental results show good agreement based on the following observations: (1) both the numerical and experimental tests produced tensile cracks initiating from the flaw tip and growing parallel to the applied load and (2) the numerical yielded elements contour plots and experimental crack patterns qualitatively show similar failure modes. However, two crack types that were observed in lab tests of grouted specimens — a tensile crack originating from the middle-area of the grouted flaw and a shear crack initiating from the rock-grout interface — do not occur in the 2D numerical models. This thesis therefore suggests that further three-dimensional finite element analyses — where the flaw boundary is modelled with interface elements — are carried out.