АНКЕР Российский патент 2007 года по МПК E21D21/00 

Изобретение относится к креплению грунтов и горных выработок, в частности к анкерной крепи, выполненной из композитов на основе армирующего волокнистого материала и полимерного связующего, и может быть использовано в наземном и подземном строительстве и горном деле.

Одним из подходов к усовершенствованию конструкций анкеров с композитными стержнями является их универсализация с целью получения возможности использования в различных условиях применения.

Известен анкер, содержащий стержень, включающий отдельные, непрерывные по длине, ориентированные вдоль его продольной оси элементы из армирующего волокнистого материала, связанные фиксирующим материалом (SU авт. св. 540047, МПК⁵ Е21D 21/00, опубл. 25.12.1976, бюл. №47).

Известный анкер обладает недостаточной несущей способностью, т.к. конструктивно оформляется в шпуре, где фиксирующий материал распределяется произвольно с образованием пустот, не обеспечивая качественную пропитку волокнистого армирующего материала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является анкер с композитным стержнем, состоящим из отдельных, непрерывных по длине, ориентированных вдоль его продольной оси элементов, связанных, по меньшей мере, одним фиксирующим элементом (SU авт. св. 1321828, МПК⁴ Е21D 21/00, опубл. 07.07.1987, бюл. №25).

Известный анкер обладает недостаточной несущей способностью из-за локальности скрепления его отдельных композитных элементов фиксирующим элементом (каркасом). Отсутствие внутренней опоры для упомянутых элементов делает анкер уязвимым для сминающих и изгибающих нагрузок. Область применения известного анкера ограничена его несущей способностью.

Анкер по SU авт. св. 1321828 выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Техническая задача, которая была поставлена при создании изобретения, заключалась в разработке такого анкера, конструкция которого позволяла бы выдерживать условия закрепления широкого спектра грунтов: от неустойчивых до скальных.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении несущей способности анкера и в расширении его эксплуатационных возможностей.

Для решения поставленной технической задачи в анкере, содержащем стержень, состоящий из отдельных, непрерывных по длине, ориентированных вдоль его продольной оси композитных элементов, выполненных из армирующего волокна и полимерного связующего, связанных, по меньшей мере, одним фиксирующим элементом, согласно изобретению фиксирующий элемент выполнен в виде обоймы, композитные элементы выполнены сплошными или полыми, размещены в обойме с плотным прилеганием к ней и друг к другу и стянуты ею, при этом объемное содержание армирующего волокна в композитных элементах составляет 60-80% при толщине волокон 9-25 мкм, а общая площадь поперечного сечения упомянутых элементов составляет 60-99% от площади поперечного сечения внутренней полости обоймы, при этом в частных случаях выполнения изобретения композитные элементы выполнены с сечением по форме круга, многоугольника, кольца или сектора кольца; в качестве армирующего волокна композитных элементов использовано стеклянное, базальтовое, угольное, органическое волокно или их комбинация, а в качестве полимерного связующего - композиция на основе полиэфирной, эпоксидной, винилэфирной, полиуретановой смол или их комбинация; композитные элементы имеют наружное защитное покрытие; обойма выполнена из переплетающихся и/или пересекающихся волокон или нитей преимущественно в виде ткани, холста или мата; обойма выполнена из однонаправленных волокон или нитей; обойма выполнена из композита на основе стеклянных и/или базальтовых волокон и полимерного связующего; обойма имеет наружное защитное покрытие; обойма выполнена непрерывной или прерывистой по длине; шесть композитных элементов с сечением по форме сектора кольца размещены в обойме с образованием стержня с центральным сквозным каналом; шесть композитных элементов с сечением по форме круга размещены в обойме вокруг одного аналогичного центрального с образованием стержня сплошного сечения; композитные элементы, с сечением по форме сектора кольца, размещены в обойме, по меньшей мере, в два слоя вокруг одного по форме круга или кольца; композитные элементы выполнены с продольными выступами и/или впадинами для взаимной фиксации в обойме; композитные элементы расположены по всей длине стержня по винтовым линиям; композитные элементы размещены в обойме, по меньшей мере, в два слоя и расположены по винтовым линиям с противоположной закрученностью от слоя к слою.

Отличительными от прототипа признаками заявленного анкера являются следующие:

(а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:

- выполнение фиксирующего элемента в виде обоймы,

- выполнение композитных элементов сплошными или полыми,

- размещение композитных элементов в обойме с плотным прилеганием к ней и друг к другу,

- стянутость композитных элементов обоймой,

- объемное содержание армирующего волокна, содержащегося во всех композитных элементах, составляющее 60-80% при толщине волокон 9-25 мкм,

- общая площадь поперечного сечения упомянутых элементов, составляющая 60-99% от площади поперечного сечения внутренней полости обоймы,

(б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- выполнение композитных элементов с сечением по форме круга, многоугольника, кольца или сектора кольца,

- использование в качестве армирующего волокна для композитных элементов стеклянного, базальтового, угольного, органического волокна или их комбинации, а в качестве полимерного связующего - композиции на основе полиэфирной, эпоксидной, винилэфирной, полиуретановой смол или их комбинации,

- наличие наружного защитного покрытия на композитных элементах,

- выполнение обоймы из переплетающихся и/или пересекающихся волокон или нитей преимущественно в виде ткани, холста или мата,

- выполнение обоймы из однонаправленных волокон или нитей,

- выполнение обоймы из композита на основе стеклянных и/или базальтовых волокон и полимерного связующего,

- наличие наружного защитного покрытия на обойме,

- выполнение обоймы непрерывной или прерывистой по длине,

- размещение шести композитных элементов с сечением по форме сектора кольца в обойме с образованием стержня с центральным сквозным каналом,

- размещение шести композитных элементов с сечением по форме круга в обойме вокруг одного аналогичного центрального с образованием стержня сплошного сечения;

- размещение композитных элементов с сечением по форме сектора кольца в обойме, по меньшей мере, в два слоя вокруг одного по форме круга или кольца;

- выполнение композитных элементов с продольными выступами и/или впадинами для взаимной фиксации в обойме;

- расположение композитных элементов по всей длине стержня по винтовым линиям;

- размещение композитных элементов в обойме, по меньшей мере, в два слоя с расположением по винтовым линиям с противоположной закрученностью от слоя к слою.

Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».

Заявленный анкер предоставляет возможность выбора его компоновки и получения конструкции с запасом прочностных характеристик и с повышенной несущей способностью для заданных условий.

Особенностью композитных изделий является одновременное формирование материала изделия и самого изделия, поэтому при создании из выбранных исходных материалов (армирующего волокна и полимерного связующего) конструкции композитных элементов стержня анкера закладывают все необходимые параметры как прочностные, так и геометрические для заданных условий применения и выбранного метода закрепления анкера.

Интервал значений для объемного содержания армирующего волокна в композитных элементах, составляющий 60-80% (остальное - полимерное связующее), был выведен экспериментальным путем с учетом толщины отдельных армирующих волокон, составляющей 9-25 мкм. Приведенный интервал означает, что при объемном содержании волокна ниже 60% прочностные характеристики стержня, а с ними и несущая способность анкера будут снижаться из-за избытка связующего, а при объемном содержании волокна более 80% то же самое произойдет из-за недостатка связующего.

Использование закрученных элементов позволяет изменять деформативность стержня анкера без изменения его прочностных характеристик.

Готовые композитные элементы размещают с плотным прилеганием их друг другу в стягивающей их обойме. Обойма может быть выполнена как из сухого (не пропитанного связующим) материала, так и из композита. Она может быть непрерывной по длине стержня или состоять из двух или нескольких частей.

Общая площадь поперечного сечения композитных элементов в стержне анкера должна составлять 60-99% от площади поперечного сечения внутренней полости обоймы, что также было определено экспериментальным путем.

Анкер, при необходимости, может иметь наконечник и элемент, фиксирующий его положение в шпуре. В качестве последнего может быть выполненный из композита или другого пригодного для этой цели материала клиновой элемент или цанговая втулка с затяжной гайкой.

Заявленное изобретение позволяет применять различные методы закрепления анкера в шпуре благодаря возможности выполнения его стержня сплошным (для закрепления с помощью предварительно изготовленных патронов с ампулами) или с центральным сквозным каналом (для закрепления инъекционным методом).

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 представлен заявленный анкер, общий вид, на фиг.2 - тот же анкер, поперечный разрез, на фиг. 3 показаны поперечные сечения стержней других вариантов анкера.

Анкер состоит из стержня 1 (фиг.1) с наконечником 2 в его головной части и с цанговой втулкой 3, имеющей затяжную гайку 4, в хвостовой части.

Стержень 1 выполнен с центральным сквозным каналом 5 и состоит из обоймы 6 и семи отдельных, непрерывных по его длине, ориентированных вдоль его продольной оси О композитных элементов 7. Шесть элементов 7 выполнены сплошными, имеющими сечение по форме круга, а один - полым, имеющим сечение по форме кольца. Сплошные элементы 7 размещены в обойме 6 вокруг одного полого, формирующего центральный сквозной канал 5 стержня 1 с плотным прилеганием друг к другу и к обойме 6. Элементы 7 с некоторыми другими возможными поперечными сечениями показаны на фиг.3 (а, б, в, г, д, е).

Элементы 7 стержня 1 выполнены из эпоксидного базальтопластика с объемным содержанием базальтового волокна 65% при толщине волокон 9 мкм. Обойма 6 выполнена из базальтовой ткани.

Общая площадь поперечного сечения элементов 7 составляет 75% от площади поперечного сечения внутренней полости обоймы 6.

Работа анкера. Стержень 1 анкера вводят до упора его наконечника 2 в предварительно пробуренный шпур, затем через канал 5 стержня 1 нагнетают композицию из предварительно смешанных смолы и отвердителя. После отверждения композиции стержень фиксируют с помощью цанговой втулки 3 и гайки 4.

Результаты опытных установок анкеров заявленной конструкции в грунтах малой, средней и большой устойчивости подтвердили их эксплуатационную надежность с точки зрения их несущей способности.

Анкер по изобретению изготавливают в промышленных условиях на оборудовании производства изделий из композитов.

Изобретение относится к креплению грунтов и горных выработок, в частности к анкерной крепи, выполненной из композитов, и может быть использовано в наземном и подземном строительстве и горном деле. Анкер состоит из стержня 1 с наконечником 2 в его головной части и с цанговой втулкой 3, имеющей затяжную гайку 4, в хвостовой части. Стержень 1 выполнен с центральным сквозным каналом и состоит из обоймы 6 и семи отдельных, непрерывных по его длине, ориентированных вдоль его продольной оси О композитных элементов 7. Шесть элементов 7 выполнены сплошными, имеющими сечение по форме круга, а один - полым, имеющим сечение по форме кольца. Сплошные элементы 7 размещены в обойме 6 вокруг одного полого, формирующего центральный сквозной канал стержня 1 с плотным прилеганием друг к другу и к обойме 6. Элементы 7 стержня 1 выполнены из эпоксидного базальтопластика с объемным содержанием базальтового волокна 65% при толщине волокон 9 мкм. Обойма 6 выполнена из базальтовой ткани. Общая площадь поперечного сечения элементов 7 составляет 75% от площади поперечного сечения внутренней полости обоймы 6. Изобретение позволяет обеспечить необходимую несущую способность анкера в заданных условиях его применения. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Анкер, содержащий стержень, состоящий из отдельных, непрерывных по длине, ориентированных вдоль его продольной оси композитных элементов, выполненных из армирующего волокна и полимерного связующего, связанных, по меньшей мере, одним фиксирующим элементом, отличающийся тем, что фиксирующий элемент выполнен в виде обоймы, композитные элементы выполнены сплошными или полыми и размещены в обойме с плотным прилеганием к ней и друг к другу и стянуты ею, при этом объемное содержание армирующего волокна в композитных элементах составляет 60-80% при толщине волокон 9-25 мкм, а общая площадь поперечного сечения упомянутых элементов составляет 60-99% от площади поперечного сечения внутренней полости обоймы.2. Анкер по п.1, отличающийся тем, что композитные элементы выполнены с сечением в форме круга, многоугольника, кольца или сектора кольца.3. Анкер по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующего волокна композитных элементов использовано стеклянное, базальтовое, угольное, органическое волокно или их комбинация, а в качестве полимерного связующего - композиция на основе полиэфирной, эпоксидной, винилэфирной, полиуретановой смол или их комбинация.4. Анкер по п.2 или 3, отличающийся тем, что композитные элементы имеют наружное защитное покрытие.5. Анкер по п.1, отличающийся тем, что обойма выполнена из переплетающихся и/или пересекающихся волокон или нитей, преимущественно в виде ткани, холста или мата.6. Анкер по п.1, отличающийся тем, что обойма выполнена из однонаправленных волокон или нитей.7. Анкер по п.1, отличающийся тем, что обойма выполнена из композита на основе стеклянных и/или базальтовых волокон и полимерного связующего.8. Анкер по п.1, отличающийся тем, что обойма имеет наружное защитное покрытие.9. Анкер по любому из пп.5-8, отличающийся тем, что обойма выполнена непрерывной или прерывистой по длине.10. Анкер по п.1, отличающийся тем, что шесть композитных элементов с сечением по форме сектора кольца размещены в обойме с образованием стержня с центральным сквозным каналом.11. Анкер по п.1, отличающийся тем, что шесть композитных элементов с сечением по форме круга размещены в обойме вокруг одного аналогичного центрального с образованием стержня сплошного сечения.12. Анкер по п.1, отличающийся тем, что композитные элементы с сечением по форме сектора кольца размещены в обойме, по меньшей мере, в два слоя вокруг одного по форме круга или кольца.13. Анкер по п.1, отличающийся тем, что композитные элементы выполнены с продольными выступами и/или впадинами для взаимной фиксации в обойме.14. Анкер по п.1, отличающийся тем, что композитные элементы расположены по всей длине стержня по винтовым линиям.15. Анкер по п.1, отличающийся тем, что композитные элементы размещены в обойме, по меньшей мере, в два слоя и расположены по винтовым линиям с противоположной закрученностью от слоя к слою.