КОМПОЗИТНЫЙ 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.

Известен анкер, включающий стержень с гладкой наружной поверхностью и фиксирующий узел, выполненные из композита, преимущественно, стеклопластика (ЕР 0739442 В1, МПК⁶ Е21D 21/00, опубл. 13.08.1997).

Известен анкер, содержащий полый стержень, выполненный из базальтопластика на основе прядей базальтового волокна и полимерного связующего, преимущественно, композиций на основе эпоксидной, полиэфирной или полиуретановой смол (SU 1453037 А1, МПК⁴ Е21D 21/00, опубл. 23.01.1989, Бюл. №3).

Известные анкеры обладают недостаточной несущей способностью, так как рабочая поверхность их стержней при введении в шпур сразу и непосредственно подвергается воздействию выступающих из стенок шпура камней, черепков и т.п. и разрушается. Анкеры с такими стержнями ненадежны в эксплуатации.

Известен анкер, содержащий выполненные из композитов фиксирующий узел и стержень круглого сечения с фасонными, распределенными по его поверхности выступами, при этом стержень выполнен из композита на основе однонаправленного волокна и полимерного связующего (ЕР 0548832 В1, МПК⁶ Е21D 21/00, Е04С 5/07, Е04С 5/12, F16В 33/02, опубл. 23.04.1997).

Известный анкер обладает тем же недостатком, что и выше описанные известные анкеры. Его рабочая поверхность и, в первую очередь, выступы подвергаются разрушающему воздействию острых компонентов грунта или выработки и теряют несущую способность, а вместе с нею и эксплуатационную надежность.

Анкер по ЕР №0548832 является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Техническая задача, которая ставилась при создании изобретения, заключалась в создании композитного анкера, не теряющего свои исходные характеристики в процессе внедрения в шпур.

Техническим результатом, который должен быть получен в результате использования изобретения, является повышение несущей способности и эксплуатационной надежности композитного анкера.

Для решения поставленной задачи в композитном анкере, содержащем фиксирующий узел и стержень круглого сечения с фасонными, распределенными по его поверхности, выступами, выполненный из однонаправленного волокна и полимерного связующего, согласно изобретению, стержень дополнительно выполнен в сечении по форме многоугольника с прямыми, вогнутыми или выпуклыми сторонами и скругленными углами и снабжен снаружи жертвенным слоем из перекрещивающихся или переплетающихся между собой волокнистых нитей, жгутов или лент, скрепленным с ним его связующим, причем объемное соотношение однонаправленного волокна стержня и волокна нитей, жгутов или лент его жертвенного слоя находится в интервале значений от 1:0.04 до 1:0,5, а общее содержание связующего в стержне с жертвенным слоем составляет 15-50% от общего содержания в них волокна, при этом в частных случаях выполнения изобретения стержень выполнен сплошным или с центральным сквозным каналом, а форма его фасонных выступов выбрана из форм, представленных на фиг.2, причем стержень выполнен с поперечными каналами и/или углублениями, преимущественно круглого сечения, которые снаружи могут быть закрыты эластичными кольцами из полимерного материала или резины; фасонные выступы расположены вдоль или поперек продольной оси стержня или по трехмерной кривой, причем фасонные выступы выполнены непрерывными или прерывистыми; в качестве однонаправленного волокна использовано стеклянное, базальтовое, угольное, органическое волокно или их комбинация, а в качестве полимерного связующего - композиция на основе полиэфирной, эпоксидной, винилэфирной или полиуретановой смол или их комбинация; полимерное связующее дополнительно содержит до 35% от его содержания мел, тальк, доломит, микрокальцит или их смесь в качестве добавок; жертвенный слой выполнен из ткани, холста, мата, нитепрошивного или иглопробивного полотна или ленты из стеклянного, базальтового, полимерного волокна или их комбинации; износостойкое покрытие, преимущественно, полиуретановое или фторопластовое, размещено снаружи жертвенного слоя; на жертвенном слое дополнительно выполнены риски или насечки, на износостойком покрытии дополнительно выполнены риски или насечки.

Отличительными от прототипа признаками заявленного композитного анкера являются следующие:

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

- выполнение стержня анкера в сечении в дополнение к круглому в форме многоугольника с прямыми, вогнутыми или выпуклыми сторонами и скругленными углами,

- снабжение упомянутого стержня снаружи жертвенным слоем,

- выполнение жертвенного слоя из перекрещивающихся или переплетающихся между собой волокнистых нитей, жгутов или лент,

- скрепление жертвенного слоя со стержнем связующим стержня,

- объемное соотношение однонаправленного волокна стержня и волокна нитей, жгутов или лент его жертвенного слоя, находящееся в интервале значений от 1:0,04 до 1:0,5,

- общее содержание связующего в стержне с жертвенным слоем, составляющее 15-50% от общего содержания в них волокна,

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- выполнение стержня сплошным или с центральным сквозным каналом,

- выбор формы фасонных выступов стержня из форм, представленных на фиг.2,

- выполнение стержня с поперечными каналами и углублениями, преимущественно, круглого сечения,

- закрытость поперечных каналов снаружи эластичными кольцами из полимерного материала или резины,

- расположение фасонных выступов вдоль или поперек продольной оси стержня или по трехмерной кривой,

- выполнение фасонных выступов непрерывными или прерывистыми,

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

- содержание в полимерном связующем в качестве добавок мела, талька, доломита, микрокальцита или их смеси,

- содержание упомянутых добавок, составляющее до 35% от содержания связующего,

- выполнение жертвенного слоя из ткани, холста, мата, нитепрошивного или иглопробивного полотна или ленты из стеклянного, базальтового, полимерного волокон или их комбинации,

- размещение износостойкого покрытия, преимущественно, полиуретанового или фторопластового, снаружи жертвенного слоя,

- дополнительное выполнение на жертвенном слое рисок или насечек;

- дополнительное выполнение на износостойком покрытии рисок или насечек;

- снабжение передней части стержня бурильной головкой или наконечником;

- бурильная головка и/или наконечник выполнены из материала стержня.

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

Заявленный композитный анкер обладает высокой степенью сцепления с грунтом благодаря развитой поверхности его стержня. Эту развитую поверхность обеспечивают, с одной стороны, форма сечения стержня и, с другой стороны, выполненные на нем фасонные выступы. В отличие от анкера-прототипа, на стержне которого также есть выступы, заявленное техническое решение позволяет создать оптимальную конструкцию анкера для заданного грунта благодаря возможности использования большого разнообразия форм сечений и выступов, которое не исчерпывается примерами, приведенными на фиг.2. Фасонные выступы могут быть как непрерывными, так и прерывистыми, что также повышает сцепление с грунтом.

Задача, которая решалась при создании изобретения, заключалась в том, чтобы сохранить эту развитую поверхность на анкере после его введения в шпур, так как при введении анкера острые осколки породы или камней разрушают поверхностный слой композита на стержне. Это приводит к нарушению структуры композита вследствие разлохмачивания и обламывания волокон его армирующего материала, а значит к снижению несущей способности и уменьшению эксплуатационной надежности анкера.

Задача была решена путем использования дополнительного, составляющего одно целое со стержнем, жертвенного слоя, выполненного не из однонаправленного волокна, из которого выполнен стержень, а из тканого или нетканого материала, выполненного из волокон, взаимосвязанных между собой переплетением или перекрещиванием, пропитанных связующим материала стержня.

Экспериментальным путем был выведен интервал значений для соотношения количества волокна, содержащегося в стержне и в жертвенном слое: от 1,0:0,04 до 1,0:0,5. Приведенный интервал означает, что при содержании волокна ниже 0,04 жертвенный слой будет непрочным, разрушится, не достигнув конца шпура, тем самым, не выполнит своей задачи, а при содержании волокна выше 0,5 снизится продольная прочность анкера и его несущая способность.

Тем же экспериментальным путем было определено общее содержание связующего в стержне с жертвенным слоем, которое должно составлять 15-50% от общего содержания в них волокна. Недостаток связующего (менее 15%) также, как и его избыток (более 50%), приведет к снижению прочности, несущей способности и эксплуатационной надежности анкера.

Связующее может содержать минеральные добавки (до 35% от содержания связующего).

Дополнительные защитные свойства стержню анкера придает износостойкое покрытие, выбор которого определяется в каждом случае степенью необходимой защиты поверхности и совместимостью с материалом жертвенного слоя стержня.

Фиксирующий узел анкера может быть выполнен из элементов, обеспечивающих фиксацию стержня в шпуре как с натягом, так и без него.

На жертвенном слое дополнительно могут быть выполнены риски или насечки.

На износостойком покрытии дополнительно могут быть выполнены риски или насечки.

Передняя часть стержня может быть снабжена бурильной головкой или наконечником.

Бурильная головка и/или наконечник могут быть выполнены из материала стержня.

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

Все вышеописанное обеспечивает эксплуатационную надежность заявленного композитного анкера.

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

На фиг.1 (а, б) представлен заявленный композитный анкер, общий вид, на фиг.2 (а-л) показаны варианты форм сечений и фасонных выступов стержня анкера, на фиг.3, 4 - дополнительные варианты конструктивного исполнения стержня.

Композитный анкер состоит из фиксирующего узла, включающего резьбовую втулку 1 и шайбу 2, и стержня 3 с равномерно распределенными по его поверхности, расположенными вдоль его продольной оси непрерывными по длине выступами 4 (фиг.1а).

Стержень 3 выполнен с жертвенным слоем 5 из перекрещивающихся или переплетающихся между собой волокнистых нитей, жгутов или лент 6 и с центрально расположенным сквозным каналом 7 (фиг.1б).

Стержень 3 выполнен из стеклопластика на основе однонаправленного волокна и эпоксидного связующего, его жертвенный слой 5 выполнен из стеклоткани, пропитанной той же смолой. Втулка 1 и шайба 2 выполнены из стеклопластика. Объемное соотношение однонаправленного волокна стержня и волокна нитей, жгутов или лент его жертвенного слоя составляет 1:0,5, а общее содержание связующего в стержне с жертвенным слоем составляет 35% от общего содержания в них волокна.

Стержень 3 может быть выполнен с формами сечений и фасонных выступов представленных на фиг.2, с поперечными сквозными 8 или глухими 9 каналами, сквозные каналы могут быть закрыты эластичными кольцами 10 из полимерного материала или резины, может быть снабжен бурильной головкой или наконечником 11, соединенным со стержнем механическим соединением (фиг.3), фасонные выступы могут быть расположены вдоль 4 (фиг.1) или поперек 12 (фиг.3) продольной оси стержня или по трехмерной кривой 13 (фиг.4), которые могут быть непрерывными или с разрывами 14 (фиг.4), на наружной поверхности стержня, жертвенного или износостойкого слоев, могут быть выполнены риски 15 или насечки 16 (фиг.4).

Работа анкера. На стержень 3 надевают шайбу 2 и навинчивают гайку 1. Собранный композитный анкер вводят до упора в предварительно пробуренный шпур. После этого через канал 7 стержня 3 нагнетают композицию из предварительно смешанных смолы и отвердителя. Затем анкер фиксируют с помощью шайбы 2 и гайки 1. Иногда для гарантии скрепления анкера с грунтом в стенке стержня выполняют поперечные сквозные или глухие каналы.

При введении стержня 3 в шпур его вращают, неизбежно задевая стенки шпура с торчащими из них острыми камнями, щебнем и т.п. Нежелательное разрушающее воздействие стенок шпура на стержень 3 и, в первую очередь, на его выступы, воспринимают его жертвенный слой 5 и, при наличии, износостойкое покрытие.

Результаты опытных установок анкеров заявленной конструкции показали, что их расчетная несущая способность, а вместе с нею и эксплуатационная надежность не только не снижаются, но и повышаются за счет сохранения части жертвенного слоя, а иногда и износостойкого.

Таким образом, поставленная задача была решена, а технический результат достигнут.

Композитный 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 на основе армирующего волокнистого материала и полимерного связующего, и может быть использовано в наземном и подземном строительстве и горном деле. Анкер состоит из фиксирующего узла, включающего резьбовую втулку 1 и шайбу 2, и стержня 3 с фасонными выступами 4 и жертвенным слоем 5. Стержень 3 выполнен сплошным или с центрально расположенным сквозным каналом 7, имеет сечение в форме круга или многоугольника с прямыми, вогнутыми или выпуклыми сторонами, а по его поверхности распределены расположенные вдоль или поперек его продольной оси или по винтовой линии непрерывные или прерывистые фасонные выступы. Стержень 3 выполнен из композита на основе однонаправленного волокна и полимерного связующего, его жертвенный слой 5 выполнен из перекрещивающихся или переплетающихся между собой волокнистых нитей, жгутов или лент и скреплен с ним его связующим, причем объемное соотношение однонаправленного волокна стержня и волокна нитей, жгутов или лент его жертвенного слоя находится в интервале значений от 1:0,04 до 1:0,5, а общее содержание связующего в стержне с жертвенным слоем составляет 15-50% от общего содержания в них волокна. Изобретение позволяет повысить несущую способность и эксплуатационную надежность анкера за счет сохранения развитой поверхности стержня благодаря наличию жертвенного слоя. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Композитный анкер, содержащий фиксирующий узел и стержень с фасонными, распределенными по его поверхности выступами, выполненный из однонаправленного волокна и полимерного связующего, отличающийся тем, что стержень выполнен в сечении круглым или в форме многоугольника с прямыми, вогнутыми или выпуклыми сторонами и скругленными углами и снабжен снаружи жертвенным слоем из перекрещивающихся или переплетающихся между собой волокнистых нитей, жгутов или лент, скрепленным с ним его связующим, причем объемное соотношение однонаправленного волокна стержня и волокна нитей, жгутов или лент его жертвенного слоя находится в интервале значений от 1:0,04 до 1:0,5, а общее объемное содержание связующего в стержне с жертвенным слоем составляет от 15 до 50%.2. Анкер по п.1, отличающийся тем, что стержень выполнен сплошным или с центральным сквозным каналом, а форма его фасонных выступов выбрана из форм, представленных на фиг.2.3. Анкер по п.2, отличающийся тем, что стержень выполнен с поперечными каналами и/или углублениями, преимущественно круглого сечения.4. Анкер по п.3, отличающийся тем, что поперечные каналы снаружи закрыты эластичными кольцами из полимерного материала или резины.5. Анкер по п.1, отличающийся тем, что фасонные выступы расположены вдоль или поперек продольной оси стержня или по трехмерной кривой.6. Анкер по п.5, отличающийся тем, что фасонные выступы выполнены непрерывными или прерывистыми.7. Анкер по п.1, отличающийся тем, что в качестве однонаправленного волокна использовано стеклянное, базальтовое, угольное, органическое, полимерное волокно или их комбинация, а в качестве полимерного связующего - композиция на основе полиэфирной, эпоксидной, винилэфирной или полиуретановой смол или их комбинации.8. Анкер по п.7, отличающийся тем, что полимерное связующее дополнительно содержит до 35% от его содержания мел, тальк, доломит, микрокальцит или их смесь в качестве добавок.9. Анкер по п.1, отличающийся тем, что жертвенный слой выполнен из ткани, холста, мата, нитепрошивного или иглопробивного полотна или ленты из стеклянного, базальтового, полимерного волокна или их комбинации.10. Анкер по п.1, отличающийся тем, что снаружи жертвенного слоя размещено износостойкое покрытие, преимущественно полиуретановое или фторопластовое.11. Анкер по п.1, отличающийся тем, что на жертвенном слое дополнительно выполнены риски или насечки.12. Анкер по п.10, отличающийся тем, что на износостойком покрытии дополнительно выполнены риски или насечки.13. Анкер по п.1, отличающийся тем, что передняя часть стержня снабжена бурильной головкой или наконечником.14. Анкер по п.13, отличающийся тем, что бурильная головка и/или наконечник выполнены из материала стержня.