Секционный анкер

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. Обеспечивает повышение эксплуатационной надежности устройства. Анкер состоит из фиксирующего узла, включающего гайку 1 со шлицами 2 под ключ, и секционного стержня 3. Стержень 3 состоит из трех секций: головной 4, хвостовой 5 и одной промежуточной 6, каждая из которых имеет центрально расположенный сквозной канал 7 одного и того же диаметра. Секции 4 и 6 и секции 5 соединены между собой с помощью резьбовых муфт 10 с внутренней резьбой, установленных заподлицо с соединяемыми секциями 4, 5 и 6. Для этого на концах каждой из этих секций имеются участки 11 с наружной резьбой. На свободные от соединения с другими секциями концы головной 4 и хвостовой 5 секций навинчены бурильная головка 24 и гайка 1 соответственно. На поверхности секции 4 расположены фасонные выступы 12, а поверхность секций 5, 6 покрыта наружным жертвенным слоем 25. Секции стержня 3 без жертвенного слоя 25, резьбовые муфты 10 и гайка 1 выполнены из стеклопластика на основе волокна и эпоксидного связующего, а жертвенный слой 25 выполнен на основе стеклоткани, пропитанной той же смолой. Объемное соотношение волокна в любой из секций 4, 5 или 6 стержня и волокна нитей, жгутов или лент ее жертвенного слоя 25 составляет 1:0,3, а общее объемное содержание связующего в любой из секций составляет 30%. 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

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.

Для выработок с переменной глубиной залегания пластов и для грунтов с переменной устойчивостью более эффективны составные анкеры, чью длину можно изменять по мере необходимости.

Известен секционный анкер, включающий фиксирующий узел и стержень, состоящий из двух и более жестких секций арматурного проката, скрепленных между собой гибкими соединительными звеньями с помощью контактной электросварки (RU 2258812 С1, МПК⁷ Е21D 21/00, опубл. 20.08.2005, Бюл. №23).

Известен секционный анкер, содержащий фиксирующий узел и стержень, выполненный из двух или более секций проката, скрепленных между собой соединительными резьбовыми муфтами (втулками) (RU полезная модель №20926 U1, МПК Е21D 21/00, опубл. 10.12.2001, Бюл. №34).

Известные анкеры обладают недостаточной эксплуатационной надежностью. Выполненные из металла, они не устойчивы к агрессивным средам и недостаточно устойчивы к динамическому воздействию.

Известен секционный анкер, включающий фиксирующий узел и стержень, состоящий из секций, скрепленных между собой резьбовыми муфтами (RU 2172409 С2, МПК⁷ Е21D 21/00, опубл. 20.08.2001, Бюл. №23).

Известный анкер обладает тем же недостатком, что и вышеописанные известные анкеры.

Анкер по RU №2172409 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 секционного анкера, устойчивого к динамическому воздействию и к воздействию агрессивных сред, обладающего высокой несущей способностью.

Техническим результатом, который должен быть получен в результате использования изобретения, является повышение эксплуатационной надежности секционного анкера.

Для решения поставленной задачи секционный анкер, включающий фиксирующий узел и стержень, состоящий, по меньшей мере, из головной и хвостовой секций, скрепленных между собой и с фиксирующим узлом, размещенным на хвостовой из них, механическими соединениями, согласно изобретению выполнен из композита на основе армирующего волокна и полимерного связующего, при этом каждая секция его стержня выполнена на ее концах с участками под механическое соединение, отношение длины каждого из которых к диаметру стержня составляет от 2 до 10, при этом наружная поверхность каждой секции стержня выполнена гладкой или, по меньшей мере, одна секция снабжена фасонными выступами, выполненными на ее поверхности между упомянутыми участками, и/или наружным жертвенным слоем, выполненным из перекрещивающихся или переплетающихся между собой волокнистых нитей, жгутов или лент, скрепленным с ним его связующим, причем объемное соотношение армирующего волокна, содержащееся в секции стержня, и волокна нитей, жгутов или лент, содержащегося в ее жертвенном слое, находится в интервале значений от 1:0,04 до 1:0,5, а общее объемное содержание связующего в секции составляет от 15 до 50%, при этом в частных случаях выполнения изобретения, по меньшей мере, две секции стержня соединены между собой с помощью резьбовой муфты, установленной заподлицо с соединяемыми секциями, выполненной из материала секций; по меньшей мере, две секции соединены между собой свинчиванием заподлицо одна с другой; по меньшей мере, две секции соединены между собой штифтовым соединением, для чего участки на их концах выполнены с противолежащими пазами, а соразмерный им штифт выполнен из материала секций; головная секция стержня снабжена бурильной головкой или наконечником, соединенными с нею механически или клеевым соединением, при этом бурильная головка и наконечник выполнены из материала стержня; фиксирующий узел включает гайку со шлицами под ключ, выполненную из материала стержня; секции стержня выполнены в сечении сплошными или с одинаковым центральным сквозным каналом; фасонные выступы на поверхности секции стержня расположены вдоль или поперек его продольной оси или по винтовой линии, а форма фасонных выступов выбрана из форм, представленных на фиг.2, при этом фасонные выступы выполнены непрерывными или прерывистыми; по меньшей мере, одна секция стержня выполнена с поперечными каналами и/или углублениями, преимущественно круглого сечения; поперечные каналы снаружи закрыты эластичными кольцами из полимерного материала или резины; секции выполнены пултрузией из однонаправленного армирующего волокна и/или намоткой нитей и/или ткани из армирующего волокна, при этом в качестве армирующего 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 комбинации; полимерное связующее дополнительно содержит до 35% мела, талька, доломита, микрокальцита или их смеси в качестве добавки; жертвенный слой выполнен из ткани, холста, мата, нитепрошивного или иглопробивного полотна или ленты из стеклянного, базальтового, полимерного волокна или их комбинации; по меньшей мере, одна секция дополнительно содержит наружное износостойкое покрытие, преимущественно полиуретановое или фторопластовое, при этом на наружной поверхности секции или износостойком покрытии дополнительно выполнены риски или насечки.

Отличительными от прототипа признаками заявленного секционного анкера являются следующие:

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

- выполнение анкера из композита на основе армирующего волокна и полимерного связующего,

- выполнение каждой секции его стержня на ее концах с участками под механическое соединение,

- отношение длины каждого из упомянутых участков к диаметру стержня, составляющее от 2 до 10,

- выполнение наружной поверхности стержня гладкой или снабжение, по меньшей мере, одной секции фасонными выступами, выполненными на ее поверхности между упомянутыми участками,

- снабжение, по меньшей мере, одной секции наружным жертвенным слоем, выполненным из перекрещивающихся или переплетающихся между собой волокнистых нитей, жгутов или лент, скрепленным с ним его связующим,

- объемное соотношение армирующего волокна, содержащегося в секции стержня, и волокна нитей, жгутов или лент, содержащегося в ее жертвенном слое, находится в интервале значений от 1:0,04 до 1:0,5, а общее объемное содержание связующего в секции составляет от 15 до 50%,

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- соединение, по меньшей мере, двух секций стержня между собой с помощью резьбовой муфты, установленной заподлицо с соединяемыми секциями, выполненной из материала секций,

- соединение, по меньшей мере, двух секций между собой свинчиванием заподлицо одна с другой;

- соединение, по меньшей мере, двух секций между собой штифтовым соединением, для чего участки на их концах выполнены с противолежащими пазами, а соразмерный им штифт выполнен из материала секций,

- снабжение головной секции стержня бурильной головкой или наконечником, соединенным с нею механическим или клеевым соединением или их комбинацией,

- выполнение бурильной головки и наконечника из материала стержня,

- включение в фиксирующий узел гайки со шлицами под ключ, выполненной из материала стержня,

- выполнение секций стержня в сечении сплошными или с одинаковым центральным сквозным каналом,

- расположение фасонных выступов на поверхности секций стержня вдоль или поперек его продольной оси или по пространственной кривой и выбор формы фасонных выступов из форм, представленных на фиг.2,

- выполнение фасонных выступов непрерывными или прерывистыми,

- выполнение, по меньшей мере, одной секции стержня с поперечными каналами и/или углублениями, преимущественно круглого сечения,

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

- выполнение секций пултрузией из однонаправленного армирующего волокна и/или намоткой нитей и/или ткани из армирующего волокна и использование при этом в качестве армирующего 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,

- дополнительное содержание в полимерном связующем до 35% мела, талька, доломита, микрокальцита или их смеси в качестве добавки,

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

- наличие на наружной поверхности, по меньшей мере, одной секции дополнительно наружного износостойкого покрытия, преимущественно полиуретанового или фторопластового,

- дополнительное выполнение на износостойком слое рисок или насечек,

- дополнительное выполнение на наружной поверхности секции рисок или насечек.

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 секционный анкер из композита типа стекло-, угле-, органо-, базальтопластика или их комбинации типа стеклоорганопластика, углебазальтопластика и т.п. Благодаря этому он обладает высокой несущей способностью, устойчивостью к динамическому воздействию, не подвержен коррозии, легче и дешевле металлического в полтора-два раза.

Из композита могут быть выполнены все элементы анкера: секции его стержня, фиксирующий узел, включающий гайку со шлицами под ключ, соединительные муфты, втулки, штифты, бурильная головка и наконечник, чем обеспечивается его равнопрочность по длине. Все перечисленные элементы могут быть изготовлены методом пултрузии из однонаправленного армирующего волокна или методом намотки волокнистых нитей и/или ткани из армирующего волокна.

Каждая секция стержня анкера снабжена на ее концах участками под механическое соединение, что облегчает сборку стержня на месте без затрат времени на поиск нужной секции. Потребителю следует лишь правильно выбрать набор секций и элементов их соединения для заданных условий.

Секции стержня между собой могут быть соединены либо с помощью резьбовой муфты, для чего участки на концах этих секций выполнены с наружной резьбой, а муфта, установленная заподлицо с соединяемыми секциями, - с ответной внутренней резьбой, либо свинчиванием, для чего участок под соединение на конце одной из них выполнен с внешней резьбой, а противолежащий ему участок на конце другой секции - с ответной внутренней резьбой, либо секции соединены штифтовым соединением. Длина отдельного участка под механическое соединение на любом из концов секции экспериментально определена такой, чтобы ее отношение к диаметру стержня составляло от двух до десяти во избежание нарушения равнопрочности анкера по его длине.

Заявленное изобретение позволяет использовать разные методы закрепления анкера в шпуре благодаря возможности выполнения его секций со сплошным поперечным сечением (для закрепления с помощью предварительно изготовленных патронов с ампулами) или с центральным сквозным каналом (для закрепления инъекционным методом). Для ускорения выхода закрепляющего состава в последнем случае предусматривают поперечные каналы и/или углубления, которые от засорения грунтом закрывают снаружи эластичными кольцами из полимерного материала или резины.

Предложенный анкер пригоден для разнообразных условий применения: наземных и подземных, разной глубины заложения, различной устойчивости грунтов.

Для повышения степени сцепления анкера с грунтом предусмотрены фасонные выступы разнообразных форм, которые делают поверхность секции более развитой. Их располагают вдоль или поперек продольной оси секции или по пространственной кривой. Указанные фасонные выступы могут быть непрерывными или прерывистыми.

Для сохранения несущей способности анкера, состоящего из секций с фасонными выступами или без них, вводимого в шпур с торчащими осколками породы или камней, на каждой секции предусмотрен жертвенный слой, предотвращающий разрушение ее поверхности. Жертвенный слой выполнен из тканого или нетканого материала, состоящего из волокон, взаимосвязанных между собой переплетением или перекрещиванием (ткань, холст, мат и т.д.), пропитанных связующим материала секции, и таким образом составляет с секцией одно целое.

Экспериментальным путем был выведен интервал значений для объемного соотношения армирующего волокна, содержащегося в секции стержня, и волокна нитей, жгутов или лент, содержащегося 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 и, тем самым, не выполнит своей задачи, а при содержании волокна выше 0,5 жертвенный слой будет хрупким и тоже разрушится, подвергнув опасности разрушения секцию и вместе с нею стержень.

Тем же экспериментальным путем было определено общее объемное содержание связующего в секции, которое должно составлять от 15 до 50%. Недостаток связующего (менее 15%), как, впрочем, и избыток (более 50%) приведет к снижению прочности и несущей способности секции и, следовательно, эксплуатационной надежности анкера. Связующее может содержать до 35% минеральных добавок.

Для более глубокой заделки анкера в шпуре на хвостовой секции его стержня закрепляют бурильную головку или наконечник, которые могут быть выполнены также из материала секции.

Дополнительные защитные свойства секциям стержня анкера придают износостойкие покрытия, выбор которых определяется в каждом случае степенью необходимой защиты поверхности.

Все вышеописанное обеспечивает эксплуатационную надежность заявленного композитного анкера.

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

На фиг.1 представлен заявленный секционный анкер с гладкой наружной поверхностью стержня, общий вид, разрез, на фиг.2, 3, 4 показаны варианты механических соединений и конструктивного исполнения секций стержня, на фиг.5 изображены варианты форм фасонных выступов на поверхности секций.

Секционный анкер (фиг.1) состоит из фиксирующего узла, включающего гайку 1 со шлицами 2 под ключ и секционного стержня 3.

Стержень 3 состоит из трех секций: головной 4, хвостовой 5 и одной промежуточной 6, каждая из которых имеет центрально расположенный сквозной канал 7 одного и того же диаметра. Секции 4 и 6 и секции 5 и 6 соединены между собой с помощью винтов или саморезов 8. Для этого на концах каждой из этих секций имеются участки взаимосогласованных поверхностей 9 для соединения.

На фиг.2 показан вариант механического соединения секций при помощи соединительных муфт 10 с внутренней резьбой, установленных заподлицо с соединяемыми секциями. Для этого на концах каждой из этих секций имеются участки 11 с наружной резьбой.

На фиг.3 показан вариант механического соединения секций при помощи свинчивания заподлицо одна с другой. Для этого на конце одной секции имеется участок с внутренней резьбой 13, а на присоединяемой секции - участок с наружной резьбой 14.

На фиг.4 показан вариант механического соединения секций при помощи штифтового соединения. Для этого на соединяемых концах секций имеются участки взаимосогласованных поверхностей 18 с противолежащими пазами 19, в которые устанавливается штифт 20.

В вариантном исполнении, по крайней мере, одна секция стержня выполнена с фасонными выступами на поверхности, расположенными вдоль (фиг.5) или поперек 12 (фиг.2) его продольной оси или по пространственной кривой 21 (фиг.4), а форма фасонных выступов выбрана из форм, представленных на фиг.5, фасонные выступы выполнены непрерывными или прерывистыми (с разрывами 22 (фиг.4)), на наружной поверхности, по крайней мере, одной секции, дополнительно выполнены риски или насечки 23 (фиг.4), на головной секции установлена бурильная головка или наконечник 24 (фиг.4), вся поверхность вместе с выступами покрыта наружным жертвенным слоем 25 (фиг.5к).

Секции стержня 3, резьбовые муфты 10 и гайка 1 выполнены из стеклопластика методом пултрузии из однонаправленного волокна и эпоксидного связующего, а жертвенный слой 25 выполнен намоткой стеклоткани, пропитанной той же смолой. Объемное соотношение однонаправленного волокна в каждой из секций 4, 5 или 6 стержня и волокна нитей, жгутов или лент ее жертвенного слоя 25 составляет от 1:0,04 до 1:0,5, а общее объемное содержание связующего в любой из секций составляет от 15 до 50%.

Работа анкера. Производят сборку стержня 3, свинчивая с помощью муфт 10 секции 4, 5 и 6. На свободный конец головной секции 4 навинчивают бурильную головку 24, а на свободный конец хвостовой секции 5 - гайку 1. Собранный анкер вводят до упора в предварительно пробуренный шпур. После этого через канал 7 стержня 3 нагнетают композицию из предварительно смешанных смолы и отвердителя. После отверждения композиции стержень фиксируют с помощью гайки 1. 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 фасонные выступы воспринимает жертвенный слой 25.

Результаты опытных установок анкеров заявленной конструкции подтвердили их эксплуатационную надежность.

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

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

1. Секционный анкер, включающий фиксирующий узел и стержень, состоящий, по меньшей мере, из головной и хвостовой секций, скрепленных между собой и с фиксирующим узлом, размещенным на хвостовой из них, механическими соединениями, отличающийся тем, что он выполнен из композиционного материала на основе армирующего волокна и полимерного связующего, при этом каждая секция его стержня выполнена на ее концах с участками под механическое соединение, отношение длины каждого из которых к диаметру стержня составляет от 2 до 10, при этом наружная поверхность каждой секции стержня выполнена гладкой или, по меньшей мере, одна секция снабжена фасонными выступами, выполненными на ее поверхности между упомянутыми участками, и/или наружным жертвенным слоем, выполненным из перекрещивающихся или переплетающихся между собой волокнистых нитей, жгутов или лент, скрепленным с ним его связующим, причем объемное соотношение армирующего волокна, содержащегося в секции стержня, и волокна нитей, жгутов или лент, содержащегося в ее жертвенном слое, находится в интервале значений от 1:0,04 до 1:0,5, а общее объемное содержание связующего в секции составляет от 15 до 50%.

2. Анкер по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, две секции стержня соединены между собой с помощью резьбовой муфты, установленной заподлицо с соединяемыми секциями, выполненной из материала секций.

3. Анкер по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, две секции соединены между собой свинчиванием заподлицо одна с другой.

4. Анкер по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, две секции соединены между собой штифтовым соединением, для чего участки на их концах выполнены с противолежащими пазами, а соразмерный им штифт выполнен из материала секций.

5. Анкер по п.1, отличающийся тем, что головная секция стержня снабжена бурильной головкой или наконечником, соединенным с нею механическим или клеевым соединением или их комбинацией.

6. Анкер по п.5, отличающийся тем, что бурильная головка или наконечник выполнены из материала стержня.

7. Анкер по п.1, отличающийся тем, что фиксирующий узел включает гайку со шлицами под ключ, выполненную из материала стержня.

8. Анкер по п.1, отличающийся тем, что секции стержня выполнены в сечении сплошными или с одинаковым центральным сквозным каналом.

9. Анкер по п.1, отличающийся тем, что фасонные выступы на поверхности секции стержня расположены вдоль или поперек его продольной оси или по пространственной кривой, а форма фасонных выступов выбрана из форм, представленных на фиг.5.

10. Анкер по п.9, отличающийся тем, что фасонные выступы выполнены непрерывными или прерывистыми.

11. Анкер по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна секция стержня выполнена с поперечными каналами и/или углублениями, преимущественно круглого сечения.

12. Анкер по п.11, отличающийся тем, что поперечные каналы снаружи закрыты эластичными кольцами из полимерного материала или резины.

13. Анкер по п.1, отличающийся тем, что его секции выполнены пултрузией из однонаправленного армирующего волокна и/или намоткой нитей и/или ткани из армирующего волокна, при этом в качестве армирующего 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 комбинации.

14. Анкер по п.13, отличающийся тем, что полимерное связующее дополнительно содержит до 35% мела, талька, доломита, микрокальцита или их смеси в качестве добавки.

15. 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.

16. Анкер по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна его секция дополнительно содержит наружное износостойкое покрытие, преимущественно полиуретановое или фторопластовое.

17. Анкер по п.16, отличающийся тем, что на износостойком покрытии дополнительно выполнены риски или насечки.

18. Анкер по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности, по крайней мере, одной секции, дополнительно выполнены риски или насечки.