DE69210256T2

DE69210256T2 - Reibungsanker für felsgestein

Info

Publication number: DE69210256T2
Application number: DE69210256T
Authority: DE
Inventors: Thomas Landsberg
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1991-11-12
Filing date: 1992-11-10
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2012-11-11
Also published as: CA2123306A1; US5192169A; ZA928479B; DE69210256D1; WO1993010331A1; AU3140493A; AU658258B2; CA2123306C; EP0611414B1; EP0611414A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Reibungsanker für Felsgestein und insbesondere auf Reibungsanker für Felsgestein, die unter Kraft in ein Bohrloch mit Untergröße in eine Erdstruktur einsetzbar sind, beispielsweise in eine Schachtdecke oder -wand.
Eine Art von Reibungsanker für Felsgestein verwendet einen Schlitz längs ihrer Länge, um eine Kompressibilität zu schaffen.
Die Verwendung von geschlitzten Reibungsankern für Felsgestein zum Stabilisieren der Felsschichten in den Decken und Wänden von Schächten, Tunneln oder anderen Hohlräumen ist bekannt. Bei der Anwendung bietet diese Vorrichtung den Vorteil einer relativ leichten Installation und eines festen Sitzes, der mit der Zeit und bei Verlagerungen des Felses stärker wird. Ein mit diesen Ankern nach dem Stand der Technik verbundenes Problem besteht darin, daß ihr Gewicht und ihre Masse zu den Herstellungs- und Transportkosten beitragen und auch untertage Handhabungsprobleme verursachen können. Auch können solche Anker, wenn sie aus kohlenstoffhaltigem Stahl hergestellt sind, mit der Zeit einer Korrosion unterliegen.
EP-A-0 182 777 offenbart einen Reibungsanker für Felsgestein in der Form eines S-förmigen Nagels, der radial nachgiebig ist, wobei zwei im wesentlichen halbkreisförmige Flanken symmetrisch um einen zentralen Steg herum angeordnet und kompressibel sind, wenn der Anker in ein Felsloch getrieben wird.
US-A-4 666 345 offenbart einen hohlen Felsbolzen, der einen radialen, in Querrichtung polygonalen Querschnitt mit nachgiebigen Seiten hat, an denen äußere Flügel angebracht sind, um die Seiten eines Felslochs zu berühren. Die Flügel werden nach innen gedrückt, um die Seiten des Polygons zu verformen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Reibungsanker für Felsgestein zur Verwendung in einem Bohrloch der Art vorgesehen, die eine sich längs erstreckende Mittelachse und einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt quer zu der Mittelachse hat, wobei der Reibungsanker eine sich längs erstreckende, nicht verformbare Mittelstange aufweist, die ein oberes Ende und ein unteres Ende hat, wobei die Stange geeignet ist, sich innerhalb des Bohrlochs benachbart zu der Achse zu erstrecken, und wobei Stützarmmittel sich in Längsrichtung entlang der Stange erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützarmmittel sich von der Stange quer nach außen erstrecken, um eine radiale Kraft nach außen von der Mittelachse auf eine Bohrlochwand auszuüben, um wenigstens drei voneinander beabstandete Reibungsflächen in Berührung mit der Bohrlochwand zu drücken, wobei die Reibungsflächen zwischen sich einen Abschnitt der Stange haben, der von der Bohrlochwand beabstandet ist, wenn der Reibungsanker innerhalb des Bohrlochs angeordnet ist, wobei die Reibungsflächen auf einem Kreisbogen angeordnet sind, der um die Mittelachse herum gemessen ist, wobei der Bogen einen zentralen Winkel von wenigstens 180 Grad überspannt und wobei Kompressionsmittel an den Stützarmmitteln vorgesehen sind, um eine nachgiebige Kompression der Stützarmmittel zu gestatten und um eine Kompressionsbeanspruchung in einer radialen Richtung zwischen den Reibungsflächen und der Stange während des Einsetzens des Reibungsankers in ein Bohrloch mit Untergröße zu übertragen.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese zur Wirkung gebracht werden kann, wird nun beispielsweise auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen:
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Ankers gemäß der Erfindung, mit einem gestrichelt gezeichneten unteren Flansch.
Fig. 2 ist eine Vorderansicht des Ankers der Erfindung.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Ankers der Erfindung.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Anker der Erfindung mit der in einer gestrichelten Linie gezeichneten Bohrlochwand.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die äußerste Grenze veranschaulicht.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung, mit einem in gestrichelten Linien gezeichneten unteren Flansch.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist dort ein Anker 1 zur Verwendung in einem konventionellen Bohrloch (nicht gezeigt) dargestellt. Wie es bekannt ist, hat das Bohrloch eine zentrale Längsachse, wobei die Bohrlochwand um die Achse herum beabstandet ist, um eine Öffnung zu bilden, die einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat, wenn sie in einer Ebene quer zu der Mittelachse betrachtet wird.
Der Anker 1 weist ein oberes Ende 3, ein unteres Ende 5 und eine längliche zentrale Stange 7 auf, die sich zwischen dem oberen Ende 3 und dem unteren Ende 5 erstreckt. Das obere Ende 3 ist verjüngt, um ein Einsetzen dieses Endes in ein Bohrloch zu erleichtern. Das untere Ende 5 hat einen daran befestigten Flansch 9, der größer ist als der Bohrlochdurchmesser. Die Stange 7 ist geeignet, sich innerhalb des Bohrlochs benachbart zu oder übereinstimmend mit der Längsachse des Bohrlochs zu erstrecken. Von der Stange 7 erstrecken sich quer nach außen Stützarmmittel, die allgemein mit 11 bezeichnet sind, um wenigstens drei voneinander beabstandete Reibungsoberflächen 13 in nachgiebige Berührung mit der Bohrlochwand zu drücken, wenn der Anker 1 in ein Bohrloch mit Untergröße eingetrieben wird. Wie in Fig. 4 zu sehen ist, wenn die Reibungsflächen 13 die Bohrlochwand 14 berühren, befindet sich dazwischen ein Teil der Stange 7 mit Abstand von der Bohrlochwand 14, wie es ersichtlich ist, wenn der Anker in einer Ebene quer zu der Längsachse des Bohrlochs betrachtet wird.
Zwischen jeder Reibungsoberfläche 13 und der zentralen Stange 7 erstreckt sich ein Stützarm 15. Jeder Stützarm 15 erstreckt sich radial und nach außen von der Stange 7, wenn diese in einer Ebene quer zu der Mittelachse des Bohrlochs betrachtet wird. Jeder Stützarm 15 ist in einer Richtung auf die Stange 7 zu während des Einsetzens des Ankers 1 in ein Bohrloch mit Untergröße nachgiebig kompressibel. Es ist zu verstehen, daß die Arme 15 geeignet sind, die Kompressionsbeanspruchung in einer radialen Richtung zwischen den Oberflächen 13 und der Stange 7 zu übertragen, wenn die Anordnung in einer Ebene quer zu der Mittelachse des Bohrlochs betrachtet wird.
Die nachgiebige Kompression der Arme 15 wird erleichtert, indem ein winkelförmig abgebogener Bogenabschnitt 17 in dem Arm 15 zwischen der Oberfläche 13 und der Stange 7 vorgesehen ist, an dem ein nachgiebiges Biegen auftreten kann. Es ist bevorzugt, den Bogen 17 in zwei der drei Stützarme 15 auszubilden, wobei einer der Stützarme 15 gerade, ohne den Bogen 17, ausgebildet ist. Alternativ können alle oder keine der Arme 15 den Bogen 17 haben, solange wenigstens ein Stützarm 15 beim Einsetzen des Ankers 1 in ein Bohrloch mit Untergröße auf die Stange 7 zu kompressibel ist.
Die Stützarme 15 sind um die Stange 7 herum so beabstandet, daß die Reibungsflächen 13 die Bohrlochwand an wenigstens drei Kontaktbereichen berühren, die grob gesagt gleichmäßig voneinander beabstandet sind, gemessen um einen Kreis herum, der mit der Mittelachse des Bohrlochs als Mittelpunkt gezeichnet anzunehmen ist. Wie hier verwendet, wird ein solcher Kreis als "Reibungsoberflächenkreis" bezeichnet. Damit der Anker in seiner Stellung verbleibt, nachdem er in das Bohrloch eingesetzt worden ist, ist zu verstehen, daß die Reibungsoberflächen 13 auf einem Bogen des Reibungsoberflächenkreises angeordnet sind, wobei der Bogen einen Mittelwinkel von wenigstens 180 Grad überspannt. Es ist ferner zu verstehen, daß jede Reibungsfläche 13 die Bohrlochwand über eine Bogenlänge an dem Reibungsoberflächenkreis berührt, aber eine Berührung an einer Reibungsoberfläche kann auch nur an einem einzigen Punkt auftreten. Wie hier verwendet, wird eine solche Bogenlänge der Berührung an dem Reibungsoberflächenkreis als "Berührungsbogenlänge" bezeichnet. Alle Bogenentfernungen zwischen irgendwelchen zwei Reibungsoberflächen 13 werden hier von dem ungefähren Mittelpunkt der entsprechenden Berührungsbogenlängen aus gemessen.
Es ist zu verstehen, daß, wenn sich der Anker außerhalb des Bohrlochs befindet, der Durchmesser des Reibungsoberflächenkreises größer ist als der Durchmesser des Bohrlochs. Wenn sich der Anker innerhalb des Bohrlochs befindet, ist der Durchmesser des Reibungsoberflächenkreises gleich dem Durchmesser des Bohrlochs, als Ergebnis der nachgiebigen Kompression der Arme 15.
Unter Bezugnahme nunmehr auf die Fig. 2 und 3 ist der Flansch 9 am unteren Ende der Stange 7 gezeigt. Der Flansch 9 kann ein getrenntes Stück sein, das durch irgendwelche herkömmlichen Mittel, wie Schweißen, befestigt ist. Alternativ kann der Flansch 9 einstückig mit der Stange 7 und den Armen 15 hergestellt sein, wie beispielsweise durch Stauchschmieden der Stange 7. Es ist bevorzugt, daß der Flansch 9 ein massives Glied ist, aber er kann auch ein hohles, rohrförmiges Glied sein. Der Flansch 9 hat um sich herum angeordnet eine Tragplatte 19. Wenn der Anker 1 in das Bohrloch eingesetzt wird, drückt der Flansch 9 die Tragplatte 19 in Berührung mit der abzustützenden Erdstruktur. Die Platte 19 verteilt die axiale Belastung des Ankers 1 über eine größere Oberfläche, um erhöhte Stabilität zu erzielen, wie es bekannt ist. Der Flansch 9 schafft die Struktur, gegen welche konventionelle Einsetzvorrichtungen wirken, um den Anker 1 in das Bohrloch zu treiben.
Fig. 5 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel. Drei Stützarme 15 sind in Umfangsrichtung um die Stange 7 in etwa gleichen Bogenintervallen beabstandet. Der zentrale Winkel 31 zwischen jeder Berührungsfläche 13 beträgt 120 Grad, gemessen zwischen den ungefähren Mittelpunkten 33 jeder Berührungsbogenlänge 35. Es wäre äquivalent, wenn der Abstand zwischen jeder Berührungsfläche 13 an der äußersten Kante jeder Berührungsbogenlänge 35 gemessen würde.
Fig. 6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, das eine äußere Begrenzung des Abstands der Kontaktflächen 13 darstellt. Der zentrale Winkel 37, der den Bogen überspannt, auf dem alle Berührungsflächen angeordnet sind, beträgt 180 Grad, gemessen von der äußersten Kante der Berührungsbogenlängen 39 und 41. Wenn der zentrale Winkel 37 kleiner als 180 Grad ist, würde der Anker nicht wesentlich gegen die Bohrlochwand zusammengedrückt werden, und der Anker würde dann aus dem Bohrloch herausfallen können.
Ohne auf irgendeine besondere Theorie der Wirkungsweise eingeschränkt zu sein, wird angenommen, daß die radiale Richtung der nachgiebigen Kompression der Arme 15 die Tendenz bewirkt, die Beanspruchungen in der Stange 7 zu konzentrieren und daß dadurch eine unterschiedliche Charakteristik der Beanspruchungsbelastung im Vergleich zu bekannten geschlitzten Ankern geschaffen wird. Bekannte geschlitzte Anker unterliegen einem Biegen der Struktur des Ankers allgemein parallel zu der Bohrlochwand, ähnlich wie bei einem gebogenen Balken, und sie haben nicht irgendein Glied, das geeignet ist, eine radiale Kraft nach außen gegen die Bohrlochwand direkt von der Mittellinie des Bohrlochs aus auszuüben. Es wird angenommen, daß dieses Merkmal der Beanspruchungsverteilung des vorliegenden Ankers einen außerordentlich starken Anker zur Folge hat. Zusätzlich können wegen des Vorhandenseins von zwei deutlich getrennten Elementen, nämlich der zentralen Stange 7 und der Arme 15, die Materialien oder die Herstellungsverfahren gewählt werden, die einen Anker mit zwei unterschiedlichen und unabhängig voneinander veränderbaren Stärkeeigenschaften schaffen: (1) Zugstärke der Stange 7 in Längsrichtung, die die Bruchstärke des Ankers beeinflußt, und (2) Widerstandsfähigkeit der Arme 15 gegen Kompression, die die Reibungshaltekraft des Ankers beeinflußt. Ferner wird angenommen, daß die Verwendung von nicht korrodierenden Materialien mit geringem Gewicht für den Anker zulässig ist, wie beispielsweise Aluminium oder Kunststoffe mit hoher Stärke. Solche Materialien mögen normalerweise nicht ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Biegen in einem Biegemodus eines einfachen gekrümmten Balkens ohne übermäßige Größe oder übermäßiges Volumen bieten. Jedoch könnten solche Materialien ausreichende Radialkraft in einem radialen Kompressionsmodus bieten, um als Anker wirksam zu sein. Diese Vorteile können deswegen wichtig sein, weil eine Korrosion des Ankers vermieden und das Gewicht des Ankers minimiert werden kann. Zusätzlich bietet sich die Kombination der zentralen Stange 7 und der radialen Arme 15 für einen Extrusions-Herstellungsvorgang an, was ein Verfahren ist, das allgemein bei Aluminium oder Kunststoffen verwendet wird. Der Extrusionsvorgang kann Einsparungen bei den Herstellungskosten des Ankers bieten.
Fig. 7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, das erhöhte Zugstärke in Längsrichtung für Anker bietet, die aus Kunststoffen oder Aluminium geformt sind. Die zentrale Stange 7 weist ein Verstärkungsglied 51 auf, das sich in Längsrichtung längs der Länge der Stange 7 erstreckt und in deren zentralen Teil eingebettet ist. Das Verstärkungsglied 51 kann unter Reibungssitz in eine Öffnung eingebracht werden, die in dem zentralen Teil der Stange 7 ausgebildet ist, oder es kann alternativ darin befestigt werden, wie beispielsweise durch einen Schmelzvorgang oder mit geeigneten Klebern. Das Verstärkungsglied 51 kann aus Kohlenstoffstahl mit hoher Stärke bestehen, wenn der Anker 1 aus einem nicht korrodierenden Material hergestellt ist, wie Aluminium oder Kunststoffen.
Während der Anker mit drei Stützarmen 15 gezeigt worden ist, kann jede größere Zahl solcher Arme 15 ebenfalls wirksam sein. Es wird jedoch angenommen, daß weniger als drei Stützarme 15 unerwünschte anisotrope Steifigkeitseigenschaften in dem Anker zur Folge haben könnten und daß weniger als drei Stützarme 15 nicht die Vorteile der Kompressionskraft in einer radialen Richtung zusammen mit der Gesamtstärke und Stabilität des Ankers, wie beschrieben, schaffen würden.

Claims

1. Reibungsanker (1) für Felsgestein, zur Verwendung in einem Bohrloch der Art, die eine sich längs erstreckende Mittelachse und einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt quer zu der Mittelachse hat, wobei der Reibungsanker eine sich längs erstreckende, nicht verformbare Mittelstange (7) aufweist, die ein oberes Ende (3) und ein unteres Ende (5) hat, wobei die Stange geeignet ist, sich innerhalb des Bohrlochs benachbart zu der Achse zu erstrecken, und wobei Stützarmmittel (11) sich in Längsrichtung entlang der Stange erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützarmmittel (11) sich von der Stange (7) quer nach außen erstrecken, um eine radiale Kraft nach außen von der Mittelachse auf eine Bohrlochwand auszuüben, um wenigstens drei voneinander beabstandete Reibungsflächen (13) in Berührung mit der Bohrlochwand zu drücken, wobei die Reibungsflächen zwischen sich einen Abschnitt der Stange haben, der von der Bohrlochwand beabstandet ist, wenn der Reibungsanker innerhalb des Bohrlochs angeordnet ist, wobei die Reibungsflächen auf einem Kreisbogen angeordnet sind, der um die Mittelachse herum gemessen ist, wobei der Bogen einen zentralen Winkel von wenigstens 180 Grad überspannt uhd wobei Kompressionsmittel (17) an den Stützarmmitteln (11) vorgesehen sind, um eine nachgiebige Kompression der Stützarmmittel zu gestatten und um eine Kompressionsbeanspruchung in einer radialen Richtung zwischen den Reibungsflächen (13) und der Stange während des Einsetzens des Reibungsankers in ein Bohrloch mit Untergröße zu übertragen.

2. Reibungsanker nach Anspruch 1, bei dem die Stützarmmittel (11) einen Stützarm (15) aufweisen, der sich zwischen jeder der Reibungsflächen (13) und der Stange (7) erstreckt.

3. Reibungsanker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kompressionsmittel (17) durch wenigstens einen der Stützarme gebildet sind, der nach dem Einsetzen des Reibungsankers in ein Bohrloch mit Untergröße nachgiebig verformbar ist.

4. Reibungsanker nach Anspruch 3, bei dem wenigstens einer der verformbaren Stützarme einen abgewinkelten Bogenabschnitt (17) aufweist, an dem eine nachgiebige Verformung auftreten kann.

5. Reibungsanker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kreis, auf dem die Reibungsflächen (13) angeordnet sind, einen Durchmesser hat, der größer ist als der Durchmesser des Bohrlochs, wenn der Reibungsanker sich außerhalb des Bohrlochs befindet, und einen Durchmesser gleich dem Durchmesser des Bohrlochs hat, wenn sich der Reibungsanker innerhalb des Bohrlochs befindet.

6. Reibungsanker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stützarmmittel (11) benachbart zu dem oberen Ende (3) der Stange (7) ein abgeschrägtes Ende haben.

7. Reibungsanker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das untere Ende (5) der Stange einen daran befestigten Flansch (9) hat.

8. Reibungsanker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stange ein Verstärkungsglied (51) in ihrem mittleren Abschnitt aufweist, das sich längs der Länge der Stange erstreckt und vollständig innerhalb der Stange angeordnet ist.

9. Reibungsanker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Reibungsflächen (13) voneinander durch einen zentralen Winkel von im wesentlichen 120 Grad beabstandet sind.

10. Reibungsanker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Reibungsanker aus einem nicht-korrodierenden Material mit geringem Gewicht hergestellt ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die im wesentlichen aus Aluminium und Kunststoffen mit hoher Stärke besteht.

11. Reibungsanker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stange und die Stützarmmittel unterschiedliche und unabhängig voneinander veränderbare Zugstärke- und Kompressionsstärke-Eigenschaften in Längsrichtung haben.