-
Hintergrund der Erfindung
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Spannungen bzw. Verspannungen messende
Felsankervorrichtung und spezifischer auf einen Mechanismus zum
Bestimmen und Messen von axialer Zuglast oder Spannung auf einen
Kabelbolzen, eine Reibungsstabilisiereinrichtung bzw. einen Reibungsanker
oder ähnliche
Mittel, die für
das Abstützen
von Felsschichten verwendet werden.
-
2. Kurze Beschreibung
des Stands der Technik
-
Es
ist in Abbauarbeiten wünschenswert,
daß zum
maximalen Austrag von Erzen in unterschiedlichen Tiefen, Erzblöcke der
größtmöglichen
Abmessungen abgebaut werden. Der limitierende Faktor für das Design
bzw. die Konstruktion ist die Festigkeit des Gesteins in der Nachbarschaft
des Erzkörpers, welcher
vor einem Abbauen inhärent
schwach oder hoch durchbrochen aufgrund von geologischen Bedingungen
sein kann. In Situationen, wo die Festigkeit des Erzkörpers überschritten
wird, ist die Implikation für
die Sicherheit des Personals, ebenso wie für eine "Verdünnung" des Erzes durch
den umgebenden Abfallfelsen, einen Verlust von Reserven und dgl. sehr
schwerwiegend.
-
Eine
universell akzeptierte Ingenieurlösung bzw. technische Lösung für dieses
Problem ist es, den Felsen unter Verwen dung von Stahlkabelbolzen oder
Dübeln
oder ähnlichen
Vorrichtungen zu verstärken,
die in Bohrlöcher
zementiert oder gezwungen sind. Das Grundprinzip, im Prinzip dasselbe
wie verstärkten
Beton, ist es, die zusätzliche
Festigkeit zur Verfügung
zu stellen, die erforderlich ist, um es dem Felsen zu ermöglichen,
sich selbst zu tragen. Eine gute Beschreibung von derartigen Felsbolzen bzw.
-ankern, Dübeln
und dgl. und von der Art, wie diese verwendet werden, wird in dem
Buch mit dem Titel "Support
of Underground Excavations in Hard Rock" von E. Hoek, P. K. Kaiser and W. F.
Bawden, insbesondere auf Seiten 152–164, herausgegeben von A.
A. Balkema/Rotterdam/Brookfield in 1995 gegeben.
-
Es
ist jedoch wie bei jedem Verbundmaterial, umfassend Zement oder
Beton, die schwächste
Verbindung der Kontakt zwischen den verschiedenen Komponenten. Für einen
Kabelbolzen entspricht dies der Kabel/Zement-Grenzfläche und
resultiert oft im Versagen aufgrund eines Gleitens an der Zement-Stahl-Grenzfläche bei
Lasten bzw. Belastungen signifikant unter der, welche für ein Brechen
des Stahlkabels erforderlich ist.
-
Um
diesem Problem entgegenzuwirken, umfaßten zahlreiche neuerliche
Innovationen die Modifikation der Grundkabelgeometrie, indem die
Verwebung bzw. Verdrillung des Kabels weit genug geöffnet wurde,
um es dem Zement zu ermöglichen,
zwischen die individuellen Drähte
zu fließen,
wodurch eine stärkere "mechanische" Verriegelung zwischen
dem Zement und dem Kabel ausgebildet wurde. Derartige Alternativen
bieten Vorteile und Nachteile in bezug auf die Leistung, Installationseinfachheit
und den Preis. Gegenwärtig
sind die sogenannten "Wulst"- und "Nußschalen"- ("nutcase") bzw. "Wirr"-Kabel Kabelbolzen modifizierter Geometrie,
welche häufig
in kanadischen Minen verwendet werden. Ein drittes modifiziertes
Kabel, das GarfordTM-Blasenankerkabel wird
auch in kanadischen Minen eingebracht.
-
Modifizierte
Kabelgeometrien werden einen effizienteren Kabelsupport in Boden
schlechter Qualität
und unter nachteiligen Abbaubedingungen verleihen, jedoch hängt ihre
weit verbreitete Akzeptanz von einer weiteren nicht ortspezifischen
Auswertung und Überwachung
der Leistung ab. Bedeutender ist, wenn modifizierte Kabelbolzen-
bzw. Kabelankerausbildungen, d. h. sowohl im Hinblick auf Muster
als auch die Länge
zu optimieren sind, eine Instrumentierung erforderlich, um direkt
und genau die Lasten bzw. Belastungen zu überwachen, welchen die Kabel modifizierter
Geometrie unter verschieden in-situ-Bedingungen unterworfen werden.
Auch hier wird immer eine signifikante Benutzung von konventionellen 7-Draht
verseilten Kabelbolzen sein und es ist wichtig fähig zu sein, eine derartige
Kabelbolzen- bzw. Kabelankerkonstruktion so zu adaptieren, daß sie auch genau
und effizient überwacht
werden kann. Darüber hinaus
würden
auch sogenannte Reibungsstabilisierungseinrichtungen, wie die Split
SetTM-Stabilisierungseinrichtung, die durch
Ingersoll-Rand hergestellt wird, von einem genauen Überwachen
der Zugspannung oder Last stark profitieren, welchen sie unterworfen
werden können.
-
Die
Grundvoraussetzungen für
eine derartige Instrumentierung sind wie folgt: (i) sie sollte leicht selbst
unter nachteiligen Bedingungen zu installieren sein; (ii) sie sollte
eine geeignete Empfindlichkeit und Genauigkeit für den beabsichtigten Zweck
besitzen, jedoch sollte sie auch fähig sein, unter einem Bereich von
erwarteten Verlagerungen zu arbeiten; (iii) sie sollte robust und
geeignet geschützt
sein, um eine Dauerhaftigkeit für
die erforderliche Dauer der Arbeit sicherzustellen; (iv) sie sollte
leicht abzulesen sein und Ergebnisse sollten unmittelbar dem Betätiger zur Verfügung stehen;
(v) sie sollte nicht mit der Effektivität der Felsabstützungsmittel,
wie dem Kabelbolzen oder dem Reibungsanker bzw. der Reibungsstabilisierungseinrichtung
zusammenwirken bzw. diese beeinflussen, und (vi) sie sollte billig
sein, um sich innerhalb des finanziellen möglichen Bereichs der meisten Arbeiten
zu bewegen.
-
Es
wurden Anstrengungen getätigt,
ein derartiges Überwachungsmeßgerät unter
Verwendung eines Widerstandsdrahtkonzeptes herzustellen. US-Patent
Nr. 4.803.888 vom 14. Februar 1989 beschreibt eine derartige Widerstandsdrahtmeßeinrichtung.
Jedoch ist das grundsätzliche
Problem mit Widerstandsdrahtüberwachungen,
daß Widerstandsdrähte, wie
Nichrom, bei etwa 0,5% Spannung bzw. Belastung nachgeben, während das
Kabel, welches sie messen, bei beispielsweise 0,8% Spannung nachgeben
können.
D. h., wenn sich das Kabel unter hoher Last befindet, beginnt der
Widerstandsdraht nachzugeben, während
das Kabel immer noch elastisch ist und es kann keine exakte Ablesung
unter derartigen Bedingungen erhalten werden.
-
Ein
weiteres Problem mit derartigen Vorrichtungen ist, daß die Widerstandsdrähte an das Äußere des
Kabels festgelegt sind, d. h. an der Kabel-Zement- bzw. Kabel-Auskleidungs-Grenzfläche, welche die
Grenzfläche
ist, an welcher ein Versagen und Gleiten auftreten, wenn das Kabel
progressiv unter Last gesetzt bzw. belastet wird. Jedoch können die Ergebnisse
stark durch die Anwesenheit des Instruments selbst beeinflußt werden.
-
Eine
genaue Meßvorrichtung
von Spannungen für
eine Gesteinsankervorrichtung würde
insbesondere für
Kabel mit modifizierter Geometrie vorteilhaft sein, da es hier das
Ziel ist, das Kabelmuster zu optimieren, ohne das Kabel selbst zu überlasten
und zu brechen. Bei Kabeln mit modifizierter Geometrie ist die prinzipielle
Art eines Versagens der Zugbruch des Stahlkabels. So ist ein Bruch
von derartigen Kabeln vorhersehbar bzw. vorhersagbar; er tritt bei
etwa 25 Tonnen Axiallast in einem Einzelstrangkabel auf und es ist
daher wichtig zu wissen, wann eine derartige Last erreicht wird.
-
Als
eine Tatsache kann ein Kabeldesign modifizierter Geometrie auf zwei
Arten nicht erfolgreich sein:
- (1) Wenn Einzelstrang-Kabellasten
25 Tonnen übersteigen,
resultiert ein Kabelbruch in unmittelbarem Einbrechen des Bodens,
und
- (2) wenn Kabellasten sehr niedrig sind (z. B. 10–15 Tonnen),
ist das Design überkonservativ und
somit unnötig
teuer.
-
Weiters
können,
wenn das Abbauen fortschreitet, durch das Abbauen induzierte Belastungs- bzw.
Spannungsänderungen
in verzögerten
Versagen resultieren. Die Spannungsmeßinstrumentausgaben können verwendet
werden, um ein besseres Verständnis
der Standzeit zu erzielen und um einen Hinweis von einem imminenten
bzw. unmittelbar bevorstehenden Versagen zur Verfügung zu
stellen. Derartige Daten sind für
eine Risikoabschätzung
in kritischen Bereichen (z. B. Zutritt- gegen Nicht-Zutritts-Bereiche)
verwendbar.
-
Ziele und
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands
der Technik zu beseitigen und eine effiziente Spannungsmeßvorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, welche mit Kabelbolzen bzw. -ankern, Reibungsstabilisierungseinrichtungen
und dgl. beim Abbau und in ähnlichen
Anwendungen verwendet werden können.
-
Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine neue Anordnung des Instrumentierungskopfs
für die Spannungsmessungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung zur Verfügung zu stellen.
-
Andere
Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
derselben offensichtlich werden.
-
In
ihrem breiten Aspekt umfaßt
die Belastungs- bzw. Spannungsmeßvorrichtung der vorliegenden
Erfindung Felsabstützmittel,
wie einen Kabelbolzen bzw. -anker, eine Reibungsstabilisierungseinrichtung
oder dgl., welches mit einem inneren bzw. internen, längsverlaufenden
Hohlraum versehen ist, der sich dadurch erstreckt, um wenigstens
einen starren Draht oder Faden aufzunehmen, von welchem ein Ende
an einem vorbestimmten Ankerpunkt oder Punkten verankert ist, wenn
sich mehr als ein derartiger Draht oder Faden innerhalb des Hohlraums
befindet, und das andere Ende (oder die Enden) mit einem längsbewegbaren
federbelasteten Betätigungsglied
verbunden ist, das einen elektrischen Kontakt mit einem eine Linearverlagerungs-
bzw. -bewegung erfassende Mittel, wie einem linearen bzw. Linearpotentiometer
oder einem linearen Spannungsverlagerungswandler (LVDT) aufweist,
welche die Bewegung der Betätigungseinrichtung
und somit die Dehnung oder Streckung der Felsunterstützungs- bzw. -ankermittel
aufgrund der Spannungen bzw. Belastungen in dem Felsen messen. Die
Messung der Verlagerung der Betätigungseinrichtung
kann somit mit der Zugspannung oder Last korreliert werden, die durch
die Spannungen in den Felsschichten auftreten.
-
Wenn
sie mit einem Kabelbolzen bzw. -anker assoziiert ist, kann die Spannungsmeßvorrichtung der
vorliegenden Erfindung ein konventionelles Kabel aus 7 Drahtlitzen
bzw. -strängen
oder ein modifiziertes Kabel, wie ein Wulst-, Nußschalen- oder GarfordTM-Kabel
umfassen, das eine Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten Knoten oder
Vorsprüngen
bzw. Erhebungen aufweist, die entlang seiner Länge ausgebildet sind, und ein
oder mehrere starre Drähte
oder Fäden,
wie torsionsgerichtete Musikdrähte,
die sich beispielsweise entlang eines inneren, längsverlaufenden Hohlraums erstrecken,
der im Kabel vorgesehen ist, beispielsweise in der Form einer Abflachung
oder einer Nut bzw. Rille, die auf einen zentralen Draht bzw. Hauptdraht
geritzt ist, oder vorzugsweise in der Form eines Hohlraums, der
sich durch das Zentrum des rohrförmigen
zentralen Drahts erstreckt und an vorbestimmten Ankerpunkten verankert
ist, welche mit den oben erwähnten, gleichmäßig beabstandeten
Knoten übereinstimmen können. In
dem Fall von hohlen Stabilisierungsmitteln sind diese ab initio
mit den erforderlichen inneren Hohlräumen versehen, in welche die
starren, eine Spannung messende Drähte oder Fäden eingesetzt und verankert
werden können.
-
Anders
als frühere
Vorrichtungen, erlaubt es die neue Anordnung der Instrumentierung
(anders als die Ausleseinstrumentierungskopfanordnung), daß sie im
wesentlichen voll ständig
innerhalb der Felsabstützmittel
bzw. Felsankermittel verkapselt ist, was sicherstellt, daß sie im
wesentlichen identisch zu ihrem nicht-instrumentierten Äquivalent
arbeitet und aussieht, während
sie gut geschützt
ist. Das Instrument mißt
effektiv eine Draht- oder Fädenverlagerung
zwischen jedem Anker und der federbelasteten Betätigungseinrichtung am anderen
Ende und kann daher verwendet werden, um eine Zugkabellast oder Spannung
bzw. Belastung und den Sicherheitsfaktor gegenüber einem Bruch zu überwachen.
Das Instrument kann leicht kalibriert werden, um effektive Kabellastmessungen
zu ergeben.
-
Innerhalb
der am meisten bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung,
ist, wenn ein Kabelanker instrumentiert ist, der zentrale Hauptdraht eines
geeigneten Kabels hohl gemacht, d. h., er ist in Form eines Rohrs,
und ein starrer Draht oder ein Faden oder eine Mehrzahl von derartigen
starren Drähten
oder Fäden
ist in dem inneren Hohlraum des Rohrs installiert, wo derartige
Drähte
oder Filamente bzw. Fäden
an vorbestimmten Ankerpunkten verankert sind, um eine geeignete
Messung ihrer Verlagerung aufgrund der Deformation oder Dehnung
des Kabels und somit der Spannung zur Verfügung zu stellen, welcher das
Kabel unterworfen ist. Die starren Drähte bzw. der starre Draht oder
Fäden oder (Faden)
tritt aus dem äußeren Bodenende
des rohrförmigen
Hauptdrahts aus und ist bzw. sind an einer Instrumentenkopfanordnung
angeschlossen, die ein geeignetes lineares Potentiometer oder LVDT
aufweist, welches mit einem Auslesemittel oder einer Anzeigeeinheit
für ein
periodisches oder kontinuierliches Auslesen oder Anzeigen der Verlagerung
der Betätigungseinrichtung(en)
verbunden ist, die innerhalb der Instrumentenkopfanordnung am Ende
des starren Drahts oder Fadens (der Drähte oder Fäden) angeordnet ist bzw. wird,
wodurch die Kabellast gemessen wird, welche zu einer derartigen
Verlagerung korreliert bzw. in Bezug gesetzt werden kann. Wenn eine
Mehrzahl von derartigen starren Drähten oder Fäden verwendet wird, stellen
sie eine noch genauere Spannungsmessung zur Verfügung. In einem derartigen Fall
werden federbelastete torsionsgestreckte Drähte innerhalb des hohlen Hauptdrahts
oder einem anderen Längshohlraum
in unterschiedlichen Distanzen festgelegt. Eine Spannung bzw. Dehnung
des Kabels wird dann zu den Betätigungseinrichtungen auf
dem Instrumenten- bzw. Instrumentierungskopf durch diese Drähte übertragen.
Wenn Reibungsstabilisierungseinrichtungen bzw. -stabilisatoren verwendet
werden, werden die starren Drähte
an ihren Wänden
festgelegt bzw. verankert und laufen in dem zentralen Hohlraum davon.
Eine Verwendung von sechs derartigen Drähten gemeinsam mit zwei diametral
gegenüberliegenden
dreifachen, linearen Potentiometern, die innerhalb der Instrumentierungskopfanordnung
eingeschlossen sind, ist insbesondere vorteilhaft.
-
Es
sollte erwähnt
werden, daß das
Prinzip einer Arbeitsweise der Spannungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung darauf basiert, das in Bohrlocher-Extensometern zum Überwachen
von relativen Massenverlagerungen in einem Bohrloch verwendet wird,
das in einen Felsen oder dgl. gebohrt ist. Ein derartiger Extensometer
ist in US-Patent Nr. 4.719.803 vom 19. Jänner 1988 beschrieben. In einem
derartigen Extensometer sind die Ankerpunkte mit Kontaktmitteln
ausgebildet, welche die Bohrlochwand ergreifen und eine lineare
Verlagerung erfassende Mittel sind angeordnet, um die relative Massenverlagerung
als eine Änderung
in einem Abstand zwischen den Ankergliedern innerhalb des Bohrlochs zu messen.
Von Bohrlochextensometern ist bekannt, daß sie genau und zuverlässig sind.
-
Es
wurde überraschender
Weise gefunden, daß ein ähnliches
Prinzip auf eine Spannungsmeßvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung angewandt werden konnte, wo der Ankerpunkt oder die Punkte
unter Verwendung von starren Drähten
oder Fäden
innerhalb der Kabelbolzen oder Dübel
oder Stabilisierungseinrichtungen bzw. Stabilistoren oder ähnlichen
Felsunterstützungsmitteln
ausgebildet werden können,
um eine Spannung bzw. Belastung innerhalb der so abgestützten Felsformation
zu überwachen,
indem die Verlagerung gemessen wird, die durch derartige Drähte oder
Fäden aufgrund
einer Kabeldeformation erzeugt wird, die aus einer derartigen Spannung
resultiert. Die neue Vorrichtung kann kompakt und billig gemacht
werden, wobei einfache starre Drähte
oder Fäden
für eine
Spannungsmessung verwendet werden.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
-
1 eine
Darstellung bzw. Illustration eines instrumentierten Kabelankers
ist, der in einem Bohrloch in dem Felsen einzementiert ist, wobei
die Instrumenten- bzw. Instrumentierungskopfanordnung an seinem
Außenende
zum Messen von Spannungen in dem Felsen vorgesehen ist;
-
2 eine
Querschnittsansicht eines Standard 7-Drähte-Kabelankers bzw. Kabelbolzens
ist, der normalerweise für
Felsanker- bzw. Felsunterstützungszwecke
verwendet wird;
-
3 eine
Querschnittsansicht eines Kabelankers gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung
ist, wo der Hauptdraht hohl oder rohrförmig ist;
-
4 eine
perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Hauptdrahts ist, der
in 3 gezeigt ist;
-
5 eine
Querschnittsansicht eines Kabelbolzens gemäß einer anderen Ausbildung
der vorliegenden Erfindung ist, wo der Hauptdraht mit einer Längsnut bzw.
-rille versehen ist;
-
6 eine
perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Hauptdrahts ist, der
in 5 gezeigt ist;
-
7 eine
Querschnittsansicht eines Kabelankers gemäß einer anderen Ausbildung
der Erfindung ist, in welcher der Hauptdraht abgeflacht ist;
-
8 eine
perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Hauptdrahts ist, der
in 7 gezeigt ist;
-
9 eine
perspektivische Ansicht eines Split-SetTM-Stabilisators
ist, der für
eine Felsabstützung
bzw. Felsverankerung und Stabilisierungszwecke verwendet sind, die
seinen inneren hohlen Abschnitt und den Spalt in seinem Körper und
die Instrumentierungskopfanordnung an seinem Außenende zeigt;
-
10 eine
perspektivische Ansicht eines rohrförmigen Hauptdrahts mit drei
starren Drähten ist,
die innerhalb des Hohlraums verlaufen und an einem Ende davon durch
Löcher
verankert sind, die in der Wand des Hauptrahmens ausgebildet sind;
-
11 eine
perspektivische Ansicht eines hohlen Hauptdrahts ähnlich zu
jenem ist, der in 10 gezeigt ist, jedoch mit sechs
starren Drähten, die
darin in dem Hohlraum verlaufen, die mittels hohlen Dübeln innerhalb
des Hauptdrahts verankert sind;
-
12 die
Festlegung eines Kabelankers an dem Innenmechanismus der Instrumentierungskopfanordnung
illustriert;
-
13 die
Instrumentierungskopfanordnung illustriert, die für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
-
14A und 14B in
größerem Detail die
Instrumentierung innerhalb der Kopfanordnung illustrieren;
-
15 eine
diagrammartige Illustration eines Dreifach-Ankerpunkt-Prototyps
ist, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung getestet wurde;
-
16 ein
Graph ist, die die Kraft (F) gegen die Zeit in einem Prototyp zeigt,
der in 15 illustriert ist; und
-
17 ein
Graph einer Kabeldehnung (DX) gegen die Zeit ist, die als ein Ergebnis
der Kraft (F) erhalten wird, die auf den Prototyp angelegt wird,
der in 15 illustriert ist.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
1 erläutert die
allgemeine Anordnung eines Spannungsmeßkabelankers in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. In dieser Fig. ist das Kabel 20 in
ein Bohrloch 22 einzementiert, das in eine Felsschichtung 24 gebohrt
ist. Der Mörtel 26 ist
vorzugsweise unter Verwendung von wenigstens 0,4 Wasser/Zement-Verhältnis gefertigt,
insbesondere wenn das Kabel 20 ein modifiziertes Kabel
ist, wo eine gute Penetration bzw. Durchdringung des Mörtels in
die Knoten erforderlich ist. Am Außenende des Kabels 20,
welches aus dem Bohrloch 22 austritt, ist durch eine Hülse 74 eine
Beanspruchungs- bzw. Spannungsmeßinstrumentkopfanordnung 28 angeschlossen,
die ein lineares Potentiometer oder ein LVDT verwendet, um jede
Deformation oder Spannung bzw. Dehnung in dem Kabel 20 zu
messen, die durch die Spannung bzw. Belastung in dem Felsen 24 erzeugt
wird. Die Kopfanordnung 28 ist mittels eines elektrischen
Kabels 30 mit einer Anzeigeeinheit 32 verbunden,
welche kalibriert ist, um die Zugspannung oder Zuglast anzuzeigen,
die auf das Kabel 20 ausgeübt ist.
-
Wenn
das Kabel 20 ein standardmäßiges, aus 7 Drähten geflochtenes
bzw. gewickeltes Kabel ist, das eine Anordnung von Drähten aufweist,
wo der zentrale Hauptdraht 34 vollständig durch Umfangsdrähte 36 umgeben
ist, wie dies im Querschnitt in 2 gezeigt
ist, würde
es nicht für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet sein, welche einen inneren
längsverlaufenden
Hohlraum oder eine Ausnehmung in dem Kabel erfordert, um starre
Drähte oder
Fäden aufzunehmen,
die an vorbestimmten Ankerpunkten verankert sind und verwendet werden, um
die Spannung oder Zuglast zu messen, die auf das Kabel ausgeübt wird.
-
So
stellt im Fall eines Kabelbolzen bzw. eines Kabelankers die am meisten
bevorzugte Ausbildung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung eine Anordnung von Drähten zur
Verfügung,
wo ein hohler oder rohrförmiger
Hauptdraht 38 verwendet sind, wie dies im Querschnitt in 3 und
in der Perspektive in 4 illustriert ist. Der Hohlraum 40 in diesem
rohrförmigen
Hauptdraht sollte ausreichend sein, um die gewünschte Anzahl von starren Drähten oder
Fäden aufzunehmen.
Beispielsweise kann der Hauptdraht 38 aus einem hohlen
Stahlrohr geformt sein, das einen Außendurchmesser von 5,31 mm
und einen Innendurchmesser von 3,5 mm aufweist zur Verwendung in
einem 15,2 mm aus 7 Drähten
bestehenden, verseilten Kabel geringer Relaxation. Die Querschnittsfläche des
hohlen Hauptdrahts ist so um etwa 6% verglichen mit der Gesamtquerschnittsfläche des
Kabels reduziert. Dies bildet eine 3–4% Reduktion in der Bruchkapazität, verglichen
mit jenen, die in der ASTM A416 Empfehlung ausgeführt sind. Dies
ist jedoch akzeptabel in bezug auf die Tatsache, daß der resultierende
Kabelbolzen eine genaue Messung der Lasten zur Verfügung stellt,
welchen das Kabel unterworfen ist. Vorzugsweise kann eine Antwort
unter Verwendung eines vollständig
getemperten (kaltverfestigten) im Gegensatz zu einem vergüteten rostfreien
Stahl für
rohrförmigen
Hauptdraht oder eines speziell legierten Stahls verbessert werden,
welcher Lasten sehr nahe zu der ASTM A416 Empfehlung trotz der rohrförmigen Form
des Hauptdrahts erzeugen würde.
-
Anstelle
eines in 3 und 4 gezeigten rohrförmigen Hauptdrahts 38 kann
man auch beispielsweise einen Hauptdraht 42 mit einer Längsnut bzw.
-rille verwenden, wie dies in 5 und 6 illustriert
ist, wo die Nut 44 groß genug
sein sollte, um die gewünschte
Anzahl der starren Drähte
oder Fäden
aufzunehmen.
-
Weiters
kann man anstatt eines mit einer Rille versehenen Hauptdrahts 42 auch
einen abgeflachten Hauptdraht 46 verwenden, wie dies in 7 und 8 illustriert
ist, wobei der ebene bzw. flache Abschnitt 48 derart ist,
um eine geeignete Längsausnehmung
oder einen Raum 50 zur Verfügung zu stellen, der groß genug
ist, um die starren Drähte
und Fäden
aufzunehmen.
-
Es
sollte daher verstanden werden, daß jede Anordnung von kabelbildenden
Drähten,
welche einen geeigneten inneren bzw. internen Längshohlraum oder Raum innerhalb
des Kabelankers bildet, für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung zufriedenstellend sein würde.
-
Neben
den Kabelbolzen bzw. Kabelankern kann die Erfindung auch auf Reibungsstabilisiereinrichtungen,
wie den Split SetTM-Stabilisator angewandt
werden, der in 9 illustriert ist. Hier erstreckt
sich die Stabilisierungsein richtung 52 in ein Bohrloch,
wie ein Bohrloch 22 in 1 und hat
einen inneren Hohlraum 58, welcher ausreichend breit ist, um
die starren Drähte
oder Fäden
aufzunehmen, und zusätzlich
hat er auch einen Spalt 60 in seinem Körper, der zum Festlegen von
derartigen starren Drähten
oder Fäden
innerhalb des Hohlraums 58 verwendet werden kann. Am Außenende
der Stabilisierungseinrichtung bzw. des Stabilisators 52 außerhalb des
Felskörpers
ist über
eine Hülse 74 eine
Instrumenten- bzw. Instrumentierungskopfanordnung 28 verbunden,
wie dies bereits in 1 gezeigt ist, welche selbst
durch ein elektrisches Kabel 30 mit einer geeigneten Anzeigevorrichtung 32 verbunden
ist.
-
In 10 ist
ein hohler Hauptdraht 38 in dem inneren Hohlraum 40 gezeigt,
von welchem drei starre Drähte 68 zur
Verfügung
gestellt sind, welche innerhalb des Hohlraums 40 an der
Wand des Hauptdrahts 38 an Ankerpunkten A, B und C verankert sind.
Dies kann durch ein Bohren von kleinen Löchern in der Wand des Hauptdrahts 38 an
diesen Ankerpunkten und Einsetzen der Drähte 68 durch diese Löcher und
dann ein Verschweißen
oder anderes Verankern von einem Ende von jedem dieser Drähte 68 an
dem geeigneten Anker durchgeführt
werden. Beispielsweise kann man als geeignete Drähte 68 einen gerichteten
Torsionsmusikdraht mit 0,020 mm Durchmesser verwenden. Ein nicht-metallischer
Faden, der die gewünschte
Festigkeit und Steifigkeit aufweist, würde auch geeignet sein.
-
Die
starren Drähte 68 treten
aus dem Hauptdraht 38 an dem Außen- oder Bodenende des Kabels aus
(und bilden so das Kabel) und treten in die Instrumentierungskopfanordnung 28 ein,
welche weiter unten beschrieben werden wird.
-
In 11 ist
eine Anordnung analog bzw. ähnlich
zu jener, die in 10 gezeigt ist, dargestellt bzw.
illustriert, jedoch hat hier der Hauptdraht 38 sechs starre
Spannungsmeßdrähte 68 innerhalb
seines inneren Hohlraums 40. Jeder Draht 68 ist
an einem hohlen Pfropfen 70 festgelegt bzw. verankert, der
an dem Inneren des hohlen Hauptdrahts 38 an einem vorbestimmten
Ankerpunkt gesichert ist. Der hohle Pfropfen 70 kann beispielsweise
ein Epoxyharzpfropfen sein, der durch einen Zapfen (nicht gezeigt)
an seinem Platz gehalten ist, welcher die Wand des Hauptdrahtrohrs
durchdringt, oder er kann durch einen geeigneten Kleber gesichert
sein. Die verbleibenden Drähte
werden durch das zentrale Loch 72 des Pfropfens 70 hindurchtreten,
um an weiter entlegenen Orten des Kabels verankert zu werden.
-
Obwohl 10 und 11 eine
Anordnung illustrieren, in welcher Spannungsmeßdrähte 68 innerhalb eines
rohrförmigen
Hauptdrahts 38 verankert sind, sollte verstanden werden,
daß statt
dem rohrförmigen
Hauptdraht 38 eine andere Hauptdrahtanordnung verwendet
werden kann, wie dies beispielsweise in 5 bis 8 gezeigt
ist. Darüber
hinaus können
derartige Anordnungen verwendet werden mit jeder Art von Kabelanker,
beinhaltend modifizierte Kabel, wie das Nußschalenkabel, Wulstkabel,
GarfordTM-Kabel und dgl. Das Verankern kann
in jeder geeigneten Weise durchgeführt werden, wie Verschweißen, Pfropfen,
Festlegung mit einem starken Kleber oder jeder Kombination von derartigen
Verfahren. Wenn ein Einzementieren des Kabels verwendet wird und
der Spannungsmeßdrähte 68 in
einem System vorliegen, wie dies in 5 bis 8 gezeigt
ist, sind sie vorzugsweise geschmiert, so daß sie nicht durch den Mörtel immobilisiert
werden.
-
Weiters
sind die Anordnungen, die in 10 und 11 gezeigt
sind, obwohl sie im Zusammenhang mit einem hohlen Hauptdraht gezeigt
sind, auf jegliche hohlen Felsunterstützungsmittel bzw. Felsankermittel
anwendbar, wie beispielsweise den Stabilisator, der in 9 gezeigt
ist.
-
Bezugnehmend
auf 12 erläutert
sie wie das Kabel 20 der vorliegenden Erfindung an der
Instrumenten- bzw. Instrumentierungskopfanordnung 28 festgelegt
ist, welche hier ohne ihren Außenabdeckungen
gezeigt ist. Für
diesen Zweck wird eine Verbindungshülse 74 vorgesehen,
welche das Außenende
des Kabels 20 mit der Instrumentierungskopfanordnung 28 verbindet,
ohne die Bewegung der starren Drähte 68 zu
behindern. In dieser speziellen Ausbildung treten sechs Drähte von
dem Kabel 20 durch die Hülse 74 aus. An ihren
Außenenden
sind diese Drähte
mit zylindrischen oder rohrförmigen
Betätigungseinrichtungen 76 verbunden,
welche nach außen
vorragende Abstreifer 78 aufweisen. Die Betätigungseinrichtungen
bzw. -glieder 76 sind federbelastet und werden in ein sternförmiges führendes
bzw. Führungsglied 80 eingesetzt,
das sechs halbkreisförmige
Nuten bzw. Rillen 82 aufweist, die in einer hexagonalen
Anordnung festgelegt sind, in welcher die Betätigungsglieder 76 adaptiert
sind, sich in der Längsrichtung
zu bewegen.
-
Wie
dies in 13 gezeigt ist, wird das Führungsglied
dann mit einer hexagonalen Abdeckung 84 abgedeckt, welche
aus zwei voneinander trennbaren Längshälften gebildet sein kann, in
welcher jeweils ein dreifaches, lineares Potentiometer festgelegt
ist. Die elektrischen Drähte 86A und 86B sind
mit jedem derartigen Potentiometer verbunden von diesem zu einer
geeigneten Anzeigeeinheit durch Kabel 30 ebenso wie zu
einem elektrischen Auslaß geführt, wie
dies in 1 und 9 gezeigt
ist. Um die zwei Hälften
der hexagonalen Abdeckung 84 zusammenzuhalten, können sie
in eine rohrförmige
Abdeckung 88 eingesetzt sind.
-
14A und 14B zeigen
eine vergrößerte Darstellung
der Instrumentenkopfanordnung gemäß dieser Ausbildung der Erfindung.
So sind starre Drähte 68,
die aus den Felsankermitteln austreten, an ihren Außenenden
mit zylindrischen Betätigungsgliedern 76 verbunden,
die nach außen
vorragende Abstreifer 78 aufweisen. Diese Betätigungsglieder 76 bewegen
sich in der Längsrichtung
in halbkreisförmigen
Rillen 82, die in dem sternförmigen Führungsglied 80 vorgesehen
sind. Die Betätigungsglieder 76 und
somit die Drähte 68 sind
mittels Federn 90 federbelastet. Diese Anordnung ist durch eine
hexagonale Abdeckung 84 abgedeckt, die aus zwei identischen
halb-hexagonalen Hälften 84A und 84B gefertigt
ist. Jede dieser Hälften
ist mit einem dreifachen, linearen Potentiometer versehen, wobei eine
Potentiometermembran 92 auf jeder hexagonalen Wand der
Abdeckung 84A und 84B festgelegt bzw. montiert
ist. Drähte
bzw. Zuleitungen 94 von derartigen Potentiometern werden
dann über
geeignete Verdrahtungen 86A, 86B (13)
mit dem elektrischen Auslaß und
der Anzeigeeinheit verbunden.
-
Eine
derartige Anordnung ist einfach, billig und leicht kalibrierbar.
Wenn die Abstreifer 78 die Potentiometermembran 92 berühren und
das System betätigbar
gemacht bzw. in Betrieb genommen ist, wird die Anzeigevorrichtung
kalibriert, um beispielsweise Null (0) auf der Anzeigeeinheit zu
zeigen. Dann wird jede Bewegung der Betätigungseinrichtung 76 und
somit des elektrischen Kontakts, die durch die Abstreifer 78 ausgebildet
ist, eine Ablesung anzeigen, welche leicht korreliert werden kann,
um die Last oder Spannung zu bestimmen, die auf das Kabel als ein
Ergebnis der Spannungen in dem Felsen aufgebracht ist. Anders als
die Situation bei den Widerstandsdrähten, wo 0,1 von einem Volt
eine signifikante Ausgabe ergibt, was die Auflösung und die Kalibrierung schwierig
macht, gibt es in diesem Fall Ausgaben in der Größenordnung von 5 Volt, welche
eine bedeutend einfachere Kalibrierung und eine genauere Ablesung
zur Verfügung
stellen.
-
Es
sollte festgehalten werden, daß statt
der sechs starren Drähte 68 man
mehr oder weniger mit geeigneten Einstellungen an dem Instrumentierungskopf
verwenden kann. Dies hängt
von der gewünschten Überwachung
ab. In einigen Fällen
kann ein starrer Draht oder Faden mit einem einzigen linearen Potentiometer
ausreichend sein, während
in anderen eine Anzahl von derartigen Drähten erforderlich sein wird.
-
Darüber hinaus
kann man statt eines linearen Potentiometers einen linearen Spannungsverlagerungswandler
(LVDT) verwenden, obwohl er etwas voluminöser ist und einen größeren Instrumentierungskopf
erfordern würde.
-
Um
die Korrelation zwischen einer gemessenen Dehnung bzw. Spannung,
welcher eine Felsankervorrichtung unterworfen sein kann, und der
Last oder Kraft (F) zu illustrieren, die aufgebracht ist, wurde
ein Dreifach-Ankerpunkt-Prototyp-Kabelanker gebaut, wie dies diagrammartig
bzw. schematisch in 15 dargestellt ist. Zu Beginn
wurden die drei Drähte
wie folgt verankert: einen bei 1 Meter Länge vom Außen- oder Austrittsende des Kabels; einen
bei 0,56 Meter von einem derartigen Ende und einen sehr nahe zu
dem Austrittsende des Kabels. Dann wurde eine Kraft F auf den Kabelanker
bzw. Kabelbolzen aufgebracht, was in der Verlagerung von jedem Draht
resultierte. Die Messung dieser Verlagerung durch den Instrumentierungskopf,
wie er oben beschrieben ist, stellte die in 16 und 17 gezeigten
graphischen Ergebnisse zur Verfügung.
So ist in 16 die angelegte Kraft (F) gegen
die Zeit ausgedruckt und in 17 ist
die gemessene Kabeldehnung (DX) gegen die Zeit ausgedruckt, wie
dies durch eine Verlagerung von jedem Draht bestimmt wurde. Es ist
aus diesen Diagrammen klar, daß es eine
sehr gute Korrelation zwischen der angelegten Kraft und der resultierenden
Dehnung ergab, was unter Verwendung eines linearen Potentiometers
oder eines LVDT leicht gemessen angezeigt bzw. dargestellt werden
kann.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine Anzahl von wichtigen Vorteilen
gegenüber
den Systemen des Stands der Technik zur Verfügung. Das neue Instrument kann
mit jeder Art von verseiltem Kabel, Reibungsstabilisator oder ähnlichen
Abstütz- bzw. Supportmitteln
verwendet werden, die für
eine Verstärkung
von Felsgestein bzw. -schichten oder Betonstrukturen oder jeder
anderen Anwendung verwendet werden, wo derartige Vorrichtungen verwendet
werden können.
Somit beinhaltet, wenn eine Bezugnahme auf eine "Felsankervorrichtung" gemacht wird, sie derartige Vorrichtungen
für jegliche
Anwendung. Anders als bei anderen bekannten Vorrichtungen ist die
Instrumentierung, bestehend aus starren Drähten oder Filamenten bzw. Fäden innerhalb
der Vorrichtung eingeschlossen bzw. umschlossen, wodurch sichergestellt
wird, daß das
Kabel, die Stabilisiereinrichtung und dgl. im wesentlichen identisch wie
das nicht-instrumentierte Äquivalent
aussieht und wirkt.
-
Es
sollte selbstverständlich
verstanden werden, daß die
Erfindung nicht auf die spezifischen, oben beschriebenen Aus bildungen
beschränkt
ist, sondern daß zahlreiche
Modifikationen, die dem Fachmann offensichtlich sind, getätigt werden
können,
ohne den Rahmen davon zu verlassen. Beispielsweise kann eine Fernablesung
zur Verfügung gestellt
werden, wenn unter nachteiligen Abbau- bzw. Grubenbedingungen gearbeitet
wird. Auch eine Computerkorrelation und Analyse der Daten kann implementiert
werden.