CN113463619B - 一种自适应减胀消能结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应减胀消能结构，属于土木工程岩土工程膨胀土减胀结构设计技术领域，包括弹性壳体和气体发生机构，弹性壳体包括本体和中空部；气体发生机构包括气体发生器、触发部件和自力式泄压阀，气体发生器设置有反应腔室和多个输气孔，反应腔室安装于本体，反应腔室位于中空部，反应腔室通过多个输气孔与中空部连通，反应腔室通过多个输气孔朝向中空部供给气体；触发部件包括触发结构和发热体，触发结构和发热体连接，触发结构安装于本体，所述发热体安装于所述反应腔室；所述自力式泄压阀安装于所述本体，且所述自力式泄压阀和所述中空部相通。本发明达到能够自适应匹配膨胀土的膨胀变形，具有较好的经济合理性和减胀效果的技术效果。

Description

一种自适应减胀消能结构

技术领域

本发明属于土木工程岩土工程膨胀土减胀结构设计技术领域，特别涉及一种自适应减胀消能结构。

背景技术

膨胀土是指含有较多亲水性矿物的具有特殊性质的黏性土，由于亲水性矿物成分的存在，膨胀土表现出的遇水膨胀、失水收缩的特殊性质会给工程建设带来很大的危害。如对于膨胀土边坡，边坡土体在水分侵入后便会发生明显的膨胀反应，在支挡结构的约束下就会产生很大的膨胀力，使支挡结构承受很大的额外荷载，有可能导致支挡结构的失效。

目前，在现有的土木工程岩土工程膨胀土减胀结构设计技术中，通常是采用减胀消能材料或者砂土垫层，来起到消能减胀的效果。但是现有的减胀消能材料或者砂土垫层无法自适应匹配膨胀土的膨胀变形，导致减胀消能效果较差。同时，在现有技术条件下，为了取得更好的减胀效果，不得不采用更大厚度的减胀材料，使得减胀材料应用于工程建设的经济合理性变差。若通过研发新型材料来实现膨胀土减胀消能，则需要更高的经济投入和极为漫长的研发周期，也会导致适用性变差。

综上所述，在现有的土木工程岩土工程膨胀土减胀结构设计技术中，存在着无法自适应匹配膨胀土的膨胀变形，经济合理性差和减胀效果差的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是无法自适应匹配膨胀土的膨胀变形，经济合理性差和减胀效果差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应减胀消能结构，所述结构包括：弹性壳体，所述弹性壳体包括本体和中空部；气体发生机构，所述气体发生机构包括：气体发生器，所述气体发生器设置有反应腔室和多个输气孔，所述反应腔室安装于所述本体，所述反应腔室位于所述中空部，所述反应腔室通过多个所述输气孔与所述中空部连通，所述反应腔室通过多个所述输气孔朝向所述中空部供给气体；触发部件，所述触发部件包括触发结构和发热体，所述触发结构和所述发热体连接，所述触发结构安装于所述本体，所述发热体安装于所述反应腔室；自力式泄压阀，所述自力式泄压阀安装于所述本体，且所述自力式泄压阀和所述中空部相通。

进一步地，所述本体包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，所述第一侧面、所述第二侧面、所述第三侧面和所述第四侧面合围所述中空部；所述触发结构包括压敏电阻和电源，所述压敏电阻安装于所述第一侧面的外侧，所述反应腔室安装于所述第一侧面的内侧，所述压敏电阻、所述电源和所述发热体相串联。

进一步地，所述触发结构还包括：保护电阻，所述保护电阻、所述电源和所述发热体相串联，且所述保护电阻和所述压敏电阻相并联。

进一步地，所述第三侧面设置有第一通孔和第二通孔；所述自力式泄压阀包括阀体、泄压片和反力弹簧，所述阀体通过管道分别与所述第一通孔和所述第二通孔相通，所述泄压片安装于所述阀体，所述反力弹簧安装于所述泄压片，所述泄压片位于所述反力弹簧和所述管道之间。

进一步地，所述发热体是电热丝。

进一步地，所述气体发生器还包括隔热垫，所述隔热垫分别与所述反应腔室和所述本体连接，所述隔热垫位于所述反应腔室和所述本体之间。

进一步地，所述反应腔室内填充有可生成气体的混合物，所述混合物包括叠氮化钠、硝酸钾和二氧化硅粉。

进一步地，所述混合物所生成的气体摩尔质量大于N，

其中所述R是摩尔气体常数，所述T是温度，所述P₁是所述自力式泄压阀的开启压力，所述l₁是反应腔室的长度，所述(w₁+w₂)是反应腔室的宽度，所述h₁是反应腔室的高度。

进一步地，所述本体的制作材料是EPS材料。

进一步地，多个所述输气孔等间距分布。

有益效果：

本发明提供一种自适应减胀消能结构，通过气体发生机构中气体发生器的反应腔室安装于弹性壳体的本体，反应腔室位于弹性壳体的中空部，反应腔室通过多个输气孔与弹性壳体的中空部相互连通，反应腔室通过多个输气孔朝向所述中空部供给气体。气体发生机构中触发部件的触发结构和发热体连接，触发结构安装于弹性壳体的本体，发热体安装于反应腔室。气体发生机构中自力式泄压阀安装于本体，并且自力式泄压阀和弹性壳体的中空部相互连通。这样膨胀土的膨胀挤压所产生的压力作用于触发结构时，会使得发热体产生热量触发反应腔室内生成气体，气体经过多个输气孔充满中空部内，可以为弹性壳体的本体提供支撑。随着膨胀土体的进一步膨胀，膨胀所产生的压力会对弹性壳体的中空部进行挤压，挤压所导致的中空部内气体压强过大时，就通过自力式泄压阀逸出部分气体，来对中空部内的气体压强进行调节，能够将由土体膨胀所产生的机械能转化形成的气体内能及时进行耗散，实现自适应减胀消能。继而能够自适应匹配膨胀土的膨胀变形，具有较好的经济合理性和减胀效果的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种自适应减胀消能结构的示意图一；

图2为本发明实施例提供的一种自适应减胀消能结构的示意图二；

图3为本发明实施例提供的一种自适应减胀消能结构的示意图三；

图4为本发明实施例提供的一种自适应减胀消能结构中自力式泄压阀的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种自适应减胀消能结构，通过气体发生机构中气体发生器的反应腔室211安装于弹性壳体1的本体11，反应腔室211位于弹性壳体1的中空部12，反应腔室211通过多个输气孔212与弹性壳体1的中空部12相互连通，反应腔室211通过多个输气孔212朝向所述中空部12供给气体。气体发生机构中触发部件的触发结构221和发热体222连接，触发结构221安装于弹性壳体1的本体11，发热体222安装于反应腔室211。气体发生机构中自力式泄压阀23安装于本体11，并且自力式泄压阀23和弹性壳体1的中空部12相互连通。这样膨胀土的膨胀挤压所产生的压力作用于触发结构221时，会使得发热体222产生热量触发反应腔室211内生成气体，气体经过多个输气孔212充满中空部12内，可以为弹性壳体1的本体11提供支撑。随着膨胀土体的进一步膨胀，膨胀所产生的压力会对弹性壳体1的中空部12进行挤压，挤压所导致的中空部12内气体压强过大时，就通过自力式泄压阀23逸出部分气体，来对中空部12内的气体压强进行调节，能够将由土体膨胀所产生的机械能转化形成的气体内能及时进行耗散，实现自适应减胀消能。继而能够自适应匹配膨胀土的膨胀变形，具有较好的经济合理性和减胀效果的技术效果。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；其中本实施中所涉及的“和/或”关键词，表示和、或两种情况，换句话说，本发明实施例所提及的A和/或B，表示了A和B、A或B两种情况，描述了A与B所存在的三种状态，如A和/或B，表示：只包括A不包括B；只包括B不包括A；包括A与B。

应当理解，虽然术语“第一”，“第二”等在这里可以用来描述各种元件，部件，区域，层和/或部分，但是这些元件，部件，区域，层和/或部分不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件，部件，区域，层或区段与另一个元件，部件，区域，层或区段。因此，在不背离示例性实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件，部件，区域，层或部分可以被称作第二元件，部件，区域，层或部分。这里可以使用空间上相关的术语，例如“下面”，“上面”等，以便于描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。可以理解，除了图中所示的方位之外，空间上相对的术语还包括使用或操作中的装置的不同方位。例如，如果图中的设备被翻转，那么被描述为“下面”的元件或特征将被定向为“上面”其它元件或特征。因此，示例性术语“下面”可以包括上面和下面的取向。该设备可以被定向(旋转90度或在其它定向上)，并且这里所使用的空间相关描述符被相应地解释。

同时，本发明实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本发明实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

请参见图1、图2、图3和图4，图1是本发明实施例提供的一种自适应减胀消能结构的示意图一，图2是本发明实施例提供的一种自适应减胀消能结构的示意图二，图3是本发明实施例提供的一种自适应减胀消能结构的示意图三，图4是本发明实施例提供的一种自适应减胀消能结构中自力式泄压阀23的示意图。本发明实施例提供的一种自适应减胀消能结构，包括弹性壳体1和气体发生机构，现分别对弹性壳体1和气体发生机构进行详细说明：

对于弹性壳体1而言：

弹性壳体1包括本体11和中空部12，所述本体11包括第一侧面111、第二侧面112、第三侧面113和第四侧面114，所述第一侧面111、所述第二侧面112、所述第三侧面113和所述第四侧面114合围所述中空部12，所述本体11的制作材料是EPS材料。

具体而言，弹性壳体1中本体11的第一侧面111和第二侧面112相互对立，本体11的第三侧面113和第四侧面114相互对立，本体11的第一侧面111、第二侧面112、第三侧面113和第四侧面114合围弹性壳体1的中空部12的外围。本体11的制作材料可以是EPS材料，EPS材料可以是指聚苯乙烯泡沫材料，聚苯乙烯泡沫材料是具有一定弹性的硬质闭孔结构的泡沫塑料。在中空部12内具有容纳下述气体发生机构中气体发生器、触发部件和自力式泄压阀23的空间。如图1所示，壳体中本体11的第一侧面111可以是指靠近膨胀土的一个侧面，膨胀土作用于第一侧面111的施力方向如图1箭头所示，下述气体发生机构中触发结构221的压敏电阻2211安装于第一侧面111的外侧，膨胀土的挤压力可以作用于压敏电阻2211上。

对于气体发生机构而言：

气体发生机构包括气体发生器、触发部件和自力式泄压阀23，气体发生器设置有反应腔室211、多个输气孔212和隔热垫24，所述反应腔室211安装于所述本体11，所述反应腔室211位于所述中空部12，所述反应腔室211通过多个所述输气孔212与所述中空部12连通，所述反应腔室211通过多个所述输气孔212朝向所述中空部12供给气体。所述隔热垫24分别与所述反应腔室211和所述本体11连接，所述隔热垫24位于所述反应腔室211和所述本体11之间。多个所述输气孔212等间距分布，使得反应腔室211的气体能够迅速排放至中空部12的内部。在所述反应腔室211的内部填充有可生成气体的混合物，所述混合物包括叠氮化钠、硝酸钾和二氧化硅粉。所述混合物所生成的气体摩尔质量大于N(即根据气体摩尔质量N来推算出产生这些量气体所需混合物的量，在实际应用时混合物的实际布置量应稍大于计算量N)，

其中所述R是摩尔气体常数，所述T是温度，所述P₁是自力式泄压阀23的开启压力，所述l₁是反应腔室211的长度，所述(w₁+w₂)是反应腔室211的宽度，所述h₁是反应腔室211的高度，l₁、w₁、w₂、h₁如图1和图2中所示。触发部件包括触发结构221和发热体222，所述触发结构221和所述发热体222连接，所述触发结构221安装于所述本体11，所述发热体222安装于所述反应腔室211。所述触发结构221包括压敏电阻2211和电源2212，所述压敏电阻2211安装于所述第一侧面111的外侧，所述反应腔室211安装于所述第一侧面111的内侧，所述压敏电阻2211、所述电源2212和所述发热体222相串联。所述触发结构221还包括保护电阻2213，所述保护电阻2213、所述电源2212和所述发热体222相串联，并且所述保护电阻2213和所述压敏电阻2211相并联。所述发热体222是电热丝。自力式泄压阀23安装于所述本体11，并且所述自力式泄压阀23和所述中空部12相互连通。所述第三侧面113设置有第一通孔1131和第二通孔1132，所述自力式泄压阀23包括阀体231、泄压片232和反力弹簧233，所述阀体231通过管道234分别与所述第一通孔1131和所述第二通孔1132相互连通，所述泄压片232安装于所述阀体231，所述反力弹簧233安装于所述泄压片232，所述泄压片232位于所述反力弹簧233和所述管道234之间。

具体而言，气体发生器中反应腔室211安装在上述弹性壳体1的中空部12内部，反应腔室211可以由金属网状外壳包裹形成，即反应腔室211是通过金属网状外壳合围形成的内部可供化学反应的空间，反应腔室211具有容纳叠氮化钠、硝酸钾和二氧化硅粉的空间。可以通过螺栓来将金属网状外壳安装在壳体中本体11的第一侧面111上，在反应腔室211和第一侧面111之间还可以安装有隔热垫24，使得反应腔室211与壳体中本体11之间不相互接触，即隔热垫24在反应腔室211和第一侧面111之间形成隔热层。在叠氮化钠、硝酸钾和二氧化硅粉进行化学反应的过程中，隔热层能够防止化学物质对EPS材料制作而成的弹性壳体1产生腐蚀和灼烧，提高了使用过程中的安全性和有利于长久使用。

需要注意的是，触发部件中触发结构221的压敏电阻2211、电源2212和发热体222相互串联，并且压敏电阻2211和保护电阻2213并联，压敏电阻2211是指压力敏感电阻，压力敏感电阻会随着外界的压力增大，阻值而随之明显减小，或者会随着外界的压力减小，阻值而随之明显增大。通过将压敏电阻2211安装在第一侧面111的外侧，即压敏电阻2211和位于第一侧面111外侧的膨胀土相互接触，膨胀土的膨胀挤压力会作用于压敏电阻2211上。触发部件中发热体222安装在上述反应腔室211内，发热体222可以与反应腔室211内的叠氮化钠、硝酸钾和二氧化硅粉相互接触，实现更好的加热效果。压力敏感电阻加热电路(即压敏电阻2211、电源2212和发热体222所形成的电路)中还连接有保护电阻2213，当无外界压力时，整体电路中的阻值会很大，使得电流很小，此时电热丝并不产生热量，叠氮化钠和硝酸钾、二氧化硅粉不进行化学反应，继而没有气体产生。随着膨胀土的膨胀挤压，整体电路的电流会较大，此时电热丝会产生热量，在加热条件下叠氮化钠能够快速分解，并且在常温下分解的性质稳定，受热不爆炸，还能够采用二氧化硅粉来将反应产物K₂O和Na₂O转化为无污染的硅酸盐物质，使得性能稳定。叠氮化钠和硝酸钾、二氧化硅粉混合物的反应化学方程式为：(1)2NaN₃→2Na+3N₂；(2)10Na+2KNO₃→K₂O+5Na₂O+N₂；(3)SiO₂+K₂O→K₂ SiO₃；(4)SiO₂+Na₂O→Na₂SiO₃。在反应腔室211内的化学物质进行快速完全的分解过程中，所生成的氮气会从多个输气孔212中进入中空部12内，使得充满中空部12的整个内部空间，实现对弹性壳体1中本体11的第一侧面111、第二侧面112、第三侧面113和第四侧面114起到支撑。

另外，反应腔室211内的化学物质可以是稍过量设计，使得中空部12内气体内部压力相比于自力式泄压阀23的开启压力(即P₁)会偏大，自力式泄压阀23的泄压片232就会自动打开泄压，使得部分氮气能够逸出。这样通过初始气体逸出的过程，既能对自力式泄压阀23的有效性进行检验，也能对弹性壳体1的整体气密性进行检验。当反应腔室211内的气体压力下降到回座压力(即P₂)后，泄压片232就会自动闭合，其中回座压力P₂按照设计标准应为开启压力P₁的80％以上(即P₂＞80％*P₁)。弹性壳体1的整体减胀结构完成初次泄压后，位于中空部12内部的氮气体积就处于稳定状态，反应腔室211内的化学反应物质也已基本充分反应，弹性壳体1的整体结构处于暂时稳定状态。可以根据中空部12内的反应空间体积V(长为l₁、宽为(w₁+w₂)，高h₁)和自力式泄压阀23的开启压力P₁，来获得反应腔室211中反应物质的量(混合物所生成的气体摩尔质量大于计算量N)，计算公式为

上述计算公式中，N为所计算的气体摩尔质量，R是摩尔气体常数，R又称通用、理想气体常数及普适气体常数，符号为R，R是在物态方程式中联系各个热力学函数的物理常数，R的值大约为8.314J/(mol·K)，T为温度，P₁为开启压力。

在实际操作中，随着膨胀土体中含水率的增加，膨胀土会进一步产生膨胀变形，再次对弹性壳体1中本体11的第一侧面111进行挤压，此时压敏电阻2211会再次导通，电热丝则重新发热，继而促使中空部12内部的氮气内部内能增加，氮气分子间距增大，压强增加，同时由于膨胀土体的进一步挤压，会导致弹性壳体中本体11的第一侧面111产生变形，对中空部12内部的空间进行挤压，将使得中空部12内部的空间的体积进一步缩小，导致中空部12内部的氮气气体压强进一步增大。当氮气的压强再次达到开启压力P₁时，自力式泄压阀23会再次开始工作，泄压片232会自动打开泄压，逸出部分氮气，此时由于反应腔室211内的化学物质已反应完毕，不再产生氮气，使得整个中空部12内部的氮气量会减少，中空部12内部的空间体积被压缩，膨胀土体也可以获得膨胀空间，能够实现消解膨胀潜势的作用，减小了由于膨胀力施加于支挡结构(即本体11的第一侧面111、第二侧面112、第三侧面113和第四侧面114)的作用力。后续随着膨胀土体的进一步膨胀，通过重复上述过程，可以进一步释放氮气，对中空部12内部的空间体积进行缩小。这样将由土体膨胀所产生的机械能转化形成的气体内能及时进行耗散，可以实现自适应减胀消能，减小膨胀力。位于中空部12内部的反应腔室211距离本体11的第二侧面112的宽度(即w₁)应略大于应用地区膨胀土(即与第一侧面111相互接触的膨胀土)的最大膨胀变形。这样能够最大限度地起到减胀消能的作用，实现更好的减胀消能效果。上述内部反应空间(即中空部12内部的空间)的初始气体压力应与减压阀(即自力式泄压阀23)所设计的标定设计压力(即开启压力)相互匹配，内部反应空间的初始气体压力应稍大于开启压力。并且初始气体压力同时也不能过大的增加，初始气体压力需要依据上述弹性壳体1整体结构的承压能力来确定。上述自力式泄压阀23的开启压力不能大弹性壳体1中本体11的设计承受压力，应采用开启压力较小的自力式泄压阀23，这样有利于提升整体结构的稳定性和可行性。

本发明提供一种自适应减胀消能结构，通过气体发生机构中气体发生器的反应腔室211安装于弹性壳体1的本体11，反应腔室211位于弹性壳体1的中空部12，反应腔室211通过多个输气孔212与弹性壳体1的中空部12相互连通，反应腔室211通过多个输气孔212朝向所述中空部12供给气体。气体发生机构中触发部件的触发结构221和发热体222连接，触发结构221安装于弹性壳体1的本体11，发热体222安装于反应腔室211。气体发生机构中自力式泄压阀23安装于本体11，并且自力式泄压阀23和弹性壳体1的中空部12相互连通。这样膨胀土的膨胀挤压所产生的压力作用于触发结构221时，会使得发热体222产生热量触发反应腔室211内生成气体，气体经过多个输气孔212充满中空部12内，可以为弹性壳体1的本体11提供支撑。随着膨胀土体的进一步膨胀，膨胀所产生的压力会对弹性壳体1的中空部12进行挤压，挤压所导致的中空部12内气体压强过大时，就通过自力式泄压阀23逸出部分气体，来对中空部12内的气体压强进行调节，能够将由土体膨胀所产生的机械能转化形成的气体内能及时进行耗散，实现自适应减胀消能。继而能够自适应匹配膨胀土的膨胀变形，具有较好的经济合理性和减胀效果的技术效果。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种自适应减胀消能结构，其特征在于，所述结构包括：弹性壳体，所述弹性壳体包括本体和中空部；气体发生机构，所述气体发生机构包括：气体发生器，所述气体发生器设置有反应腔室和多个输气孔，所述反应腔室安装于所述本体，所述反应腔室位于所述中空部，所述反应腔室通过多个所述输气孔与所述中空部连通，所述反应腔室通过多个所述输气孔朝向所述中空部供给气体；触发部件，所述触发部件包括触发结构和发热体，所述触发结构和所述发热体连接，所述触发结构安装于所述本体，所述发热体安装于所述反应腔室；自力式泄压阀，所述自力式泄压阀安装于所述本体，且所述自力式泄压阀和所述中空部相通；所述本体包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，所述第一侧面、所述第二侧面、所述第三侧面和所述第四侧面合围所述中空部，所述第一侧面的外侧与膨胀土相接触；所述触发结构包括压敏电阻和电源，所述压敏电阻安装于所述第一侧面的外侧，所述反应腔室安装于所述第一侧面的内侧，所述压敏电阻、所述电源和所述发热体相串联；所述反应腔室内填充有可生成气体的混合物，所述混合物包括叠氮化钠、硝酸钾和二氧化硅粉。

2.如权利要求1所述的自适应减胀消能结构，其特征在于，所述触发结构还包括：保护电阻，所述保护电阻、所述电源和所述发热体相串联，且所述保护电阻和所述压敏电阻相并联。

3.如权利要求1所述的自适应减胀消能结构，其特征在于：所述第三侧面设置有第一通孔和第二通孔；所述自力式泄压阀包括阀体、泄压片和反力弹簧，所述阀体通过管道分别与所述第一通孔和所述第二通孔相通，所述泄压片安装于所述阀体，所述反力弹簧安装于所述泄压片，所述泄压片位于所述反力弹簧和所述管道之间。

4.如权利要求1所述的自适应减胀消能结构，其特征在于：所述发热体是电热丝。

5.如权利要求1所述的自适应减胀消能结构，其特征在于：所述气体发生器还包括隔热垫，所述隔热垫分别与所述反应腔室和所述本体连接，所述隔热垫位于所述反应腔室和所述本体之间。

6.如权利要求1所述的自适应减胀消能结构，其特征在于：所述本体的制作材料是EPS材料。

7.如权利要求1所述的自适应减胀消能结构，其特征在于：多个所述输气孔等间距分布。

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