<bold>XCC</bold>桩群桩沉桩挤土效应透明土模型试验研究

胡文强，周航，刘汉龙; HU Wenqiang; ZHOU Hang; LIU Hanlong

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XCC桩群桩沉桩挤土效应透明土模型试验研究 PDF

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胡文强
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周航
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刘汉龙

重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室；土木工程学院，重庆 400045

中图分类号： TU473.1

最近更新：2024-11-22

DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2023.039

摘要

现浇X形混凝土桩（X-sectional cast-in-place concrete pile，简称XCC桩）作为一种非圆截面异形桩，利用等截面异形周边扩大原理，将圆弧正拱变成反拱，达到扩大截面周长、提高承载力的目的。XCC桩安装过程其实是一个挤土过程，群桩沉桩挤土效应与单桩相比较为复杂，关于XCC桩群桩挤土效应方面的研究较少，而XCC桩群桩沉桩挤土效应是研究XCC桩的重要课题。基于透明土试验，开展了XCC桩与圆形桩群桩沉桩贯入试验，通过粒子图像处理技术获取沉桩过程的位移场变化规律，研究不同桩型和不同沉桩顺序对群桩沉桩挤土效应的影响。试验结果表明：对于最后贯入桩背桩面土的位移，XCC桩贯入引起的位移会比圆形桩率先达到峰值，XCC桩和圆形桩在群桩沉桩贯入过程中都会产生明显的累积效应和遮拦效应，且XCC桩的遮拦效应要强于圆形桩。最后，给出了XCC桩和圆形桩在不同沉桩顺序条件下群桩遮拦效应的经验公式。

关键词

透明土; 现浇X形混凝土桩; 群桩贯入; 挤土效应; 累积效应; 遮拦效应

在相同横截面积情况下，异形截面桩拥有更大的周长，进而拥有更大的桩侧表面积，以此来提高桩身的竖向承载力。现浇X形混凝土桩（简称XCC桩）是利用等截面异形周边扩大原理，将圆弧正拱变成反拱，最终形成对称的X形截面。与传统的圆形现浇混凝土桩相比，具有相同横截面面积的XCC桩由于其横截面周长更大而具有更大的侧阻力。而等截面周长的圆形桩与XCC桩的理论侧摩阻力相同，但是XCC桩拥有更小的截面面积，因此，能够节省大量建筑材料。

学者们已经对XCC桩技术开展了大量研究，张敏霞^[

1]基于双曲线模型和Boltzmann模型，预测了XCC桩的极限承载力，并基于荷载传递法总结出了XCC单桩沉桩贯入的沉降计算公式。吕亚茹等^{[参考文献 2-3}2-3]基于平衡分析法，采用三维有限元分析了XCC桩的应力传递和荷载分配机制，并与现场试验结果进行了对比验证。王智强^{[参考文献 4

百度学术}4]、张敏霞等^{[参考文献 5-7}5-7]开展了竖向荷载作用下等截面面积XCC桩和圆形桩的足尺对比模型试验，试验结果表明，由于XCC桩拥有更大的桩侧摩阻力，其竖向承载力较等截面面积的圆形桩大。雍君等^{[参考文献 8-9}8-9]开展了等截面积XCC桩和圆形桩抗拔性能对比试验研究。结果表明，圆形桩和XCC桩的侧摩阻力分布规律一致，但XCC桩较等截面面积圆形桩的抗拔力高了约16.7%。金辉^{[参考文献 10

百度学术}10]、刘汉龙等^{[参考文献 11

百度学术}11]依托现场试验，分析了XCC桩的单桩沉桩特性，开展了XCC桩的水平挤土试验，对比分析了不同截面方向、不同径向距离和不同深度的水平位移、侧向土压力及孔隙水压力的分布规律。

目前关于群桩沉桩挤土效应也开展了很多研究。张建新等^[

12]开展了室内群桩贯入模型试验，研究群桩贯入后土体水平位移和地表隆起变形规律、超孔隙水压力及土体的微观结构特征的变化规律。万星等^{[参考文献 13

百度学术}13]在上软下硬的成层地基土中开展了预制方桩群桩锤击施工的现场试验研究，发现沉桩产生的土体深层水平位移呈现上大下小的分布规律。刘俊伟等^{[参考文献 14

百度学术}14]在单桩挤土效应解析解基础上推导出静压群桩挤土效应的理论公式，并将该理论结果与现场试验成果对比验证。罗战友等^{[参考文献 15

百度学术}15]推导出了静压群桩挤土位移场的解析解，并发现在考虑施工顺序及遮拦效应的情况下，迎桩面挤土位移较大，而背桩面的挤土位移较小，而且随着桩数的增多，迎桩面的挤土效应将会增强。但目前对于沉桩顺序对群桩挤土效应的影响以及XCC桩群桩沉桩挤土效应方面的研究仍然较少。

近年来，基于数字图像处理的透明土试验技术由于可以实现土体变形的非侵入式测量，而被广泛用于结构-土相互作用变形问题研究。刘汉龙等^[

16]自主研发透明土平行隧道模型试验装置以及试验方法，研究了平行隧道在砂质场地上开挖引起的地表和地层沉降特性。邓泽之等^{[参考文献 17

百度学术}17]研究了波动水力条件下的水流扰动对孔隙喉道处细颗粒桥接结构的破坏机制。卢谅等^{[参考文献 18

百度学术}18]利用透明土试验对静力触探探头穿越土层界面时出现的“超前、滞后”现象作出了系统的解释。Zhou等^{[参考文献 19

百度学术}19]基于透明土技术和PIV技术量化了XCC桩单桩沉桩后位移场变化规律，并将试验结果与圆孔扩张理论和浅层应变路径法的预测值作了对比。Xiao等^{[参考文献 20

百度学术}20]通过透明土群桩试验对比了45°桩靴与平底桩的挤土效应，并且观测到了明显的遮拦效应，但是并未对该效应做出定量评价。宗梓煦等^{[参考文献 21

百度学术}21]依托透明土可视化技术发现仿生牙根桩的承载能力超出普通锥形桩一倍左右。袁炳祥等^{[参考文献 22

百度学术}22]开展了侧向受荷桩的室内模型试验，并结合PIV图像技术分析了桩周土体位移场的变化发展趋势，结果表明水平受荷桩的桩前和桩后砂土表面会产生纺锤形的位移影响区域，砂土相对密实度的增大会减小桩体水平位移。杨晓峰等^{[参考文献 23

百度学术}23]基于PIV技术开展了一系列单桩水平加载模型试验，讨论了柔性桩和刚性桩的水平桩土相互作用模式，以及局部冲刷对水平桩土相互作用的影响。

综上所述，沉桩挤土效应是一个比较复杂的问题，而如何将单桩的相关理论推广至群桩则是一个更为复杂的问题。目前基于透明土技术对XCC桩群桩的沉桩效应研究相对较少，笔者开展透明土XCC桩群桩沉桩模型试验，测得群桩沉桩后的位移场变化情况，同时进行等横截面面积的圆形桩群桩沉桩模型试验，研究对比圆形桩和XCC桩的群桩沉桩挤土效应的差异。通过分析试验结果，对群桩沉桩挤土效应的累积效应和遮拦效应进行定量评价，并给出了考虑不同桩型和不同沉桩顺序条件下遮拦效应的计算公式。

1 透明土群桩贯入模型试验

1.1 试验材料

试验采用熔融石英砂模拟土体颗粒，粒径范围为0.5~1 mm，密度1.464 g/cm³，摩擦角为34°。孔隙液采用折射率为1.462 5的15号白油与折射率为1.421 0的正十二烷按照体积比7.5：1.0混合配置而成，最终的孔隙液折射率为1.458 5，与熔融石英砂折射率保持一致。配置透明土及试验过程均在室温25 ℃条件下进行，这可以有效减少环境温度变化对孔隙液折射率的影响。从图1可以发现，在激光照射下，透明土散斑场效果较好。模型桩的物理参数见表1。

图1 透明土散斑场

Fig. 1 Speckle field of transparent soil

表1 模型桩参数

Table 1 Parameters of the model pile

桩型

桩长/mm

横截面积/mm²

截面等效半径/mm

模型桩材料

桩靴角度/（°）

圆形桩

240

314

熔融

石英

XCC桩

240

314

1.2 模型桩与试验工况

试验所采用的模型桩材料均为熔融石英，与透明土材料相同，弹性模量为40 MPa，泊松比为0.32，摩擦角为34°。为了解XCC桩与常规圆形桩在挤土效应上的异同，开展两种桩型的等截面面积对比试验，并且考虑了两种沉桩顺序试验工况，见表2。模型箱尺寸为480 mm×200 mm×240 mm，桩间距为8R（R为桩等效半径），透明土高度为200 mm，群桩贯入深度为100 mm。模型桩具体参数见表1和图2，实物图见图3，工况示意图见图4，模型箱与沉桩位置示意图见图5。

表2 试验工况

Table 2 Conditions of tests

工况	桩型和沉桩顺序
工况1	圆形桩沉桩顺序1：C1、C2、C3
工况2	圆形桩沉桩顺序2：C2、C1、C3
工况3	XCC桩沉桩顺序3：X1、X2、X3
工况4	XCC桩沉桩顺序4：X2、X1、X3

图2 XCC桩参数

Fig. 2 XCC pile parameters

图3 模型桩实物图

Fig. 3 Pictures of model pile

（a）圆形桩-沉桩顺序1

（b）圆形桩-沉桩顺序2

（c） XCC桩-沉桩顺序1

（d） XCC桩-沉桩顺序4

图4 工况示意图

Fig. 4 Test condition diagram

图5 沉桩布置和模型箱尺寸

Fig. 5 Layout of piles penetration and size of model box

1.3 试验相关设备

试验设备包括：亚克力模型槽、光学平台、沉桩加载设备、CCD相机、激光发射器。光学平台采用铁磁不锈钢面包板，台面上有M6/25 mm的螺纹孔。沉桩加载设备由电机驱动，加载速率范围为0.1~10 mm/s，试验沉桩速率为恒定，为1 mm/s，贯入时间为100 s，贯入深度为100 mm。CCD工业相机分辨率为1 920×1 080，拍摄频率为1 Hz。最后通过PIV View 2C图像处理软件对试验结果进行分析。透明土试验系统见图6。

图6 透明土试验系统

Fig. 6 Transparent soil test system

2 与单桩沉桩理论对比

2.1 与浅层应变路径法对比

群桩沉桩试验中的第1根桩的贯入可以看作单桩沉桩试验，因此，可以与单桩沉桩理论对比验证。将圆形桩单桩的位移与浅层应变路径法^[

24]进行对比验证。图7和图8分别给出了沉桩贯入深度z=10R时，浅层应变路径法与透明土试验的归一化桩周土径向位移和竖向位移的等值线图。桩周土径向位移结果稍有差别，但趋势基本相同。竖向位移结果也基本相同，试验结果比理论结果略大。试验结果与理论预测值的差异可能是透明土散斑场质量不够高导致的。

（a）浅层应变路径法预测值

（b）试验结果

图7 径向位移等值线图

Fig. 7 Contour map of radial displacement

（a）浅层应变路径法预测值

（b）试验结果

图8 竖向位移等值线图

Fig. 8 Contour map of vertical displacement

2.2 与圆孔扩张理论对比

由于沉桩贯入过程中，桩周围土体的变形模式一开始主要是竖向变形，随着土体深度的增加，土体的变形模式不仅有竖向变形，又有径向扩张，故选取代表性深度z=5R处的试验径向位移与圆孔扩张理论解^[

25]进行对比分析。圆孔扩张理论解采用式（1）计算。

\frac{S_{r p}}{R_{e q}} = \frac{x}{R_{e q}} - \sqrt[]{{(\frac{x}{R_{e q}})}^{2} - 1}

（1）

式中：S_rp为圆孔扩张理论预测径向位移值；R_eq为桩的等效半径；x为距桩中心距离。如图9所示，纵坐标为土体径向位移S_r与桩半径R的归一化值，横坐标为径向距离x与桩半径R的归一化值。可以看出在1.5R~10R范围内，试验结果与圆孔扩张理论基本吻合，在1.0R~1.5R范围内，试验结果比圆孔扩张理论结果小，这主要是由于激光在桩体附近产生反射，使得图像处理出现误差。通过对比试验和两种理论结果可以发现试验具备较高的可靠性。

图9 径向位移沿径向变化曲线

Fig. 9 Radial displacement variation curve along radial direction

3 试验结果分析

3.1 径向位移分析

使用PIV View 2C图像处理软件对试验中CCD相机拍摄的试验图片进行处理，能够获取群桩贯入后桩周土体的位移场。图10描述了3根桩沉桩后桩周土位移随深度变化的情况，横坐标为土体径向位移S_r与桩半径R的归一化值，纵坐标为土体深度z与桩半径R的归一化值。

（a）沉桩顺序1

（b）沉桩顺序2

图10 径向位移沿竖向变化曲线

Fig. 10 Radial displacement variation curve along vertical direction

如图10（a）所示，沉桩顺序1为C1/X1→C2/X2→C3/X3，对于圆形桩，C2-R侧土产生的径向位移最大。对于C3两侧土体位移，C3-R侧的径向位移随深度增加而减小，而且由于已贯入的C2、C1的“遮拦效应”，C3-R侧位移减小的幅度比C3-L侧大。对于XCC桩，X3-L、R两侧土的径向位移也随深度增加而减小，但X3-L、R两侧土位移减小幅度相似。C1-L侧的径向位移由于之后C2和C3沉桩贯入的“累积效应”比C1-R侧的要大，并且该效应随土体深度增加而减小。X3两侧土的位移在土表处达到峰值，随深度增加而减小。而X1和X2桩周土的位移则是随土的深度增加呈现先增大后减小的趋势，在z=7R处达到峰值。

如图10（b）所示，沉桩顺序2为C2/X2→C1/X1→C3/X3，对于圆形桩，C1、C2、C3三根桩两侧土的位移均随深度增加而减少。由于后两根桩C1、C3贯入的影响，C2两侧土的位移比C3和C1两侧小，3根桩的最大位移产生于C1-R侧，最小位移产生于C2-R侧。对于XCC桩，X1、X2、X3三根桩两侧土的位移随深度的增加呈现先增大后减小的趋势，除X3-L侧外均在z=7R处达到峰值。最大位移产生于X3-L侧，最小位移产生于X1-R侧。X3两侧土位移受到已贯入的X2、X1“遮拦效应”的作用，X3-L侧土的位移比X3-R侧土的位移大，且该效应随深度增加而减小；X2两侧土也有类似效应，但是随土深度变化趋势不同，该效应随土深度增加先增大后减小，在z=7R处达到峰值。

3.2 竖向位移分析

如图11（a）所示，沉桩顺序1为C1/X1→C2/X2→C3/X3，对于圆形桩，最大竖向位移产生于C3-L侧，最小位移产生于C2-R侧。C3两侧土位移在土体表面表达到峰值，随土深度增加而减小，而C2两侧土位移则随深度增加先增大后减小，z=6R处达到峰值。C1-R侧位移小于C1-L侧位移，说明C2的贯入会增加从C1靠近C2桩周土的竖向位移；对于XCC桩，X1、X2、X3三根桩桩两侧土位移均随土深度增加先增大后减小，在z=5.5R处达到峰值。这可能是由于在开始的一定土体深度范围内，桩周围土体的变形模式主要是竖向压缩变形，随着土体深度的增加，土体的变形模式既有竖向压缩，又有径向扩张。

如图11（b）所示，沉桩顺序2为C2/X2→C1/X1→C3/X3，圆形桩桩周竖向位移均大于对应XCC桩桩周土位移。对于圆形桩，C2、C3桩周土竖向位移基本随土的深度增加而减少，最大位移产生于C2两侧，由于C2是第1根贯入的桩，这也能证明后续桩的贯入能够增加已贯入桩周土的竖向位移。

（a）沉桩顺序1

（b）沉桩顺序2

图11 竖向位移沿竖向变化曲线

Fig. 11 Vertical displacement variation curve along vertical direction

3.3 不同沉桩顺序和不同桩型对径向位移的影响

如图12所示，图例中X、C、M1、M2分别代表了XCC桩、圆形桩、沉桩顺序1、沉桩顺序2四种试验工况。横坐标为距离桩2中心径向距离与桩的等效直径D的归一化值，纵坐标为土体径向位移S_r与桩半径R的归一化值，3根桩沉桩贯入后将土分割成了4个区域，从右至左依次为区域a、区域b、区域c、区域d。由于径向位移和竖向位移会在桩中部附近达到峰值，因此研究深度z=5R处土的径向位移。在区域a，相比于沉桩顺序1，沉桩顺序2条件下的土体径向位移有所增加，且圆形桩位移的增加比例远大于XCC桩。在区域d，XCC桩桩周土径向位移峰值点在x=-6D（D代表等效桩直径，D=20 mm）处，圆形桩峰值点在与桩距离x=-7D处。XCC桩沉桩顺序2的径向位移依然大于沉桩顺序1，而圆形桩两种沉桩顺序的位移相近，沉桩顺序1的径向位移大于沉桩顺序2的位移。在区域b，XCC桩桩周土的径向位移由桩1到桩2随距离逐渐减小，到桩2附近略有回升，沉桩顺序1的挤土位移大于沉桩顺序2。圆形桩桩周土位移从桩1到桩2变化趋势呈波浪状，沉桩顺序1的挤土位移略大于沉桩顺序2。在区域c，对于XCC桩，两种沉桩顺序引起的挤土位移趋势一致，从桩2到桩3随距离先增大后减小，沉桩顺序2的径向位移大于沉桩顺序1的位移。对于圆形桩，两种沉桩顺序引起的挤土位移趋势不同，沉桩顺序1从桩2到桩3随距离逐渐减小；沉桩顺序2从桩2到桩3随距离先增大后减小，在距桩距离x=-2D处达到峰值。

图12 z=5R深度处，径向位移沿径向距离变化曲线

Fig. 12 At the depth of z=5R, radial displacement variation curve along radial distance

4 累积效应与遮拦效应研究

4.1 累积效应

群桩累积效应是指在连续沉桩过程中，后续桩的贯入对已贯入桩周土位移的影响。着重分析第2根桩贯入后和第3根桩贯入后对位移监测点土的位移影响，选取桩1和桩2中间S点作为位移监测点，S点位置详见图13。

（a）圆形桩位移控制点示意图

（b） X形桩位移控制点示意图

图13 位移控制点示意图

Fig. 13 Illustration of displacement control points

4.1.1 累积效应对径向位移的影响

如图14所示，横坐标为位移控制点S处桩2、桩3贯入后的土的径向位移S_r与桩1贯入后土的径向位移S_r0的归一化值，纵坐标为土体深度z与桩半径R的归一化值，图例中X2、X3、C2、C3分别代表了XCC桩贯入第2根桩和贯入第3根桩以及圆形桩贯入第2根桩和贯入第3根桩，M1、M2分别代表了沉桩顺序1和沉桩顺序2。对于XCC桩，X2、X3贯入后，S点处位移基本都有一定程度的衰退，X2贯入后，S点处土表的径向位移减少为桩1贯入后的0.6倍左右，然后随土体深度增加逐渐减小，在z=15R处减少至0，然后在15R~20R区段，随深度增加径向位移开始反向增大，不过15R~20R区段的位移绝对值偏小，研究群桩贯入的累积效应主要集中于z=0~15R深度的径向位移变化。沉桩顺序2由于先贯入的中间桩，第2根桩贯入后S点处径向位移衰退程度明显大于沉桩顺序1。对于圆形桩，C2、C3贯入后S点处位移基本都有一定程度的增大，该增强作用随深度增加呈减小—增大—减小的趋势，在z=3R和z=10R处分别达到谷值和峰值。

图14 控制点S处归一化径向位移沿竖向变化曲线

Fig. 14 Normalized radial displacement variation curve along vertical direction at control point S

4.1.2 累积效应对竖向位移的影响

如图15所示，横坐标为位移控制点S处桩2、桩3贯入后的土的竖向位移S_v与桩1贯入后土的竖向位移S_v0的归一化值，纵坐标为土体深度z与桩半径R的归一化值。由于15R~20R的竖向位移偏小，因此主要研究0~15R间的竖向位移变化规律。对于XCC桩，随深度增加竖向位移增大比例有微小幅度增加，沉桩顺序1中土的竖向位移归一化值基本在2~2.5之间，X3贯入后的竖向位移相比X2贯入后有所增加，但增加幅度没有X2贯入后明显。沉桩顺序2中土的竖向位移归一化值基本在0~1.5之间；对于圆形桩，竖向位移归一化值随深度增加呈先减小后增大的趋势，在z=3R处达到谷值。

图15 控制点S处归一化竖向位移沿竖向变化曲线

Fig. 15 Normalized vertical displacement variation curve along vertical direction at control point S

4.2 遮拦效应

4.2.1 群桩贯入情况下遮拦效应对径向位移的影响

如图16所示，横坐标为桩1R侧土与桩1的径向距离x和桩半径R的归一化值，纵坐标为群桩贯入后桩1R侧土的径向位移S_r与圆孔扩张理论计算值的径向位移S_rp的归一化值，图例中X、C分别代表XCC桩和圆形桩，M1和M2分别代表沉桩顺序1和沉桩顺序2。纵坐标的归一化值越小说明遮拦效应越强，圆形桩与XCC桩的遮拦效应随径向距离的变化趋势一致，都是先减弱后增强。XCC桩遮拦效应“最弱点”在距X1中心5R处，而圆形桩“最弱点”后移至6R处，XCC桩的遮拦效应要强于圆形桩。

图16 桩1R侧归一化径向位移沿径向变化曲线

Fig. 16 Normalized radial displacement variation curve of pile 1R along radial direction

4.2.2 考虑群桩贯入的遮拦效应理论预测公式

主要考虑了两种不同桩型（圆形桩和XCC桩）与两种不同沉桩顺序，共4种工况。从试验数据能够分析出群桩沉桩过程中确实有明显的遮拦效应存在。为了对遮拦效应做出定量评价，对群桩沉桩后4种工况的桩1R侧径向位移归一化值N=S_r/S_rp采用Gumbel概率密度函数进行拟合。

\begin{array}{l} N = a + d \times e^{- e^{- n} - n + 1} \\ n = (x - b) / c \end{array}

（2）

式中：a、b、c、d为N的待定系数，即曲线拟合系数，具体的系数值见表3。从图16可以看出，各拟合曲线与原数据吻合程度良好（相关系数R²均>0.99）。从拟合结果能够看出，遮拦效应由强到弱依次为，试验工况3、试验工况4、试验工况1、试验工况2，即XCC桩沉桩顺序1>XCC桩沉桩顺序2>圆形桩沉桩顺序1>圆形桩沉桩顺序2。

表3 描述N随归一化径向距离x/R变化的拟合公式系数

Table 3 Coefficients in the fitted formula describing N along the variation of the normalized radial distance x/R

参数	X-M1	X-M2	C-M1	C-M2
a	-0.021 2	0.284 51	-0.455 97	0.633 9
b	5.076 21	4.856 98	5.481 98	6.083 61
c	3.049 58	2.797 71	3.088 44	3.028 08
d	4.103 18	4.327 42	5.917	5.654 97

5 结论

1）不同桩型与不同沉桩顺序对沉桩挤土效应影响有所不同。在代表性深度z=5R处，圆形桩和XCC桩第3根桩左侧土的径向位移呈先增大后减小的趋势，XCC桩左侧土的径向位移会比圆形桩的先一定距离达到峰值，这个距离在1D左右；对于XCC桩，沉桩顺序1的土体径向位移小于沉桩顺序2的位移，而对于圆形桩沉桩顺序1的土体径向位移大于沉桩顺序2的位移。

2）试验结果表明，在群桩沉桩贯入中，第2根桩的贯入对第1根桩桩周土的位移存在明显的累积效应，第3根桩的贯入会稍微加强该效应。XCC桩群桩贯入的累积效应表现为减小监测点S处的径向位移，增大监测点S处的竖向位移；圆形桩群桩贯入的累积效应表现为增大监测点S处的径向位移和竖向位移。

3）试验结果表明，群桩贯入存在明显的遮拦效应，圆形桩与XCC桩的遮拦效应随径向距离的变化趋势都是先减弱后增强，且XCC桩的遮拦效应要强于圆形桩。结合透明土试验数据，考虑了XCC桩、圆形桩两种沉桩顺序共4个工况，对第1根桩桩周土的径向位移的遮拦效应归一化值进行了经验公式的拟合，可供实际工程参考。

参考文献

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