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浅层红黏土的细观结构演化规律研究

2016-09-19朱国平陈正汉韦昌富吕海波梁维云

水利与建筑工程学报 2016年4期
关键词:原状细观土样

朱国平,陈正汉,2,韦昌富,3,吕海波,梁维云

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院, 广西 桂林 541004;2.后勤工程学院 土木工程系, 重庆 401311;3.中科院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430071)



浅层红黏土的细观结构演化规律研究

朱国平1,陈正汉1,2,韦昌富1,3,吕海波1,梁维云1

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院, 广西 桂林 541004;2.后勤工程学院 土木工程系, 重庆 401311;3.中科院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430071)

湿干循环作用会对土样的细观结构产生影响。为了研究浅层红黏土的细观结构在湿干循环过程中的演化规律,研制了可以进行CT扫描的CT-固结仪。在不同压力作用下对桂林雁山原状红黏土及其重塑土进行了多组湿干循环试验,并对每次烘干和增湿稳定后的土样进行CT扫描,跟踪观察湿干循环过程中土样的细观结构变化。研究结果表明:增湿和干燥都能使原状红黏土及其重塑土的结构造成损伤。定义了基于CT数据的红黏土的细观结构参数,提出了定量描述红黏土细观结构演化与土样饱和度、湿干循环次数、上部荷载之间的数学表达式,预测结果与试验资料比较接近。

红黏土;CT-固结仪;湿干循环; 细观结构演化

红黏土是碳酸盐岩在热带、亚热带湿热气候条件下经过物理、化学风化和红土化作用而形成的一种呈褐红、棕红等颜色的高塑性黏土体[1]。我国红黏土主要分布在南方热带及亚热带地区,如广西、贵州、云南、广东、湖南等省份,与膨胀土有类似的工程性状,属于弱至中等级膨胀性黏土[2]。由于南方湿热地区降雨量丰富,河流密集,经过碾压填筑的土坝、河堤等边坡工程,经历湿润吸水与干燥失水形成的反复湿干循环作用,土体的强度和变形特性产生不可逆转的变化[3],容易引发滑坡等自然灾害,造成人员伤亡和经济损失。研究这一过程对红黏土强度的影响对土坝、河堤等边坡工程具有重要意义。

张永婷等[4]研究了不同初始条件下高液限红黏土的变形特性。黄丁俊等[5]研究了湿干循环下压实红黏土的胀缩特性。刘文化等[6]探讨了湿干循环条件下不同初始干密度的粉质黏土的力学特性。李向阳等[7]对经历反复湿干循后的环路基软黏土抗剪强度进行了研究。可见关于红黏土的研究主要集中于变形和力学特性方面。

近年来,土的细观结构演化及其对土的力学特性的影响受到许多学者的重视。卢再华等[8]利用CT技术对南阳重塑膨胀土在无荷条件下多次湿干循环结束时(干态)裂隙的演化进行了细观试验研究;姚志华等[9]跟踪观察了膨胀土在无荷条件下湿胀干缩过程中土样内部细观结构变化,分析了不同尺度裂隙的演变过程;杨和平等[10]对宁明原状膨胀土进行了有荷条件模拟湿干循环过程的试验研究,但未涉及土的内部细观结构变化。吕海波等[11-12]研究了湿干交替环境下膨胀土的累计损伤规律和变形特性。目前尚未看到对红黏土在湿干过程中细观结构演化规律研究的报道。

土的细观结构在湿干循环过程中的演化与土所受的应力状态和约束条件有关。事实上,地基和边坡中的土都受有一定的约束条件和应力。例如,膨胀土边坡和红黏土边坡在大气应力作用下常发生浅层失稳[13-15],浅层土的上覆自重压力很小;地基浅层易受气候变化的影响,浅层土处于侧限压缩条件,自重应力很小。基于这一认识,本文利用专门研制的与CT机配套的固结仪,对侧限压缩条件下经受不同应力作用的桂林红黏土做了多组湿干循环试验,在每一循环的湿态和干态进行CT扫描,以研究浅层红黏土在湿干循环过程中的细观结构演化规律及对土样力学性能的影响,为分析红黏土浅层滑坡提供科学依据。

1 试验概况

1.1试验设备

本次试验在后勤工程学院-汉中CT科研工作站完成,CT机是GE公司生产的Prospeed A I型X射线单排螺旋CT,该仪器具有薄层扫描的分辨率能力,图像质量好,并具有高智能,低毫安,自动网络传输等特点。利用该CT机对试验过程中的土样内部结构进行动态、定量和无损的量测[16],CT扫描参数见表1。

表1 CT扫面参数

为了研究侧限压缩条件下红黏土在湿干循环过程中的细观结构演化规律,专门研制了能与CT机配套使用的固结仪、制样模具及制样设备。该固结仪的主要部件有环刀和环刀底座、底板和环形外罩,加载砝码和变形量测部件等。其中环刀和环刀底座、底板和环形外罩均由特殊合金加工而成。环刀厚10 mm(以保证土样处于侧限条件),内径61.8 mm,高30 mm;从环刀高度的下三分点起(长10 mm)制成刃口,刃口下端厚3 mm;既可用于重塑土,也可用于原状土。环刀底座与环刀刃口密合。环形外罩和底板通过螺钉固定在一起,以避免在湿干循环过程中因土样胀缩引起环刀移动。加载砝码是专门设计的,每个砝码在土样上产生的压力是10 kPa,因而具有加荷简单方便的特点。该固结仪可直接置于CT机上进行扫描,对扫描图像影响很小。为了方便CT扫描,专门加工了放置该固结仪的有机玻璃支架,并在环形外罩的外侧与环刀的上三分点对应处刻画了一条环形线,该线对应的断面即为CT扫描的横断面。

1.2试验用土

试验所用红黏土取自桂林理工大学雁山校区,取土深度为距地表0.5 m~1.0 m。土样呈红褐色,土质细腻,含水率较大,有较大黏性,自然状态下手握即可成团,且不易散,天然网状裂隙非常发育。按照《土工试验规程》[17](SL237-1999)对试验用土进行粒度分析和物理性质指标的测定,结果分别见表2、表3。

表2 试验红黏土颗粒组成

表3 试验红黏土的物理性质指标

1.3土样制备

1.3.1原状样的制备

将从现场取回的原状大土样,在实验室切削成直径61.8 mm,高30 mm的环刀样。制样完成后用余土测定土样含水率并计算所制环刀样的干密度,作为重塑样的制样依据。

1.3.2重塑样的制备

将风干红黏土,用木锤捶碎后过2 mm筛,然后测定风干含水率,根据控制含水率计算加水量。称取风干土1 kg,将其一部分平铺于瓷盘内,用喷壶喷洒适量蒸馏水于土表面,接着撒一层风干土;重复以上过程,一般分3层~5层喷洒即可。最后用保鲜膜将土和托盘一起包裹严实,静置24 h后,用调土刀搅拌均匀,继续用保鲜膜包裹后静置24 h后,再次搅拌均匀,然后装入密封袋内,放入保湿缸内湿润5 d。根据控制干密度计算每个环刀样需要的湿土质量,称取相应质量的湿土装入制作环刀样的模具内,然后利用压样装置进行静力压实。土样直径61.8 mm、高度30 mm,控制土样初始含水率为(28±0.5)%,初始干密度取为1.3 g/cm3(和天然状态下土样密度一致)。

1.4试验方案

本次试验主要为了模拟浅层红黏土在湿干循环过程中的细观结构演化,根据工程实际可知,在距地表1 m范围内,土体自重在0 kPa~20 kPa范围内,故本试验设置土样分别在0 kPa、10 kPa、20 kPa的竖向荷载下进行湿干循环试验,共做了18个原状土试验和8个重塑土试验。其中,对重塑土在每个荷载作用下各做了2个土样,用以比较试验结果的可靠性。试验方案列于表4。

湿干循环试验顺序为:初→增湿1→烘干1→增湿2→烘干2→增湿3→烘干3→增湿4→烘干4→增湿5→烘干5→增湿6。下面以某一级荷载(10 kPa)为例详述本试验过程。

(1) 将制备好的红黏土样装入CT-固结仪中,土样上下表面均放置滤纸,然后在土样上表面依次放置透水石、垫块和10 kPa的砝码(0 kPa下的土样不放置垫块和砝码),然后安装百分表支架和百分表,调节并固定百分表位置,使百分表位于砝码的中部,调节百分表读数归零。百分表用以量测土样的变形。固结过程完成的标准是:竖向变形≤0.01 mm/h,且历时不少于24 h。将固结完成后土样定为初始状态(0 kPa下的土样无需固结过程即为初始状态),对初始状态土样进行CT扫描。

表4 试验方案

说明:土样编号的下脚标表示在土样上施加的竖向荷载值,例:#0-0表示#0土样,施加的竖向荷载为0 kPa。

(2) 根据初始状态土样体积和预定饱和度(Sr=(85±1)%)计算加水量,固定百分表并调节读数归零,然后用注射器从垫块的空隙向土样加入计算水量,直至土样达到预定饱和度且固结完成,将该过程结束时的土样定名为湿1状态,对湿1状态土样进行CT扫描。

(3) 将湿1状态土样在不卸载的情况下,放入恒温烘箱内进行恒温烘干,温度设置为40℃,直至土样达到预定饱和度(Sr=(25±1)%)且固结完成,将该过程结束时的土样定名为干1状态,对干1状态的土样进行CT扫描。在烘干过程中发现当有上覆荷载时,土样失水过程缓慢,约需5 d~7 d时间,所以可以认为土样失水过程是均匀进行的,在达到预定饱和度时无需进行使土体水分均匀的过程,即可进行CT扫描;当荷载为0 kPa时,达到预定饱和度后需将土样放置于保湿缸内进行12 h的水分均匀,然后进行CT扫描。

(4) 对干1状态土样依次重复进行(2)、(3)过程,即得到湿2状态、干2状态、湿3状态。此后不同状态土样的试验过程如此循环。

(5) 试验过程中通过测量土样体积和质量控制土样达到目标饱和度。

将土样经历增湿、烘干的过程称为一次湿干循环。在表4中,达到干1、干2、干3和干5状态的土样共进行了1次、2次、3次和5次湿干循环;而达到湿1、湿2、湿3和湿6状态的土样是在分别经历了1次、2次和5次湿干循环后再增湿到预定饱和度,在表4中分别记/0.5次、1.5次、2.5次和5.5次湿干循环。

2 试验结果分析

CT图像可以直观地显示土样断面上孔隙、孔洞、裂纹等,表现为暗色;密度较大的地方,则表现为亮色[18],根据CT图像的明暗程度可以初步判断扫描断面的密度大小及其密度分布的不均匀程度。CT数据的ME值反映断面上所有物质点的平均密度;CT数据的方差SD值反映断面上物质点密度的差异程度[9]。本次试验的CT数ME值的选取区域为扫描断面上环刀内壁范围的截面,即取值区域面积为30 cm2。

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2.1原状红黏土的CT图像分析

图1~图3依次为#5-0、#5-10和#5-20原状土样的顺序扫描图像。总体来看,土样在干状态的密度明显小于湿状态的,初始状态的密度介于两者之间。初始扫描时,CT图像的高亮区和低 暗区对比明显,表明土样断面存在明显的孔洞和胶结物,结构性差异较大;第一次增湿之后,土样CT图像整体亮度增大,表明土样密度增大;高亮区和低暗区差异变小,表明由于水分的浸入部分孔洞被水分填充,物质分布趋于均匀。第一次烘干之后,图像整体亮度减弱,土样密度减小;边缘部分土体与环刀分离,土样发生明显的体积收缩,边缘部分土体变得不规整;低暗区范围扩大并变得明显,高亮区则进一步被削弱,表明由于水分的流失,土样内部孔洞逐渐显露出来,加之土样收缩使物质分布趋于不均匀。第二次增湿之后,土样的内部孔隙再次被水分填充,图像整体亮度增大,土样密度增大;土样发生微膨胀但无法恢复至初始体积,边缘土体不规整程度增大。第二次烘干之后,边缘不规整范围较干1状态时变大,但内部的孔洞或高密区域较干1状态时变小,表明土样的结构联结因为水的反复浸入和流失发生损伤。第三次增湿之后,边缘不规整范围进一步扩大,且部分区域出现明显裂隙,土样结构损伤加剧。

图1 #5-0土样在湿干循环过程中的CT图

图2 #5-10土样在湿干循环过程中的CT图

图3#5-20土样在湿干循环过程中的CT图

2.2原状红黏土的CT数据分析

图4是#5-0、#5-10和#5-20土样的全截面CT扫描数据ME值随扫描次序的变化曲线,对湿态(Sr=85%)和干态(Sr=25%)分别绘出。由图4可见,在3个不同荷载作用下,土样的ME值呈现逐渐减小的趋势。

图4土样CT数据随湿干循环次数的变化曲线

对比不同饱和度下的土样ME值曲线可以发现,在湿态(Sr=85%)时的ME值均较干态(Sr=25%)时的ME值大,这是由于饱和度较高时,土体内部孔隙多被水分填充,土样密度较大;而干态土样中的孔隙中多为空气,空气密度很小。在湿态Sr=85%时,土样ME值在第一个湿循环中减小明显,0 kPa、10 kPa、20 kPa荷载下分别减少214.45、119.14、57.29,第二个湿循环中ME值减小趋势变缓,0 kPa、10 kPa、20 kPa荷载下分别减少7.92、5.04、3.85。在干态(Sr=25%)时,土样ME值在一次干循环中减小程度较大,0 kPa、10 kPa、20 kPa荷载下对应的差值分别为174.18、170.42、146.24。由此可见,增湿和烘干都会对土样的ME值产生影响,且前两次增湿和烘干对土样ME值影响较大。说明随着湿干循环次数的增加,土样的内部结构逐渐被破坏,土体变得松散,密度随之减小,且原状红黏土在试验过程中发生明显的体积收缩。当土体再次吸水时发生微弱的体积膨胀,但仍无法弥补之前的体积收缩量,造成土体与环刀内壁之间仍存在较大空隙,土样缺少外部约束,更有利于水分的进入和散失,而水分的进入和散失则是造成土体内部结构遭到破坏的主要原因,故在试验过程中,土样的ME值逐渐减小。原状红黏土样初始结构性较强,体积的明显收缩发生在第一次烘干之后。对比不同荷载下土样的ME值曲线,可见,不管是湿态还是干态,土样ME值均为20 kPa下的最大,10 kPa下的次之,0 kPa下的最小。说明上部荷载对土样有压密作用,在一定程度上可以减弱在湿干循环过程中土样内部结构的破坏程度,且上部荷载较大时,这种减弱程度也较大。

2.3重塑红黏土样的CT图像分析

图5~图7依次为#7-0、#7-10和#7-20重塑土样的顺序扫描图像。ME值的取值范围为对应扫描状态下的扫描全断面。总体来看土样干状态的密度明显小于湿状态的,初始状态的密度介于两者之间。初始扫描图像上存在较多微小的暗色区域,表明初始干密度较小,土样压实不致密。湿1状态的图像明显比初始状态图像明亮,表明由于水分的浸入,土样内部孔隙被水分填充,土样密度增大。从干1状态图形可以看出土样发生明显的体积收缩,边缘部分土体与环刀分离,边缘部分土体变得不规整,即边缘土体开始发生破坏。第二次增湿之后,土样的内部孔隙再次被水分填充,图像整体亮度增大,土样密度增大;土样发生微膨胀但无法恢复至初始体积,边缘土体不规整程度增大。第二次烘干之后,边缘破坏土体范围较干1状态时变大,但内部的孔洞较干1状态时变小。第三次增湿之后,土样的部分边缘区域出现微小裂隙。第三次烘干之后,边缘破坏土体范围较干2状态时变大,边缘微裂隙变宽并向内部延伸。

图5 #7-0土样在湿干循环过程中的CT图

图6 #7-10土样在湿干循环过程中的土样CT图

图7#7-20土样在湿干循环过程中的土样CT图

2.4重塑红黏土的CT数据分析

图8是重塑土样的全断面CT扫描数据ME值随扫描次序的变化曲线,对湿态(Sr=85%)和干态(Sr=25%)分别绘出。由图8可见,在3个不同荷载作用下,土样的ME值均呈现逐渐减小的趋势。

图8土样CT数据随湿干循环次数的变化曲线

对比不同饱和度下的土样ME值曲线,可以发现,在湿态(Sr=85%)时的ME值均较干态(Sr=25%)时的ME值大,这是由于高饱和度时,土体内部孔隙多被水分填充,土体密度较大。在Sr=85%时,土样的ME值在第一次湿循环中减小较大,其中#8-0、#9-0土样ME值在第一个湿循环中的减小值分别为24.89、33.37,在湿循环中的ME累计减小值分别为76.19、90.42,第一次的ME减小值占ME累计减小值的百分比分别为32.67%、36.90%;#6-0、#7-0土样ME值在第一个湿循环中的减小值分别为42.15、42.16;10 kPa、20 kPa荷载下两个平行土样ME值减小量的平均值分别为33.58、17.25。在干态(Sr=25%)时,土样的ME值在第一次干循环中减小较大,其中#8-0、#9-0土样ME值在第一个湿循环中的减小值分别为50.99、52.40,在干循环中的ME累计减小值分别为80.46、75.74,第一次的ME减小值占ME累计减小值的百分比分别为63.37%、69.18%。#6-0、#7-0土样ME值在第一个干循环中的减小值分别为57.76、50.62;10 kPa、20 kPa荷载下两个平行土样ME值减小量的平均值分别为54.67、52.78。由此可见,增湿和烘干都会对土样的ME值产生影响,且前两次增湿和烘干对土样ME值影响较大。说明随着湿干循环次数的增加,土样的内部结构逐渐被破坏,土体变得松散,密度随之减小。但是由于重塑红黏土初始结构性较弱,土颗粒间内部连结较弱,故在湿干循环过程中ME值减小的程度比原状红黏土小。同时由于土颗粒内部连结较弱,土样失水体积收缩比原状样小,吸水体积膨胀比原状样大,土样与环刀内壁之间还有接触,土样存在外部约束,使得水分的浸入和散失较原状红黏土样不容易,内部结构被破坏的程度比原状样小,ME值减小的程度比原状样的小。

对比不同荷载下土样的ME值曲线可见,不同饱和度下土样ME值的大小关系均为20 kPa下的最大,10 kPa下的次之,0 kPa下的最小。说明上部荷载对土样有压密作用,在一定程度上可以减弱在湿干循环过程中土样内部结构的破坏程度,且上部荷载较大时,这种减弱程度也较大。这种规律和原状红黏土样的ME值具有较好的一致性。

3 细观结构变量及其演化方程

分析试验结果发现,桂林红黏土土样在湿干循环过程的细观结构变化受到初始状态、上部荷载、湿干循环次数、扫描终态等因素的影响,引入细观结构参数S反映湿干循环过程中土样细观结构的变化,可采用CT数ME定义如下

(1)

式中,ME0和MEf分别为完整土样和完全破损土样的CT数,代表两种极端情况;而ME是某一荷载作用下土样在湿干循环过程中处于某个状态的CT数。当土样处于完好状态,ME=ME0,S=1;若土样破坏,则ME=MEf,S=0;在湿干循环过程中,0≤S≤1,故用式(1)可以定量描述土样在湿干循环过程中的结构性。

设MEmax和MEmin分别为相同荷载下土样在湿干循环过程中CT数ME的最大值和最小值,试验中测得的0 kPa、10 kPa和20 kPa荷载下,原状土样的MEmax值分别为1521.15、1538.27和1543.62,MEmin值分别为1029.59、1059.26和1092.42;重塑土样的MEmax值分别1369.92、1378.38和1386.21,MEmin值分别为996.38、999.58和1011.85。考虑到土样初始就有一定的损伤,且土样最终也未达到完全破坏,因而原状样的ME0和MEf分别取为1600和1000,重塑土样的ME0和MEf分别取为1400和900。

原状土样和重塑土样的细观结构演化参数随湿干循环次数的变化曲线分别如图9(a)、图9(b)所示。从图9可见,在湿干循环过程,对比相同状态下的土样其细观结构参数S呈现逐渐减小的趋势,这一变化规律与随着湿干循环次数的增加,土体越松散,空隙越发育的一般规律具有比较好的一致性。

图9土样结构参数S值湿干循环次数的变化曲线

进一步分析试验结果还可以发现,桂林红黏土土样在湿干循环过程中的细观结构演化规律主要与扫描终态时的饱和度、湿干循环次数和荷载大小有关。采用如下方程(2)描述湿干循环过程中桂林红黏土土样的细观结构演化规律,方程(2)为

(2)

式中,S0、S分别为土样初始扫描时的细观结构演化参数和湿干循环过程中的细观结构演化参数,Sr0、Sr分别为土样初始扫描时的饱和度和湿干循环过程中对应扫描状态时的饱和度;n为湿干循环次数,取值为0.5~5.5;Patm为标准大气压,即101.3kPa,P为对应的土样上部荷载,取值为0kPa、10kPa和20kPa。a为与扫描终态时土样饱和度有关的参数,对于湿态(Sr=85%),取1.2;对于干态(Sr=25%),取0.8。在湿干循环过程中,原状、重塑土样的细观结构演化参数S和土样饱和度的关系曲线见图10,图中实心点为试验值,空心点为采用方程(2)计算得到的预测值曲线。为了看得清楚起见,图10(c)和图10(d)还分别给出了原状土样#5-0和重塑土样#9-0的预测值与试验数值的比较。

式(2)反映了饱和度、湿干循环次数和荷载大小对红黏土结构演化的影响,且只包含一个参数,便于应用。由图10可见,预测结果与试验资料比较接近。 应用红黏土的细观结构演化方程,可以建立考虑细观结构变化的红黏土的结构损伤模型和抗剪强度规律,有关研究工作尚待完成。

4 结 论

(1) 研制的CT-固结仪能够在压力作用下进行湿干循环试验,并对土样的细观结构进行实时CT扫描。

(2) 增湿和干燥都能使桂林雁山原状红黏土及其重塑土的结构造成损伤;湿干循环三次之后,原状红黏土样开始产生明显裂隙; 重塑红黏土样在湿干循环过程中其密度逐渐减小,在第三次增湿之后土样开始出现裂隙,随后再次烘干,裂隙继续开展。

(3) 基于CT数据,初步提出了定量描述桂林雁山红黏土在湿干循环过程中的细观结构演化参数其与土样饱和度、湿干循环次数、上部荷载之间的数学表达式(即式(2)),只包含一个参数,便于应用,用其预测试验资料的效果较好。

图10土样S/Sr值散点图与细观结构演化方程曲线比较

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Microstructure Evolution of Red Clay During Wet-dry Cycles

ZHU Guoping1, CHEN Zhenghan1,2, WEI Changfu1,3, LV Haibo1, LIANG Weiyun1

(1.GuangxiKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004,China; 2.DepartmentofArchitecturalEngineering,LogisticalEngineeringUniversityofPLA,Chongqing401311,China;3.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)

Wet-dry cycles affect the micro structure of soil samples. In order to study its evolution of red clay during wet-dry cycles, the CT-consolidation apparatus was developed. A number of tests of wet-dry cycles were carried out for intact and remolded red clay under loading condition, and CT scanning was taken on samples after each wetting and drying finished. The results indicate that both wetting and drying can induce the structural damage of undisturbed and remolded red clay. Micro structure evolution parameters were defined, and the relationship between micro-structure evolution parameters and saturation, times of wetting-drying cycles, upper load was proposed, the predicted results agreed well with the experimental data.

red clay; CT-consolidation apparatus; wetting-drying cycle; micro-structure evolution

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.009

2016-03-17

2016-04-11

国家自然科学基金资助项目(11272353);广西岩土力学与工程重点实验室资助项目

朱国平(1989—),女,河南安阳人,硕士,研究方向为非饱和土力学及工程应用。 E-mail:1124987542@qq.com

陈正汉(1947—),男,陕西南郑人,教授,主要从事非饱和土与特殊土力学研究。 E-mail:chenzhenghan47@163.com

TU446

A

1672—1144(2016)04—0042—08

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