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文檔簡介

1、高層建筑結(jié)構(gòu)與抗震輔導(dǎo)材料三場地與地基學(xué)習(xí)目標(biāo)1 .掌握建筑場地的選擇,場地土類別的劃分;2 .掌握天然地基的抗震驗算;3 .了解地基土液化,地基抗震措施及處理。學(xué)習(xí)重點1 .建筑場地的選擇,場地土類型的劃分;2 .天然地基的抗震驗算方法;3 .影響地基土液化的因素,液化等級及處理方法。一、工程地質(zhì)條件與場地1 工程地質(zhì)條件對地震破壞的影響地震的震害現(xiàn)象表明,在具有不同工程地質(zhì)條件的建筑場地上,建筑物在地震中的破壞程度是明顯不同的。同時還發(fā)現(xiàn),大致相同的地層土質(zhì)條件,對不同類型建筑物震害的影響也是不同的。有時,在建筑物的結(jié)構(gòu)、施工等情況基本相同的條件下,由于地震的作用,其破壞程度會有12度的差

2、別,這也就是局部工程地質(zhì)條件對工程抗震影響的結(jié)果。(1)局部地質(zhì)構(gòu)造的影響斷裂帶是地質(zhì)構(gòu)造上的薄弱環(huán)節(jié),淺源地震往往與斷裂活動有關(guān),發(fā)震斷裂帶附近地表,在地震時可能產(chǎn)生新的錯動,使建筑物遭受較大的破壞。因此,對于各種危險地段選擇建筑場地應(yīng)予以避開。(2)局部地形的影響宏觀現(xiàn)象、儀器觀測和理論分析都說明,局部孤突地形對震害具有明顯的影響,一般來說,局部地形高差大于30s50m時,震害就開始出現(xiàn)明顯的差異。因此,孤突的山梁、孤立的山包、高差較大的臺地等,都是明顯影響震害的地形。(3)地下水位的影響宏觀震害現(xiàn)象表明,水位越淺,震害越重。在不同的地基中,地下水位的影響程度也有所差別,對柔軟土層的影響最

3、大,粘性土次之,對卵礫石、碎石、角礫土則影響較小。尤其是當(dāng)?shù)叵滤領(lǐng)-5nl時,對震害的影響最為明顯,當(dāng)?shù)叵滤惠^深時,則影響不再顯著。2 .場地場地即指工程群體所在地,具有相似的反應(yīng)譜特征。其范圍相當(dāng)于廠區(qū),居民小區(qū)和自然村或不小于1.0km2的平面面積。場地土則是指在場地范圍內(nèi)的地基土。一般認(rèn)為,場地條件對建筑震害的影響主要因素是:場地土的剛性(即堅硬或密實程度)大小和場地覆蓋層厚度。震害經(jīng)驗指出,土質(zhì)愈軟,覆蓋層愈厚,建筑物震害愈嚴(yán)重,反之愈輕。場地土的剛性一般用土的剪切波速表示,因為剪切波速是土的重要動力參數(shù),是最能反映場地土的動力特性的,因此,以剪切波速表示場地土的剛性廣為各國抗震規(guī)

4、范所采用。建筑場地類別:抗震規(guī)范規(guī)定,建筑場地類別根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度分為4類,見表3-1。各類建筑場地的覆蓋層厚度(m)表3-1場地壁刃1IInib'>50010SOOr/5=r,350V1©53-1515-W建筑場地覆蓋層厚度的確定,應(yīng)符合下列要求:一般情況下,應(yīng)按地面至剪切波速大于500m/s的土層頂面的距離確定。當(dāng)?shù)孛?nl以下存在剪切波速大于相鄰上層土剪切波速2.5倍的土層,且其下臥巖土的剪切波速均不小于400m/s時,可取地面至該土層頂面的距離作為覆蓋層厚度。剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體,應(yīng)視同周圍土層。土層中的火山巖硬夾層,應(yīng)視為

5、剛體,其厚度應(yīng)從覆蓋土層中扣除。表3-1中vs為巖石或堅硬土的剪切波速;vse為土層等效剪切波速,可根據(jù)實測或按下式確定vse二dO刀i二ldivsi(3-1)式中dO-計算深度(m),取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值;di-1的決莘屏1F-Ktfonijt取劉訓(xùn)后理”0.1齊*Ua1r>500i"W1叩用"ffl±:r界fh呂:丈J我詢儲一川*叩軫.仁rlit11鼬和I即、啊.諒松做酥用理、陽巾”人衣勿。沖用JIAHLW&I.J”i30kP.in?AL.訓(xùn)壁盂止250>*”-!10計算深度范圍內(nèi)第i罔3-1事口1地點波速的汁驛<11)多

6、拭上:(b)單一上云土層的厚度(m);n-計算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù);vsi-計算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速(m/s),宜用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。等效剪切波速vse是根據(jù)地震波通過計算深度范圍內(nèi)多層土層的時間等與該波通過計算深度范圍內(nèi)單一土層所需時間的條件求得的。對丁類建筑以及層數(shù)不超過10層且高度不超過30nl的丙類建筑,當(dāng)無實測剪切波速時,可根據(jù)巖土名稱和性狀,按表3-2劃分土的類型,再利用當(dāng)?shù)亟?jīng)驗在表3-2的剪切波速范圍內(nèi)估計各土層的剪切波速。最后按式(3-1)確定場地計算深度范圍內(nèi)土層剪切波速。土的類型劃分和剪切波速范圍表3-2氐崩1艷匪相i杵i址醮1”牡an的枷.新近沅即.的粘杵LF腕1,

7、注:fak為由載荷試驗等方法得到的地基承載力特征值,vs為巖土剪切波速。二、地基基礎(chǔ)的抗震驗算在地震作用下,為保證建筑物的安全和正常使用,地基應(yīng)同時滿足承載力和變形的要求。但由于在地震作用下地基變形過程十分復(fù)雜,目前還沒有條件進(jìn)行這方面的定量的計算。因此,現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定,只要求對地基抗震承載力進(jìn)行驗算,至于地基變形,則通過對上部結(jié)構(gòu)或地基基礎(chǔ)采取一定的抗震措施來保證。1可不進(jìn)行天然地基與基礎(chǔ)抗震承載力驗算的建筑歷次震害調(diào)查表明,一般天然地基上的下列一些建筑很少因為地基失效而破壞。因此,抗震規(guī)范規(guī)定,建造在天然地基上的以下建筑,可不進(jìn)行天然地基和基礎(chǔ)抗震承載力驗算:砌體房屋。地基主要受力層范圍

8、內(nèi)不存在軟弱粘性土層的一般單層廠房、單層空曠房屋和不超過8層,且高度在25m以下的一般民用框架房屋及與其基礎(chǔ)載荷相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房。這里的地基主要受力層是指條形基礎(chǔ)底面下深度為3b(b為基礎(chǔ)底面寬度),單獨基礎(chǔ)底面下深度為1b,且厚度均不小于5nl的范圍(二層以下的民用建筑除外)。7度I、n類場地,柱高分別不超過10m,且結(jié)構(gòu)單元兩端均有山墻的鋼筋混凝土柱和磚柱單跨及等高多跨廠房(鋸齒形廠房除外)。6度時的建筑(建造在W類場地上的較高的高層建筑除外。這里較高的高層建筑是指,高度大于40nl的鋼筋混凝土框架、高度大于60m的其他鋼筋混凝土民用房屋及高層鋼結(jié)構(gòu)房屋。)。軟弱粘性土層指7度、8度和9

9、度時,地基靜承載力特征值分別小于80、100和120kPa的土層。2.天然地基抗震承載力驗算(1)驗算方法驗算天然地基在地震作用下的豎向承載力時,按地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的基礎(chǔ)地面平均壓力和邊緣最大壓力應(yīng)符合下列各式要求pwfaE(32)(3-3)pmaxw1.2faE式中p-地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的基礎(chǔ)底面平均壓力;pmax-地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的基礎(chǔ)底面邊緣最大壓力;faE-調(diào)整后地基土抗震承載力。抗震規(guī)范同時規(guī)定,高寬比大于4的建筑,在地震作用下基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力;其他建筑,基礎(chǔ)底面與地基土之間零應(yīng)力區(qū)域面積不應(yīng)超過基底面積的15%o根據(jù)后一規(guī)定,對基礎(chǔ)底面為矩形基礎(chǔ),其受壓寬度與基礎(chǔ)寬

10、度之比則應(yīng)大于85%,即Pb,>0.85b-4)式中b'-矩形基礎(chǔ)底面受壓寬度(圖3-2);背曲;,和FIU/Him密直的丹杠L西底的礫.虬呷耐*匚1HlfciLS中陽.簾的附h1.申出柯析需射坯,!.罕蟬1ni.申樣-褂空旬中傘的韁,附聊,沾燦人C5W的輅啊Lflir)L3«桃的彼.粉孤兒Viso,rjiwin1枷榭1.呵叩試11.1淤;兄杷淤1.t*4房f堂決理真*k0b'bb-M3-2晶礎(chǔ)減iftOk力分布的限制矩形基礎(chǔ)底面寬度。(2)地基土抗震承載力在地震作用下,建筑物地基土的抗震承載力與地基靜承載力是有差別的。這是因為在靜壓力作用下,地基土將產(chǎn)生彈性變

11、形及永久變形(即殘余變形)。彈性變形可在短時間內(nèi)完成,而永久變形則需要較長的時間才能完成,因此,在靜載長期作用下,地基中將產(chǎn)生較大的變形。而地震作用時間很短,只能使土層產(chǎn)生彈性變形而來不及發(fā)生永久變形。所以,由地震作用產(chǎn)生的地基變形較靜載產(chǎn)生的地基變形要小得多。而地基承載力是根據(jù)地基允許變形值確定的,若地基允許變形值一定,因為靜載產(chǎn)生的變形大,故所需的靜載壓力就小,而地震作用產(chǎn)生的變形小,故所需的地震作用產(chǎn)生的壓力就應(yīng)該大。因此從地基變形角度來說,地震作用時地基土的抗震承載力應(yīng)比地基土的靜承載力大,即動強度一般高于靜強度,故在確定地基土抗震承載力時、其取值可以比地基靜承載力大一些。對于地基土抗

12、震承載力的取值我國規(guī)范采取在地基土靜承載力的基礎(chǔ)上乘以提高系數(shù)的方法。在進(jìn)行天然地基基礎(chǔ)抗震驗算時,地基土抗震承載力可按下式計算:faE=Zafa(5)式中faE-調(diào)整后的地基土抗震承載力設(shè)計值;Za地基土抗震承載力調(diào)整系數(shù),可按表3-3采用;fa-經(jīng)深寬度修正后,地基土靜承載力特征值,按建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB50007)(以下簡稱設(shè)計規(guī)范)采用。地震作用對軟土的影響較大,土越軟,在地震作用下的變形越大。如我國天津塘沽地區(qū)軟±,其靜承載力約為49kPa,唐山地震后,其動強度還略低于靜強度,因此,在進(jìn)行抗震強度驗算時,軟弱土的抗震承載力不能提高。三、地基土的液化1 .液化的概念在地

13、下水位以下的飽和的松砂和粉土受到地震的振動作用,土顆粒間有壓密的趨勢,孔隙水壓力增高以及孔隙水向外運動,這樣,一方面可能引起地面上發(fā)生噴砂冒水現(xiàn)象,另一方面更多的水分來不及排除,使土顆粒處于懸浮狀態(tài),形成有如液體”一樣的現(xiàn)象,稱為液化。由土力學(xué)原理可知,飽和砂土的地震液化破壞,關(guān)鍵在于飽和砂土孔隙水壓力變飽和砂土的抗剪強度是Ctg?=U)tg?(3-6)化。升剪切面上有效法向壓應(yīng)力(粒間壓應(yīng)力);升剪切面上總的法向壓應(yīng)Tf二u-剪切面上孔隙水壓力;?-土的內(nèi)摩擦角。式中u急劇增高,直至與總的法向壓應(yīng)力;(T二-"0時、沙土顆粒便呈懸浮狀態(tài)。土體抗剪強到液地震時,由于場地土作強烈振動,

14、孔隙水壓力力C相等,即有效法向壓應(yīng)力度Tf二0從而使場地土失去承載能力。2 .影響砂土液化的因素(1)沙土的組成一般來說,細(xì)砂比粗砂容易液化,級配均勻的比級配良好的容易液化,細(xì)砂比粗砂容易液化的主要原因是粗砂較細(xì)砂的透水性好,即使粗砂有液化現(xiàn)象發(fā)生,但因孔隙水超壓作用時間短,其液化進(jìn)行的時間也短。(2)相對密度松砂比密砂容易液化,1964年日本的新瀉地震表明,相對密度Dr為50%的地方普遍看化現(xiàn)象,而相對密度Dr>70%的地方就沒有液化。在粉土中,由于它是粘性土與無粘性土之間的過渡性土壤,因而其粘性顆粒的含量多少就決定了這類土壤的性質(zhì),從而也就影響液化的難易程度。粘性顆粒少的比多的容易液

15、化,即粘性土壤顆粒含量超過表3-4所列指標(biāo)時,即不會發(fā)生液化。粘tn打1o.oog百千*7(3) 土層的埋深用應(yīng)力控制式的動三軸進(jìn)行試驗及研究結(jié)果表明,側(cè)限壓力越大,越不容易液化。測限壓力大小實際上反映了土層的埋深。所以砂土層埋深越大,即有效覆蓋壓力越大,砂層就越內(nèi)。不容易液化。地震時,液化砂土層的深度一般是在10m以(4)地下水位地下水位淺的比地下水位深的容易發(fā)生液化。對于砂類土液化區(qū)內(nèi),一般地下水位深度V4m,容易液化,超過此深度后,就沒有液化發(fā)生。對粉土的液化,在7度、8度、9度區(qū)內(nèi),地下水位分別小于1.5m、2.5m、6.0%容易液化,超過此值后,則未發(fā)生液化現(xiàn)象。(5)地震烈度大小和

16、地震持續(xù)時間多次震害調(diào)查表明:地震烈度高,地面運動強度大,就容易發(fā)生液化。一般5s6度地區(qū)很少看到有液化現(xiàn)象。日本新瀉在過去100年中發(fā)生25次地震,其中只有三次發(fā)生過液化現(xiàn)象,這三次地面加速度都大于0.13go地面運動強度是砂土液化的重要原因。實驗結(jié)果還說明,如地面運動時間長,即使地震烈度低,也可能出現(xiàn)液化。3 液化的判別當(dāng)建筑物地基有飽和砂土或飽和粉土?xí)r,應(yīng)經(jīng)過勘查試驗確定在地震時是否液化?;玖叶葹?度時,一般情況下可不進(jìn)行判別和處理,但對液化沉陷敏感的乙類建筑,可按7度的要求進(jìn)行判別和處理,7-9度時、乙類建筑可按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求進(jìn)行判別和處理。存在液化土層的地基,應(yīng)根據(jù)建筑的

17、抗震設(shè)防類別、地基的液化等級,結(jié)合具體情況采取相應(yīng)的措施。液化判別可分二步進(jìn)行;第一步,初步判別。飽和的砂土或粉土當(dāng)符合下列條件之一時,可初步判別為不液化或不考慮液化影響:地質(zhì)年代為第四季更新世(Q3)及其以前時,可判為不液化土;粉土的粘粒(粒徑小于0.005mm的顆粒)含量百分率pc(%)在7度、8度、9度分別不小于10、13和16時,應(yīng)判為不液化土;采用天然基礎(chǔ)的建筑,當(dāng)覆蓋在非液化土層上的厚度和地下水位深度符合下列條件之一時,可不考慮液化影響:du>dO+db-2(3-7)dw>d0+db-3(3-8)du+dw>1.5d0+2db-4.5(3-9)式中dw-地卜水位深

18、度Cm),按建筑使用期內(nèi)年平均最高水位采用,也可按近期內(nèi)年最高水位采用;du-上覆非液化土層厚度Cm),計算時宜將淤泥和淤泥土層扣除;,不超過2nl時應(yīng)采用2m;d。-液化土特征深度(m)。曲-基礎(chǔ)埋置深度(m)第二步,標(biāo)準(zhǔn)貫入試應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗進(jìn)一步確定其是否標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備,主要是由標(biāo)準(zhǔn)貫入63. 5公斤的穿心錘三部分15cm,然后在錘的落距為76cm的驗判別。凡初判為可能液化或需考慮液化影響時,液化。當(dāng)有成熟經(jīng)驗時,也可采用其他辨別方法。器、觸探桿和重組成。操作時先用鉆具鉆至試驗土層標(biāo)高以上條件下,每打入砂層30cm的錘擊數(shù)計作N63.5。N63. 5值小于按式當(dāng)飽和砂土或飽和粉土實測

19、標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長修正)C3-10)確定的臨界值Ncr時、則應(yīng)判別為可液化土,否則為不液化土。Ncr=N00.9+0.1(ds-dw)3pc(3-10)式中Ncl液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值;N0-液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值,按表3-7采用;ds-飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點深度(m);dw-室外地面到地下水位的距離(m);pc粘粒含量百分率,當(dāng)pC3時,取等于3。標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值設(shè)言1,她收'葉附。反71知«<.eJIEa110T15.L5.IE注:括號內(nèi)數(shù)值用于設(shè)計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)。從式(3-10)可以看出,公式主要考慮了砂層所處的深度、

20、地下水位深度、飽和土的粘粒含量,及地震烈度等影響,這些都是影響砂土液化的主要因素。4 液化的等級以上僅對是否可能出現(xiàn)液化進(jìn)行了判別,在工程中必須對液化危害性作出定量的評價。實際上,在同一地震強度下,液化層的厚度越大,埋藏越淺,土密度越低,則其液化所造成的危害越大。反之,則危害程度就小。一般是用確定地基的液化等級來進(jìn)一步做液化危害分析。凡經(jīng)判定為可液化的土層,應(yīng)按式(3-11)來確定地基的液化指數(shù)HE,并按表3-8確定地基的液化等級。式中HE-液化指數(shù);HE=?Ni1-刀Ni=T?crin?diwi(3-11)?n-15m深范圍內(nèi)每一個鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點總數(shù);Ni、Neri-分別為i點標(biāo)準(zhǔn)貫入錘

21、擊數(shù)的實測值和臨界值,當(dāng)實測值大于臨界值時應(yīng)取臨界值的數(shù)值;di-i點所代表的土層厚度(m),可采用與該標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點相鄰的上、下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入點深度差的一半,但上界不小于地下水位深度,下界不大于液化深度;wi-i土層考慮單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值(m-1),若判別深度為15nb當(dāng)該層中點深度不大于5nl時應(yīng)取10,等于15nl時應(yīng)取0,5s15nl時應(yīng)按線性內(nèi)插法取值;若判別深度為20nb當(dāng)該層中點深度不大于5nl時應(yīng)取10,等于20m時應(yīng)取0,5s20nl時應(yīng)按線性內(nèi)插法取值。當(dāng)液化指數(shù)HE較?。?VIIE<5),地面無噴水冒砂,或僅洼地、河邊有零星的噴冒點,此時,液化危害性小,場地

22、上的建筑一般沒有明顯的沉降或不均勻沉降。當(dāng)液化指數(shù)增大到5s15時、液化危害增大,噴冒頻頻出現(xiàn),從輕微到嚴(yán)重均有,多數(shù)屬中等噴冒,液化常導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生明顯的不均勻沉降或裂縫,在土層和結(jié)構(gòu)條件的不利組合下,液化不均勻沉降可達(dá)0.2m,絕對沉降可達(dá)0.5叫特別是那些直接用液化土作地基持力層的建筑和農(nóng)村簡易房屋,受害普遍較重。V-喘i/j:15>190盂仃>18當(dāng)液化指數(shù)HE>15時:液化危害較嚴(yán)重,場地噴冒嚴(yán)重,涌砂量大,地面變形明顯,覆蓋面廣,建筑物的不均勻沉降值常達(dá)到20s30cm,高重心結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生不允許的傾斜,嚴(yán)重影響使用,修復(fù)工作難度增大。5可液化地基的處理地震時,飽和

23、砂土、飽和粉土的液化將引起地基的不均勻沉降,導(dǎo)致建筑物破壞,傾斜場地或具體土層液化也往往帶來大體積土體滑動而造成嚴(yán)重后果。因而,為保障建筑物安全,應(yīng)根據(jù)材料、施工機具、場地環(huán)境等因素綜合考慮選擇恰當(dāng)?shù)目挂夯胧?。?)一般情況下,除丁類建筑外,應(yīng)避免用未經(jīng)加固處理的可液化土層作為天然地基的持力層。(2if坯忱芒i了門:肥地¥-的曲化舌鍛5札IS殊6部常St1ft第曲代拭金肚川陸feail原化沉昭)對液化地基,應(yīng)根據(jù)不同的地基液化等級,結(jié)合具體等級與具體情況,按表3-7選擇恰當(dāng)?shù)目挂夯胧?nèi)t1電闌上帚站杓徒宣礎(chǔ)用1”需購竟片一,J更.ij叫彳焦取搭*蔚L就和1fffi秸構(gòu)赴I可.1

24、曲冀他汁夬鞘Kift1(3)全部消除地基液化沉陷的措施,應(yīng)符合下列要求:采用樁基時,樁端伸入液化深度以下穩(wěn)定土層中的長度(不包括樁尖部分)應(yīng)按計算確定,對碎石、礫、粗、中砂、堅硬粘性土和密實粉土不應(yīng)小于0.5m,其他非巖石土不宜小于1.5m;采用深基礎(chǔ)時,基礎(chǔ)底面埋入液化深度以下穩(wěn)定土層中的深度應(yīng)不小于0.5m;采用加密法(如振沖、振動加密、擠密碎石樁、強夯等)加固時;應(yīng)處理至液化深度下界;振沖或擠密碎石樁加固后,樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)算的臨界值。N63.5應(yīng)大于計采用加密法或換土法處理時,在基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度,應(yīng)超過基礎(chǔ)底面下處理深度的1/2,且不小于基礎(chǔ)寬度的1/5。要求部分消除地基液

25、化沉陷時,處理深度應(yīng)使處理后的地基液化指數(shù)減少,當(dāng)判別深度為15nl時、其值不宜大于4,當(dāng)判別深度為20nl時、其值不宜大于5,對獨立基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ),不應(yīng)小于基礎(chǔ)底面下液化土特征深度和基礎(chǔ)寬度的較大值。另外,抗震規(guī)范對樁基是否需要抗震驗算專門作了詳細(xì)的規(guī)定。四、軟弱粘性土地基和不均勻地基的處理1.軟弱粘性土地基的處理當(dāng)建筑物地基主要受力層范圍內(nèi)存在軟弱粘性土層(7度、8度和9度;其它地基靜承載能力標(biāo)準(zhǔn)值分別小于80、100和120kPa)時,由于其容許承載能力低,壓縮性大,房屋的沉降和不均勻沉降大,如設(shè)計不周,就會使房屋大量下沉,造成上部結(jié)構(gòu)開裂,地震時會加劇房屋的破壞,故應(yīng)首先做好靜力條件下的地基基礎(chǔ)設(shè)計,并結(jié)合具體情況,綜合考慮適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?/p>

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