膨脹巖地區盾構壁后纖維注漿材料試驗研究

張世榮，侯凱文，潘　鑫，蘇　建，歐孝奪

(1.西安建筑科技大學土木工程學院， 陜西西安710055；2.廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004)

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膨脹巖地區盾構壁后纖維注漿材料試驗研究

張世榮1，侯凱文2，潘鑫2，蘇建2，歐孝奪2

(1.西安建筑科技大學土木工程學院， 陜西西安710055；2.廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004)

摘要：為研究膨脹巖地區纖維注漿材料與膨脹巖相互作用的規律，以南寧軌道交通一號線穿越膨脹巖區域為依托背景，開展纖維壁后注漿材料力學性能研究，選取3組工程常用配比，分別摻入0.9 kg/m3、1.5 kg/m3、2.0 kg/m3聚丙烯纖維，進行抗壓、劈裂抗拉、抗折試驗。并自行設計模型試驗裝置，就摻入1.5 kg/m3纖維時注漿材料與膨脹巖相互作用開展模型試驗及數值分析。試驗結果表明：①與普通注漿材料相比較，纖維對注漿材料的強度影響較小，對其韌性增強作用明顯，摻量1.5 kg/m3時，增韌效果最明顯，相比普通試塊，纖維摻量1.5 kg/m3及以上時撓度增加均在30%以上；②相對于普通漿液，相同條件下，纖維漿液使膨脹力衰減32%;③當膨脹力增至160 kPa時，纖維漿液使管片最大正彎矩和最大負彎矩分別減小31.6%和24.2%，可見纖維注漿材料能有效減小膨脹巖膨脹變形對盾構管片的影響。

關鍵詞：膨脹巖；盾構壁后注漿；纖維漿液；數值模擬

0引言

盾構法施工是城市地鐵等各類地下工程建設中廣泛應用的方法[1]。而壁后注漿是盾構法施工過程的一個重要環節，起到控制地表沉降、增強隧道抗滲性和穩定性的作用[2-4]。近幾十年來，國內外許多專家學者針對特定地層就盾構同步注漿這一問題進行了深入的研究[5-8]，比如成都富水砂卵地層、上海軟土地層、穿黃隧道富水地層等，這些材料都可以達到良好的施工性能及滿足特定地層的要求。對于穿越膨脹巖地區的盾構管片結構，將受到特殊巖土膨脹變形的影響，而針對膨脹巖地區盾構壁后注漿材料的研究鮮見報道。

南寧軌道交通一號線全長29.5 km，其中穿越膨脹巖區域長達6.9 km。該巖層主要為半成巖狀態的沉積巖，具有強度低、易膨脹軟化、吸水膨脹和失水收縮等典型膨脹巖土特性，對環境因素(溫度、濕度等)的變化極為敏感，對隧道結構危害作用大[9]。本文結合南寧膨脹巖的工程特性，對盾構管片壁后注漿材料與膨脹巖力學作用特性開展試驗研究。

1膨脹巖地區盾構壁后注漿材料要求

1.1注漿材料一般要求

漿液必須滿足工程使用要求，一般要求如下：①流動性好，不產生離析，易于泵送；②壓注后漿液固化收縮率小；③固結后具有較低滲透系數；④壓注后能迅速獲得適當的早期強度。通過搜集各地盾構壁后注漿資料得知，上述要求的主要指標為流動度、凝結時間、泌水率、強度。

1.2膨脹力與膨脹變形

膨脹巖吸水產生膨脹變形，當巖土體變形受到約束就會產生膨脹力。廣義膨脹壓力與膨脹變形量有關，相關研究較為豐富。劉靜德等[10]對南水北調線強膨脹巖重塑樣進行了控制應變的廣義膨脹力試驗，推導出廣義膨脹力—膨脹應變經驗公式，得出微小變形會引起廣義膨脹力的大幅減小。謝云等[11]對南陽重塑膨脹土的三軸膨脹力試驗進行研究，試驗結果表明，廣義膨脹力與位移呈對數關系，微小的位移可以使膨脹力大大降低。廣西大學歐孝奪等[12]對南寧膨脹巖重塑樣微變形與膨脹力的關系進行了研究，微變形為5%時，廣義膨脹力僅為膨脹力的35%。

由此看來，針對膨脹巖地區的工程建設，采用柔性材料可以大大減小膨脹力對結構的不利影響，國內膨脹巖隧道的成功建設經驗已充分證實了這點[13]。

1.3膨脹巖地區盾構壁后注漿材料要求

結合上述分析，膨脹巖地區的注漿材料要求主要從以下三方面考慮：

①滿足常規漿液指標。漿液施工參數的研究較多，對施工最重要的兩個因素是凝結時間和流動度，此外還要控制漿液的泌水率。流動度滿足泵送要求即可，一般要求初始流動度大于24 cm，泌水率一般小于5%，漿液的凝結時間比較靈活，根據地層穩定性確定，這種自穩性差的地層，凝結時間一般控制在6 h，不宜超過8 h。

②強度指標。漿液硬化后應具有一定的強度，漿液的長期強度應約等于原狀土的強度，通過常年觀測知道，一般漿液長期強度達到1～2 MPa以上效果比較好[14]。根據一號線沿線膨脹巖抗壓強度統計結果，單軸抗壓強度在0～2.92 MPa，漿液長期強度不宜低于2.92 MPa，能和周圍土體共同承受上部荷載。

③韌性要優于普通注漿材料。考慮到膨脹力對隧道結構的危害，注漿材料應具有適應或是降低這種危害的性能。注漿層位于膨脹巖與盾構管片之間，應能起到很好的緩沖效果，具有較好的變形能力，為膨脹力釋放提供空間，同時具有較好的韌性，發生較大位移時不至于破壞。

2盾構壁后注漿材料力學特性研究

影響纖維復合材料力學性能的因素主要有基體、纖維、纖維—基體界面特性，本次試驗研究基體強度、纖維摻量對注漿材料抗壓、抗拉及抗折強度的影響，選擇水膠比、纖維摻量為變量因素進行試驗。

2.1試驗設計

纖維種類繁多，其中聚丙烯纖維(合成纖維的一種)因價格優廉、性能好，應用最為廣泛。本次試驗采用凱樂牌聚丙烯纖維，長度19 mm，直徑30 μm，其性能指標如表1所示。

表1　纖維主要技術指標

單絲或束狀聚丙烯纖維的摻量一般為0.5～1.5 kg/m3。低摻量聚丙烯纖維對拌合物工作性能影響很小，當摻量小于2 kg/m3時，不必對混凝土或是砂漿各組成材料原有配比做任何調整[15]。

收集工程資料顯示，工程常用水膠比在0.6～0.8之間，依據水膠比為0.6、0.7、0.8分別設為a#、b#、c#組。同時通過前期室內試驗，得到了三組配比，初始流動度大于24 cm，凝結時間小于8 h，泌水率小于5%，滿足施工要求。以三組配比為基本配比(以下簡稱基配)，分別摻入0.9、1.5、2 kg/m3的聚丙烯纖維和不摻入纖維進行對比試驗，試驗項目包括抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度。

圖1　抗壓強度隨纖維摻量變化關系曲線Fig.1　The changing curve of compressivestrength with fiber content

2.2試驗結果分析

①抗壓試驗結果

由圖1可以看出，試塊的抗壓強度受水膠比影響顯著。相同纖維摻量條件下，抗壓強度隨水膠比的增大而減小。相同水膠比條件下，纖維摻量對試塊抗壓強度影響較小。纖維摻量為0.9 kg/m3時，各組試塊強度均有不同程度的提高。纖維摻量為1.5 kg/m3時，各組試塊強度略有下降。隨著纖維摻量增加，試塊強度下降幅度越大。

試驗過程中還獲得試塊荷載—位移關系，如圖2所示。由圖2看出，纖維的摻入提高了試塊的韌性，尤其在峰值之后表現明顯，未摻入纖維的三組基配(1#、5#、9#)在峰值后，曲線下降較陡，承載力急劇下降，呈脆性破壞；而其他摻入纖維的試塊在峰值后，曲線下降較緩，具有更好的變形能力。

(a) 水膠比為0.6

(c) 水膠比為0.8

“1#、5#、9#”表示未摻入纖維的三組基配，“2#、6#、10#”表示摻入的纖維量為0.9 kg·m-3的三組基配，“3#、7#、11#”表示摻入的纖維量為1.5 kg·m-3的三組基配，“4#、8#、12#”表示摻入的纖維量為2.0 kg·m-3的三組基配。

圖2各組荷載—位移曲線(抗壓試驗)

Fig.2The load-displacement curves of each group(compression test)

圖3　劈裂抗拉強度隨纖維摻量變化關系曲線Fig.3　The changing curve of splittingtensile strength with fiber content

②劈裂抗拉試驗結果

從圖3看出，試塊的劈裂抗拉強度受水膠比影響顯著，水膠比增加0.1，劈裂抗拉強度下降0.2～0.3 MPa。相同水膠比條件下，劈裂抗拉強度隨纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢;纖維摻量為0.9 kg/m3時，抗拉強度增長幅度最大;纖維摻量1.5 kg/m3時，試塊劈裂抗拉強度增長幅度小于摻量0.9 kg/m3;摻量2.0 kg/m3時抗拉強度反而下降。

③抗折試驗結果

抗折試驗中采集的荷載—撓度曲線反映材料抵抗斷裂的能力。最大荷載處撓度值如表2所示，抗折試驗結果如圖4所示。

表2　各組最大荷載處撓度值及比較

(a) 水膠比為0.6

(b) 水膠比為0.7

(c) 水膠比為0.8

從表2可以得到，纖維摻量為1.5 kg/m3時，增韌效果最明顯，最大達到106%。摻量1.5 kg/m3及以上時，除a#組(即水膠比為0.6的組別)外，撓度增加均在30%以上，由于a#組為人工攪拌，纖維摻量大時，不易使其均勻分散，影響其增韌效果，屬試驗誤差。纖維摻量2.0 kg/m3時，增韌效果已不明顯。同時從圖4中也可以看出，纖維的摻入，增加了材料的斷裂伸長值，使材料的變形能力得到提高，抗折強度也得到了一定增長。因此，相比基配試塊，纖維的適量摻入有助于增加基體初斷裂時的撓度，使得試塊有更好的變形能力，同時水膠比也有較大影響。

綜上所述，纖維摻量1.5 kg/m3時，對注漿材料的抗壓強度影響很小，對劈裂抗拉強度有提高，增韌效果最明顯。因此，本次試驗纖維摻量1.5 kg/m3為最優摻量。水膠比為0.8時注漿材料長期抗壓強度達到5.57 MPa。同時由于一般漿液長期強度達到1～2 MPa以上效果比較好[14]，且根據一號線沿線膨脹巖抗壓強度統計結果，單軸抗壓強度在0～2.92 MPa之間，因此漿液長期強度不宜低于2.92 MPa。故選取水膠比0.8時的配合比及最優纖維摻量1.5 kg/m3進行模型試驗研究。

2.3機理分析

許多學者針對纖維對材料的強度影響做了大量試驗，他們認為加入纖維后對材料的斷裂能和韌性有顯著提高[16-17]。纖維摻入注漿材料中，數以千萬計的纖維單絲與注漿材料連為一體，減小由收縮等原因產生的原生裂隙的數量和尺度，提高材料介質的連續性[18]，這對于盾構隧道受力是有利的。注漿材料凝固后握裹水泥的聚丙烯纖維絲粘連成為致密的亂向分布的網狀系統，在受膨脹力作用時，纖維與其共同受力變形，聚丙烯纖維在裂縫擴展中伸長量非常大，使注漿材料的縱向變形增大，為膨脹變形提供空間，使膨脹力衰減。

3膨脹巖與盾構壁后注漿材料模型試驗及計算分析

作用在構筑物上膨脹接觸壓力的大小取決于它們之間的變形量。膨脹變形的出現，會引起膨脹力衰減，衰減幅度隨膨脹變形量的增加而增大。通過對上一節的試驗結果分析，選出滿足要求配比的注漿材料，自行設計裝置開展注漿材料模型試驗研究，分析兩種盾構注漿材料與膨脹巖相互作用規律，驗證膨脹巖地區纖維漿液的適應性，同時采用數值模擬計算分析兩種材料對襯砌管片的影響。

3.1模型試驗設計

設計試驗裝置如圖5所示。裝置由矩形箱體及固定裝置組成，采用5 mm厚鋼板焊制而成。矩形箱體尺寸為長300 mm，寬100 mm，高600 mm，固定裝置由蓋板和螺栓組成，蓋板尺寸同矩形箱頂面尺寸相同。裝置安裝過程如圖6所示。

圖5試驗裝置簡圖

Fig.5Test device

圖6安裝過程

Fig.6The installation process

通過改變土體含水率獲得膨脹力，本次試驗采用透水法，即在矩形箱體四個側面鉆透水孔，分別在前后側面高度1/3處、2/3處水平方向間隔50 mm鉆孔，在垂直方向沿中線間隔100 mm鉆孔，在左右側面垂直方向沿中線間隔100 mm鉆孔。

3.2模型試驗過程

一般地，膨脹巖(土)體的干密度和含水量是影響膨脹力大小的主要因素[19]。試驗所用膨脹性泥巖土料取自南寧東站，根據勘察報告統計資料，膨脹巖的平均含水率為16.5%，平均密度1.80 g/cm3，試驗過程中以此為控制目標。

為了更真實的測出作用在試塊底面處的膨脹力，在距離試塊頂部50 mm處埋設土壓力盒，每個模型沿垂直方向共埋設3只土壓力盒，土壓力盒之間的垂直間距為200 mm。在試塊與土體接觸的底面中部粘貼電阻應變計，監測其應變變化。

3.3試驗結果分析

將采集到的數據結果整理如圖7～圖9所示。

(a) 普通注漿材料

(b) 纖維注漿材料

圖7各測點膨脹力變化

Fig.7Expansive force change variation

圖8底部膨脹接觸壓力對比圖

Fig.8Comparison chart of expansion

contact pressure at the bottom

圖9試塊底部應變對比圖

Fig.9Strain comparison chart at

the bottom of the test block

由圖7看出，隨著水分不斷滲入膨脹巖體中，各測點膨脹力逐漸增大；5 d后，隨著泡水時間的增加，各測點膨脹力有下降趨勢。圖8為試塊1與試塊2底部膨脹接觸壓力對比圖。1 d前，試塊1、2的底部膨脹力基本相同，隨著泡水時間的延長，試塊1膨脹力的增長趨勢逐漸大于試塊2，之后趨于穩定，最后試塊2膨脹力較試塊1小23.6 kPa，相對于試塊1，膨脹力衰減32%。圖9為試塊與膨脹巖接觸底面應變變化圖，隨時間的增加，兩個試塊應變均呈增長趨勢。1 d前，試塊1與試塊2應變變化趨勢基本一致，之后試塊2的應變增長趨勢大于試塊1。

圖10　膨脹接觸壓力—膨脹應變關系圖Fig.10　Diagram of the expansion contactpressure-swelling strain

試驗中注漿材料底部與土體緊密接觸，且無相對位移，土體與注漿材料具有相同的變形。根據所測膨脹接觸壓力及應變擬合出兩種注漿材料的膨脹接觸壓力—膨脹應變模型及膨脹接觸壓力—膨脹應變關系圖，如圖10所示。

普通注漿材料膨脹接觸壓力—膨脹應變模型：P1=45.286 ln(με)-125.49，相關系數R2=0.888。

纖維注漿材料膨脹接觸壓力～膨脹應變模型：P2=33.123 ln(με) - 99.839，相關系數R2= 0.980。

由圖10看出，普通注漿材料隨膨脹力增大，變形較小，纖維注漿材料隨膨脹力增大，變形較大。與普通注漿材料相比，纖維注漿材料的變形能力更好，更能適應膨脹巖地層。當作用大小相同力時(假設不考慮膨脹力的衰減)，纖維漿液的變形量大于普通漿液，由于膨脹力隨變形增大而衰減的性質，產生相同變形量時，纖維漿液比普通漿液需要的力小。

3.4膨脹力對盾構管片影響的數值計算分析

上述模型試驗研究了膨脹巖與注漿材料相互作用的規律，為了獲得膨脹力經注漿材料后對盾構管片的影響，本節采用大型通用有限元軟件ANSYS開展研究。

3.4.1模型建立

盾構隧道外徑6.28 m，內徑5.4 m，管片厚度0.3 m，注漿層厚度0.14 m，管片混凝土標號為C50。當管片底部90°范圍內分布膨脹巖時對其內力影響是最不利的[20]，因此以此為計算模型。模型概況如圖11所示，模型的建立如圖12所示。各土層及結構模擬參數如表3所示。

本次土層計算深度取45 m，水平計算寬度取60 m，采用Drucker-Prage的本構模型，分別按盾構管片外為普通材料注漿層與纖維材料注漿層兩種材料進行計算。

圖11巖土層結構模型

Fig.11Model of the rock layer structure

(a) 模型建立(b) 網格劃分

圖12　有限元模型建立

3.4.2計算結果與分析

根據一號線地質資料統計得到研究區段膨脹巖的膨脹力變化范圍為0～162.6 kPa，本次數值計算以40 kPa為一個單位，從0到160 kPa依次增加，分別作用在注漿層上。由于不考慮膨脹巖與纖維注漿材料相互作用，故施加在纖維注漿層的膨脹力為衰減后的膨脹力。

對不同膨脹力作用下普通注漿層管片彎矩、纖維注漿層管片彎矩進行統計分析，如表4所示。

表4　管片最大彎矩統計表

由表4可以看出，管片彎矩隨膨脹力增大而增大。就最大正彎矩而言，在覆土自重作用下，纖維注漿層管片彎矩較普通注漿層管片彎矩增加0.5%，影響很小。隨著膨脹力的增大，纖維注漿層管片彎矩較普通注漿層管片彎矩的減小幅度逐漸增加。當膨脹力增至160 kPa時，管片最大正彎矩和最大負彎矩的減小幅度分別達到了31.6%和24.2%。由此可見，纖維注漿材料比普通注漿材料更能適應膨脹巖地層。

4結論

通過開展壁后纖維注漿材料性能的室內試驗，獲取一組纖維注漿材料的配比，進而開展膨脹巖與注漿材料模型試驗，并采用數值模擬分析兩種漿液對盾構管片的影響，主要結論如下：

①纖維對注漿材料抗壓強度的提高作用很小，甚至會降低其強度；相同水膠比條件下，劈裂抗拉強度隨纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢；纖維對注漿材料的抗折強度影響甚微，對其韌性增強作用明顯。表明摻入一定量的纖維對注漿材料的抗拉和變形能力有提高作用，尤其是提高其韌性，而對其抗壓強度影響較小。

②在與膨脹巖相互作用過程中，纖維注漿材料較普通注漿材料使膨脹接觸壓力衰減32%。纖維漿液在與膨脹巖相互作用時較普通漿液具有更好的變形能力。

③管片受到的彎矩減小，對于最大正彎矩，膨脹力增至160 kPa時，纖維注漿層管片彎矩較普通注漿層管片彎矩減小幅度為31.6%；對于最大負彎矩，纖維注漿層管片彎矩較普通注漿層管片彎矩減小幅度為24.2%。由此可見，纖維注漿材料比普通注漿材料更能適應膨脹巖地層。

參考文獻：

[1]任強.北京地鐵盾構施工風險評估與控制技術研究[D]. 北京: 中國地質大學, 2010.

[2]鄒翀.盾構隧道同步注漿技術[J]. 巖土工程屆, 2002, 9(5): 44-47.

[3]張士屹.盾構法施工同步注漿施工工藝[J]. 西部探礦工程, 2009(4): 164-167.

[4]BEZUIJEN A, TALMON A M, KAALBERG F J.Field measurement of grout pressures during tunneling of the Sophia rail tunnel[J]. Soil and Foundations.2004, 44(1): 39-48.

[5]余浩.盾構隧道壁后可硬性漿液配比優化試驗研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2011.

[6]梁小英.富水地層盾構隧道同步注漿材料的研究與應用[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2007.

[7]蘇華.南水北調中線穿黃隧道工程盾構施工壁后注漿漿材研究[D]. 南京: 河海大學巖土工程研究所, 2004.

[8]TOSHI N, SHINICHIRO I, TOSHIYUKI H. Shield tunnel construction in centrifuge[J]. Journal of Geotechnical and Geoemironmental Engineering, 1999, 125(4): 289-300.

[9]許健.新奧法原理在膨脹土質隧道中的應用[J]. 廣西大學學報(自然科學版), 1989,13(1):42-45.

[10]劉靜德，李青云，龔壁衛.南水北調中線膨脹巖膨脹特性研究[J]. 巖土工程學報, 2011, 33(5): 826-830.

[11]謝云.重塑膨脹土的三向膨脹力試驗研究[J]. 巖土力學, 2007, 28(8): 1636-1642.

[12]歐孝奪，唐迎春.重塑膨脹巖土微變形條件下膨脹力試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(5): 1067-1072.

[13]王占龍，董新平.烏鞘嶺左線隧道膨脹巖地段施工技術[J]. 鐵道建筑技術, 2004(S1): 14-15.

[14]徐建平，林文書，許可,等.盾構隧道快硬高性能同步注漿材料研究[J]. 隧道建設, 2014, 34(2): 95-100.

[15]張偉.聚丙烯纖維高強混凝土的力學性能試驗研究[D]. 太原: 太原理工大學, 2010.

[16]鄧家才, 孫成棟, 黃博升.碳纖維混凝土的壓縮韌度指數[J]. 混凝土與水泥制品, 2000(4):37-38.

[17]NERIJUS.A, ALBINAS.G, INGRIDA G.Efficient mix design method and main properties of composite materials [J]. Materials Science, 2005,11(1):1312-1320.

[18]俞家歡.超強韌性纖維混凝土的性能及應用[M]. 北京:中國建筑工業出版社, 2012.

[19]歐孝奪, 唐迎春, 鐘子文,等.重塑膨脹巖微變形條件下膨脹力試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2013,32(5): 1067-1072.

[20]郭瑞, 何川, 方勇.膨脹土地層中盾構隧道管片結構受力分析與對策研究[J]. 現代隧道技術, 2010, 47(6): 17-22.

(責任編輯唐漢民梁健)

Research on mechanical effect of backfill fiber grouting material on expansive rock

ZHANG Shi-rong1， HOU Kai-wen2， PAN Xin2， SU Jian2， OU Xiao-duo2

(1.College of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;

2.College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract:In order to study the interaction between fiber grouting material and expansive rock, the swelling rock region of Nanning Rail Transit Line 1 was taken as the research object. Compressive strength, splitting tensile strength and flexural tests were carried out on three samples of backfill fiber grouting material with different polypropylene fiber mixed ratios of 0.9 kg/m3, 1.5 kg/m3and 2.0 kg/m3for mechanical properties research. A model test of the swelling rock and grouting materials was conducted by a self-designed test apparatus, and a numerical analysis was carried out, as well. The experimental results show that polypropylene fiber has little effect on the strength of grouting material while the effect of toughness enhancement is obvious. When the mixed ratio is 1.5 kg/m3, the toughening effect is obvious. The deflection increases 30% more than that of ordinary slurry, when the mixed ratio is 1.5 kg/m3and above. Compared to ordinary slurry, 32% of the expansion force can be reduced by fiber slurry under the same conditions. The maximum positive moment and the minimum negative moment of the segment can be reduced by 31.6% and 24.2%, respectively, when the expansion force comes to 160 kPa. Therefore, fiber grouting materials can effectively reduce the influence of expansion due to rock deformation on shield lining segments.

Key words:expansive rock; back grouting of shield wall; fiber slurry; numerical simulation

中圖分類號：TU45

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0187-09

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0187

通訊作者：張世榮(1971—)，男，山東臨朐人，西安建筑科技大學高級工程師；E-mail: 122822169@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51168004)

收稿日期：2015-04-20；

修訂日期：2015-12-01

引文格式：張世榮，侯凱文，潘鑫,等.膨脹巖地區盾構壁后纖維注漿材料試驗研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(1)：187-195.