古土壤層間富水對黃土場地濕陷性的影響

李琳 王家鼎 谷琪 張登飛 焦少通

收稿日期：2023-10-30

基金項目：國家自然科學基金重大儀器研制項目（42027806）；國家自然科學基金重點項目（4160639）；西北大學研究生創新項目（CX2023012）。

第一作者：李琳，女，從事工程地質研究，linlinli2000@126.com。

通信作者：王家鼎，男，教授，從事黃土地質災害研究，wangjiading029@163.com。

摘要? 黃土地層中往往交替分布著多層紅色古土壤層，由于其硬度相對較高，遇水不易濕陷，對黃土地層濕陷量的測量結果有很大的影響。然而，對于古土壤對濕陷量的控制作用目前還缺乏相關研究，導致對濕陷地層濕陷量的科學取舍缺乏理論依據。為此該文統計了黃土高原區的浸水試驗結果，分析了不同區域濕陷量室內外差異特征，并以西安地區兩個試驗場地的大型浸水試驗為研究對象，進行了不同試驗條件下土體中水分的擴散、含水率的變化、土壓力變化以及累計濕陷量等測量工作。最終結果表明，古土壤層的存在阻礙濕陷進程，在阻止水分下滲的同時，阻礙深部地層濕陷量傳遞至地表，使得濕陷量實測值與計算值之間的差異與古土壤層數呈現正相關的趨勢。該文將為普遍存在古土壤的黃土地層自重濕陷機理的研究提供參考。

關鍵詞? 古土壤;浸水試驗;濕陷性;濕陷系數;黃土

中圖分類號： S157? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-01-009

The influence of moisture-rich interlayers in palesol

strata on the collapsibility of loess terrain

LI Lin， WANG Jiading， GU Qi， ZHANG Dengfei， JIAO Shaotong

（State Key Laboratory of Continental Dynamics， Department of Geology， Northwest University， Xian 710069， China）

Abstract? In loess formations， multiple layers of reddish ancient soil often alternate. Due to their relatively high hardness， they are resistant to collapsing when exposed to water， which significantly impacts the measurement results of the collapsibility of loess formations. However， there is currently a lack of research on the controlling role of ancient soils in collapsibility， leading to a lack of theoretical basis for making scientific decisions on the collapsibility of geological formations.To address this gap， this study compiled the results of inundation tests in the Loess Plateau region， analyzed the indoor and outdoor differences in collapsibility characteristics in different areas， and focused on large-scale inundation tests in two experimental sites in Xian. Various aspects were measured under different test conditions， including moisture diffusion in the soil， moisture content changes， soil pressure variations， and cumulative collapsibility.The final results indicate that paleosollayers hinder the collapsibility process by impeding water infiltration and preventing the transmission of deep-seated collapsibility to the surface. This leads to a positive correlation between the measured collapsibility values and the number of ancient soil layers. This study aims to provide insights into the self-weight collapsibility mechanisms in loess formations where ancient soil layers are commonly found.

Keywords? paleosol; inundation test; collapsibility; collapsibility coefficient; loess

黃土是第四紀特殊的沉積物，與同期的其他沉積物相比，具有獨特的內部結構和外部形態特征。廣泛分布于世界各地［1-2］，尤其是我國中西部地區［3］。然而，作為主要的持力層和建筑材料，黃土易在降雨和灌溉等因素影響下產生強度驟降、變形劇增的現象［4-5］。隨著西部大開發的深入，基礎設施建設、資源開發利用等工程無可避免的會遇到黃土濕陷性這一特殊巖土工程問題，對場地的選址和已建設施的安全運營構成巨大的挑戰［6］。而場地濕陷類型是濕陷性黃土最基本的工程屬性，由于未能準確評估黃土場區的濕陷類別，提前消除濕陷性從而在工程建設中引發的危害屢見不鮮（見圖1）。

國內外學界對黃土濕陷特性的研究方法主要有2種。①室內單軸或三軸壓縮試驗。試驗相對簡單，條件易于控制。②現場浸水試驗。通過原位試驗直接得出地基的濕陷變形量和濕陷變形的時空分布，據此判定黃土場地的濕陷類型，相比而言準確可靠，但費用較高，費工費時［7］，因此工程中常以室內試驗為主，但室內試驗結果往往與浸水試驗結果差異較大。許多地質科學家也注意到了這一點，并進行了研究［8］。邢義川等［9］、米文靜等［10］提出了基于離心模型試驗的單線法和雙線法的方法測黃土的濕陷量，擬提高室內試驗結果的精度，但結果與現場試驗相比仍有一定的誤差。邵生俊等［11］基于大量現場試驗和室內試驗對比，提出了不同地層深度給予不同的修正系數并修改自重濕陷系數的起始門檻值，并發現關中地區室內試驗與現場試驗結果相關性較差，但并未展開深入研究。除此之外也有不少學者提出了諸如不同地層賦予不同的修正系數、基于神經網絡的判定等理論方法。

黃土與古土壤交互式層狀分布，構成了黃土地層的主要架構［12］。受沉積環境的影響，古土壤與黃土在物理力學性質上有明顯的差異。雷祥義［13］在黃土高原南部晚更新世黃土的研究中發現，古土壤結構致密、力學性能優于黃土。隨后諸多學者對古土壤的力學性能研究也證明了這一觀點［14-15］。在現場浸水試驗的開展中，也有不少學者發現了黃土-古土壤交互地層濕陷量的特殊性，如李大展等［16］通過對Q2黃土大面積浸水試驗時認識到Q2黃土與古土壤交互分布對地基土和一般自重濕陷性黃土的濕陷特性有很大區別，這為分析室內外試驗結果的差異性的研究開辟了新的途徑。趙金剛等［17］研究了黃土-古土壤地層的水分運移規律，確定了古土壤層阻礙水分垂直入滲，但并未探究古土壤的這種隔水性對濕陷量的控制作用。

上述理論研究并未從古土壤入手探究古土壤對濕陷量的控制作用。因此本文通過對黃土高原區開展的大量現場浸水試驗的統計，分析不同場區自重濕陷量室內外差異的特征，并從古土壤層入手分析不同古土壤層數對濕陷量的影響。依托西安地區的兩個大型浸水試驗，并通過巖土工程勘察及動態監測的方法，在獲得不同地層累計沉降量、沉降斷面形態以及水分入滲規律的基礎上，對古土壤影響濕陷的機理進行解釋，以期為基礎理論的發展提供一定的參考，為重要設施的安全運營提供保障。

1? 材料與方法

1.1? 研究區概況

本文統計的浸水試驗場區主要分布在我國境內的黃土高原地區， 位于北緯34°～38.5°與東經102°～112°之間（見圖2）。 自西北向東南地形高程逐漸遞降， 此區間黃土分布連續， 地層發育完整厚度大［18］。 該地區屬半干旱大陸性季風氣候區， 多年平均氣溫和降水量在空間分布上總體呈現自東南向西北逐漸遞減的趨勢， 年平均降水量在140～737 mm之間， 多年平均氣溫在-3 ℃～15 ℃之間。

由于西安處于黃土高原東南部，古土壤最為發育且厚度大，將兩個現場浸水試驗點選擇在陜西省西安市咸寧東路（試驗點1：經度109.06°，緯度34.24°），陜西省西安市長安區（試驗點2：經度109.94°，緯度34.15°）。試驗點屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候。夏季受東南季風影響，降雨相對集中（7—9月），且多暴雨天氣。冬季受西北季風影響，氣候干燥、寒冷。地層自上而下依次為雜填土（Q4ml）、新黃土（Q3eol）和古土壤（Q3el）、老黃土（Q2eol）、古土壤（Q2el）等。由于區域地貌單元的不斷演化，現代構造活動強烈，多有地裂縫等災害的發育。

1.2? 研究方法

眾多學者在黃土高原的不同場地上開展了尺度各異的原位浸水試驗［16，19-27］，由于試驗成本高，再現性差，因此對不同場地數據進行對比分析變得尤為關鍵。因此，本文將在黃土高原地區進行的大型現場浸水試驗結果進行統計，通過對不同地區的自重濕陷量實測值和計算值的比較，可以得出不同地區自重濕陷量的特征及實測值和計算值之間的差異。并根據地層中古土壤層的存在與否及層數不同對試驗地點進行分類，深入研究古土壤對這種室內外試驗結果差異性的影響。

為了探究原始場水分運移規律，分析黃土自重發展特征以及古土壤層在該過程中的作用，特用未布設滲水孔的試驗點1及布設滲水孔的試驗點2兩組現場浸水試驗做對比分析。通過巖土工程勘察的方法查明場地內各地層的分布特征及場地黃土的物理力學特性，為了測得浸水過程中各地層含水量變化，結合地層結構，埋設水分傳感器。對比分析試驗結果中土體自重濕陷時各地層沉降量、以及過程中各地層含水率變化，利用彈塑性力學中的簡支梁模型對古土壤影響自重濕陷的機理進行解釋。

本次試驗的兩試驗點試坑皆為圓形，根據巖土工程勘察得到場地的自重濕陷下限深度為依據，確定試坑直徑分別為20 m（試驗點1）、30 m（試驗點2），深度皆為50 m。并根據地層情況的不同，分別對兩試驗點進行測點布設，即淺、深標點、水分傳感器、滲水孔以及土壓力盒（見圖3）。其中試驗點2在距離試坑中心7 m的圓周上均勻布有6個滲水孔以促進水分入滲，試驗點1未布設滲水孔。試驗過程中進行沉降觀測、土層含水量土壓力監測，采用遠程自動化數據采集系統的方法進行數據采集。

2? 結果與分析

2.1? 統計結果

2.1.1? 自重濕陷量分區結果

圖4展示了黃土高原地區浸水試驗的實測修正系數比值的分布，即現場實測濕陷量與計算濕陷量的比值。從圖4中可看出隴西地區和隴東-陜北-晉西地區的實測濕陷量大于計算值，而關中地區及其他地區的實測值小于計算值。此外，現場實測修正系數與規范值存在較大的差異，并且這些差異在不同地區之間表現出特定的大小關系。

圖4顯示了在甘肅地區進行了數量可觀的浸水試驗，而這些試驗中測得自重濕陷量實測值明顯高于計算值，因而兩者的比值均大于1，在某些情況下，這一比值甚至接近于4，也就是說甘肅某些地區的實測自重濕陷量幾乎是計算值的4倍之多。在青海也呈現出類似的趨勢。在該地區進行的浸水試驗中實測值大約維持在計算值的1.6倍左右，與現行規范給出的修正系數基本吻合。而陜西等地則呈現出不同的趨勢，陜西地區與甘肅和青海地區不同，實測自重濕陷量均小于計算值。其中大量浸水試驗中出現了自重濕陷量計算值遠大于實測值的情況，導致兩者之比接近于0，表明這些地區實測無濕陷，但計算出存在濕陷量，這種情況在其他地區較為少見。這種差異可能受地質和土層特性的影響，需要進行更加深入的研究。

2.1.2? 不同地層的自重濕陷量結果

為了探究古土壤對室內外試驗差異性的影響，本文統計了不同地層的場區試驗結果。由于不同地貌單元古土壤層數不同，根據古土壤層的數量多少，將其按照無古土壤、單層古土壤、雙層古土壤及多層古土壤進行自重濕陷量的統計。其中地層相似的場地都展現出了類似的規律，在此選擇典型場地進行描述，結果如圖5所示。圖5涵蓋了多個地區，從左至右分別為無古土壤層、單層古土壤、雙層古土壤和多層古土壤下濕陷量計算值和實測值隨深度的變化趨勢，圖的底部為場地的地層情況。從圖中不難看出，實測曲線和計算曲線的差異隨著地層中古土壤的出現而開始顯現，且該差異隨著古土壤層的增多而逐漸增加。從圖5（a）中可明顯看出在沒有古土壤層的情況下，實測濕陷量和計算濕陷量之間的差異相對較小，兩者趨勢較為接近。而圖5（b）反映了單層古土壤時場地現場浸水試驗及計算自重濕陷量，此類型計算濕陷量大于現場試驗實測濕陷量。兩條曲線在古土壤層出現之前趨勢基本一致，在古土壤層頂部，實測曲線出現一個明顯的拐點。該點后，古土壤層與其下部地層幾乎無濕陷量，而在計算曲線中卻有一定的濕陷量。圖5（c）反映了多層大厚度古土壤存在時場地現場浸水試驗及計算自重濕陷量，地層中多層古土壤與黃土互層，此類型計算濕陷量大于現場浸水試驗實測濕陷量，現場浸水試驗實測濕陷量數值接近于0，即非自重濕陷。

2.2? 試驗結果

2.2.1? 試驗中地層水分變化

圖6展示了不同試驗點的土層垂直滲透系數以及浸水前后含水率隨深度的變化關系。其中試驗點1無注水孔，在這個試驗點中，古土壤層的垂直滲透系數小于上部地層，而且古土壤層、中部和下部的地層土壤滲透系數一直在減小。由于古土壤層與黃土地層的交界處的垂直滲透系數較小，導致該界面處的含水量增幅更大。在該試驗點中，0～23 m深度范圍內的土體含水率在浸水前為17.01%～23.03％，在長時間大面積浸水后，土體含水率增加了3.97%～12.38％。最大的變化出現在0.5～11.0 m深度范圍內，增長了7.62%～13.02％。古土壤層及下部過渡段的土體含水率增幅較小，增長了3.97%～8.39％。這表明在沒有滲水孔的情況下，土壤的自重濕陷性在地層中的不同深度存在顯著差異。對于有多個注水孔的試驗點2中，滲水孔的存在使得水分能夠更容易地進入地層深部，從而導致了更大范圍內的土體含水率變化。土體含水率在浸水前為14.50%～26.60％，在浸水后增加了2.13%～15.29％。古土壤層的土體含水率變化仍相對較小，其他地層的含水率變化相對一致。說明滲水孔的存在可以改變水分的滲透路徑，導致更廣泛的土體含水率變化，尤其是在地層深部。

2.2.2? 試驗中地層土壓力變化結果

將浸水試驗中監測的不同深度、不同地層土壓力進行統計分析，得到了土壓力的傳遞關系，詳見圖7。坐標軸原點為不同深度的初始土壓力，以便分析土壓力變化規律。其中，試驗點1地層中含單層古土壤〔見圖7（a）〕，可以看到古土壤上部土層的土壓力隨著注水量的增加而逐漸增加，這表明上部土層受到了濕陷的顯著影響，可能導致地面沉降以及地面裂縫的形成。而古土壤中土壓力出現了輕微的局部增加，但之后趨于穩定，這表明古土壤層只發生了微小的形變，并在濕陷過程中承擔了支撐作用，限制了濕陷向下傳遞的程度。下部老黃土地層的土壓力幾乎保持不變，這表明下部地層的濕陷變形相對較小，這可能是由于上部土層和古土壤層的支撐作用。土壓力變化特征與實測濕陷土層深度吻合。

試驗點2含多層古土壤〔見圖7（b）〕，土壓力隨著深度及注水量的增大而增大，第1層古土壤由于上覆土體及注水量的增加，其結構破壞，其土壓力隨著注水量的變化而變化，下覆Q2黃土地層也呈現類似的規律，但第2層古土壤處土壓力隨注水量的增大出現了很小的局部增大后逐漸保持不變，說明古土壤層僅以微小的形變起作用。下覆Q2黃土地層土壓力隨著注水量的增大出現先增后減的變化，但是此變化幅度不大，說明此過程是由于上部水體的下滲以及上部地層的變形所導致，停止注水后，Q2黃土濕陷過程結束，土壓力保持不變，上部古土壤的土壓力逐漸減小，呈現 “卸荷回彈”趨勢。

2.2.3? 試驗中古土壤層影響下的沉降結果

兩試驗點實測的累計自重濕陷量及分層自重濕陷量的結果如圖8所示。其中，圖8（a）和圖8（b）為試驗點1現場實測和室內試驗得到的自重濕陷量實測值和計算值，圖8（c）和圖8（d）為分層自重濕陷量實測值與計算值對比圖。其中未設置滲水孔的試驗點1，在11.5～15.2 m有單層古土壤，從圖中可看出，現場實測曲線自重濕陷主要發生在11 m以上的Q3黃土中，古土壤及其下部地層基本上沒有發生自重濕陷，這也是實測值和計算值差異之處。因此，可以認為在未布設滲水孔加速入滲時，古土壤起到了一定的隔水作用，阻止了水分的繼續下滲，使古土壤層及下臥黃土未產生濕陷，使得實測值與計算值不相符。而設置了多個滲水孔的試驗點2，在10～12.4 m、20.2～22.6 m、23.5～25.2 m處都有古土壤層分布。從圖中可得，在這種古土壤與黃土交替分布的地層中，實測值與計算值差異巨大，現場實測曲線幾乎無自重濕陷，而計算曲線卻仍有31.4 cm的濕陷量。除此之外，在現場實測曲線中上部土層的濕陷量并不等于下部土層濕陷沉降量之和，主要體現在實測曲線經過古土壤層時會減小，導致古土壤層濕陷量出現負值。也就是說，由于古土壤強度較大并未出現濕陷變形，或者變形量比較小，所以未把下層的濕陷量傳遞到上部地層。

2.3? 機理分析

通過上述試驗結果可以認為在古土壤層不存在的情況下，上部浸水試驗通過連續注水使下覆地層逐漸飽和。地層在土壓力和后續注水作用下發生彎曲變形。由于上部土、水壓力大于下伏地層的支撐力，使地層呈條狀沉降。另外，作用在上部地層單元上的重力和壓力分量超過了土的抗拉強度，導致地面裂縫的形成〔見圖9（a）〕。

當地層中存在古土壤層，但沒有有利的通道時，水從頂部向下滲入地層。上層地層經歷下沉，然后下沉傳遞到下伏的古土壤層的頂部。雖然古土壤層具有一定的隔水作用，但水在一定程度上繼續向下滲透。在這一過程中，下層在土壤的力和水的作用下會不斷塌陷，但塌陷的量相對較小。同時，古土壤在不同的水土壓力作用下發生輕微的變形，阻礙了力的向下傳遞。其結果是，古土壤層以上的黃土完全飽和塌陷，而其以下的黃土沒有完全飽和沉降。這一現象解釋了為什么在某些浸水試驗中，實測曲線在古土壤層上方出現拐點〔見圖9（b）〕。

當地層中存在優勢時，水可以通過滲流孔迅速滲透到整個地層中，并在地層中分散。這些水通過這些通道從上到下、從下到上、從內到外水平地垂直傳播。上層黃土以〔見圖9（a）〕所示的方式沉降到古土壤層上部。由于古土壤滲透性低，強度高，在上部土壓力和水壓力的作用下，古土壤層只發生輕微的變形。它起到支撐層的作用，有效地防止了力繼續向下傳遞。當存在多層古土壤時，其性能更佳。同時，下部地層在水的作用下開始塌陷變形，上部古土壤因變形與下部黃土層接觸，使其在一定時間內具有相等的土壓力。下黃土沉降結束后，上層古土壤仍保持原有的變形，但不能繼續與下黃土接觸。兩者保持一定的土壓力，造成地層之間的空洞。因此，下黃土層產生的塌陷量不能通過古土壤層傳遞到地表，導致上層不能完全產生等于下黃土層塌陷量之和的塌陷變形。這也解釋了地層中存在多層古土壤時，實測濕陷性遠小于計算值的現象〔見圖9（c）〕。

由于浸水試驗時古土壤下部有時會產生一定程度的空腔，這種空腔正是造成室內外濕陷量差異的原因。為研究這種空腔的成因，在此我們先設置一定的力學模型，如圖10所示，我們先假設存在一定長度的古土壤（力學中代表簡支梁），抗彎剛度為EI（公式中以EEI來表示），兩端受到下部地層反力作用于A、B兩處，古土壤與下覆地層之間產生的濕陷區最大高度為H。

假設土體單元受上部的均布載荷q作用時，中點的撓度（沉降量）最大且為

W0max=5qL4384EEI（1）

當H≥5qL4384EEI也即載荷q≤384EEIH5L4時，古土壤最多只有中點與下部地層接觸，此時古土壤與下部地層的接觸長度為0，而古土壤下部兩端地層提供的反力為RA=RB=qL/2。

當＜5qL4384EEI也即載荷q＞384EEIH5L4時，古土壤將有一段與下部地層接觸，假設接觸點為C、D點，接觸長度為a，根據對稱性可知C、D對稱，其到古土壤下部兩端的距離均為b。由于AC段受均布荷載并且兩端受集中力作用，且有條件

MC=0， WA=H（向上）（2）

同時，由MC=qb22-RAb=0，得RA=qb2。

自由端的撓度可由疊加法得

WA=RAb33EI-qb48EEI=Hb=424EEIHq（3）

于是，古土壤與下部地層接觸長度為

a=L-2b=L-2424EEIHq（4）

古土壤兩端提供的反力為

RA=RB=qb2=12424EEIHq3=43EEIHq32（5）

從圖5土壓力變化曲線我們可知，古土壤層所受土壓力呈現先增后減的規律，

1）若qmax≤384EEIHmin5L4，即存在空腔，將致使室內計算與現場實測濕陷量誤差很大，此時若利用室內試驗結果對場地濕陷類別進行修正，則結果極其不準確甚至出現相反的結果。

2）若qmin＞384EEIHmax5L4，即不存在空腔，將致使室內計算與現場實測濕陷量有一定的差別，此時若利用室內試驗結果對場地濕陷類別進行修正，則結果有一定誤差。

2.4? 公式修正

由于古土壤作用導致室內計算沉降量和現場實測沉降量之間存有差異，在考慮到古土壤的形變以及下覆地層空腔現象的發生，筆者認為若利用室內濕陷試驗結果進行場地的判別時，應該將古土壤層單獨考慮，即無古土壤層時的修正方法和有古土壤層時的修正方法。

無古土壤層時的修正方法為

Δzs=β0∑ni=1δzsihi（6）

式中：δzsi為第i層土的自重濕陷系數;hi為第i層土的厚度（mm）;β0為因地區土質而異的修正系數，具體取值詳見規范。

有古土壤層時的修正方法為

Δzs=β0∑ni=1δzsih1+β′0∑nj=1δzsihj+

β″0∑nj=1δzskhk（7）

式中：δzsi為第一層濕陷黃土層的自重濕陷系數;δzsj為第j層古土壤層的自重濕陷系數;δzsk為除第1層之外的第k層黃土層的自重濕陷系數;h1為第1層濕陷黃土層的厚度（mm）;hj第j層古土壤的厚度（mm）;hk為除第1層之外的第k層黃土層的厚度（mm）;β0為因地區土質而異的修正系數（第1層濕陷黃土層）;β′0為因地區土質而異的修正系數（古土壤層），β′0∈［0.07，1.01］；β″0為因地區土質而異的修正系數（除第1層濕陷黃土層外的第k層黃土層），β″0∈［0.01，0.54］。

2.4.1? 工程實例驗證

在所有的浸水試驗場地中，對于用古土壤層的多少來區分巖橋，其僅有單巖橋和多巖橋，在對場地進行修正時，根據上述修正公式，對該類型的場地室內試驗結果中各地層的土體進行修正。從表1可以看出，古土壤的濕陷量非常小，最終濕陷量的大小取決于第1層黃土的濕陷量。利用此方法進行修正，試驗判定結果的準確性相比未修正或整體修正結果準確度較高，故此證明其應用于工程當中是可行的。

3? 結論

通過對不同場區浸水試驗結果的以及現場大型浸水試驗中監測結果的分析主要得到以下結論。

1） 黃土高原西北部的寧夏、甘肅等地實測自重濕陷量大于計算值，而黃土高原東南部的關中地區及其他地區實測值小于計算值。在陜西一些地區，出現了實測值遠小于計算值的情況，地層中古土壤層的存在或許是該現象出現的誘因。

2） 古土壤層垂直滲透性低，在浸水階段往往阻止水分繼續下滲，水分一定程度上水平擴散，使得古土壤與黃土交界往往形成富水帶，使得濕陷主要發生在古土壤上覆黃土層中，因而實測濕陷量曲線的拐點往往出現于古土壤與黃土交界處。

3） 優勢通道的存在改變水分擴散方式，水分從上下往中間擴散，而古土壤層的存在阻礙濕陷進程，無法將下部黃土的濕陷量傳遞至地表，降低了對場地濕陷類別的判定準確度。

4） 浸水試驗時，古土壤與下覆地層之間有空腔的存在，力學模型給出了此空腔存在的條件，即空腔的大小與上部荷載和濕陷區的高度有關。最終考慮到工程應用，完善了現行規范中未考慮古土壤層的不足，并將其進行了驗證，驗證結果進一步證實此方法可以有效的減小因古土壤作用而產生的誤差。

該研究成果能完善以前針對現場浸水試驗古土壤作用機制的解釋，擴充該領域的理論成果。

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（編? 輯? 邵? 煜）