列車荷載下高鐵路基累積沉降研究綜述

中圖分類號：TU471；U216 文獻標志碼：A

本文引用格式：，等.列車荷載下高鐵路基累積沉降研究綜述[J].華東交通大學學報，2025，42（2）：1-14.

Review on Cumulative Settlement of High-Speed Railway Subgrade Under Train Loading

Xu 12， Lingxiao12，TongLihong12，Ding Haibin1，2

1.State KayLaboratoryofSafetyandResilienceofCivilEngineringinMountaiArea，EastJiaotong University，Nanhang

，;2.hoolofivilngieeringandAritecture，EastinaJaotongUiversitynchang303ina）

Abstract：The subgrade isan essntial structural foundation in high-speedrailway engineering，and itslong-term stability directlyaffects railway transportationsafety.With continuously increasing train speedsand axle loads， cumulative setlement of subgrades under dynamic loading is becoming increasingly prominent. Consequently，it has emerged as a critical interdisciplinary research hotspot across railway enginering， geotechnical engineering， and engineering mechanics.This paper reviews domestic and international research achievements regarding cumulative setlementofsubgrades subjected to high-speed train loading.Specifically，itsummarizes recent developments in experimental investigations，theoretical analyses，and influencing factors related to cumulative setlement，highlighting the complexityand key technicalchallenges associated with long-term subgrade deformation. Moreover，the paper outlines future research directions，including examining the efcts of intermitent loading on long-term deformation，as well as investigating the particle breakage mechanism of subgrade fillmaterials and its impact on deformationbehavior.This review aims to provide theoretical support for the design and opti

mization ofhigh-speed railwayinfrastructures.

KeyWords： high-speedrailwaysubgrade;cumulative setlement; train load; experimental research; calculation model; discrete element method; intermittent load

Citation format：XU C J， GUAN L X，TONG L H， et al. Review on cumulative settlement of high-speed railway subgrade under train loading[J]. Journal ofEast Jiaotong University，2025，42（2）： 1-14.

高鐵的發展及列車時速的提升對鐵路下部結構變形及穩定性提出了更大挑戰。除了橋隧工程這一重要的部分之外，路基也是高鐵下部結構的重要組成部分。目前，有砟軌道和無砟軌道是國內外常見的高鐵軌道結構[1，兩者的路基結構存在一定區別。如圖1所示，有砟軌道將軌枕安置在石質散粒道砟上，列車荷載通過道砟層傳遞至下方的路基土體。而無砟軌道則取消了道砟層，使用混凝土底座與軌道板直接支撐路基基床上方的軌道結構，能夠更有效地控制路基沉降。因此，無砟軌道憑借其高穩定性和優異的耐久性，成為時速 300km/h 及以上高鐵的主要選擇。然而，無砟軌道對路基的工后沉降控制要求較高，《鐵路路基設計規范》（TB10001—2016）規定，路基工后沉降的控制標準為總沉降不超過 15mm 差異沉降不超過 5mm 。

相較于普通鐵路，高鐵顯著提高了列車運輸效率[，路基承受的列車荷載也成倍增加[]。在高頻重復荷載的作用下，高鐵路基不可避免地會產生累積塑性變形，導致軌道的不平順性增加，甚至會損害線路結構而引起事故。因此，工后沉降已成為高鐵路基設計中的主控因素[5]。此外，隨著國內多條高鐵的建成與投入運營，當高鐵運輸網絡趨近完善時，路基的長期沉降及維護將成為一個新的研究熱點。

高鐵路基累積沉降研究有助于提前預測沉降趨勢并采取必要的加固和維護措施。目前，中國在這一領域的研究尚不成熟，設計時多參考國外鐵路建筑標準。因此，通過深入研究高鐵路基在高速列車長期作用下的累積沉降規律，將為修訂和完善高鐵設計規范提供可靠的科學依據，對于保障高鐵的安全性和可持續性發展具有重要意義。綜上所述，研究高鐵路基的長期累積沉降問題，不僅是完善我國高鐵設計規范的關鍵，也是提升高鐵技術水平的必要途徑。

目前，國內外在高鐵路基土體的變形特性方面已經積累了大量研究成果。本文從試驗研究、理論研究、數值模擬，以及間歇荷載對路基累積沉降的影響4個方面對高鐵路基長期沉降的國內外研究現狀進行介紹。

1 試驗研究

1.1 動三軸試驗

動三軸試驗是分析列車動荷載對路基土體變形特性影響的常見手段。為了使試驗結果更接近實際鐵路路基的變形情況，準確模擬路基應力狀態是必要的前提。在采用動三軸試驗研究路基填料的變形和動力特性時，需要根據研究對象和研究重點對列車動荷載進行適度的簡化處理。已有的三軸試驗研究中，常用的列車動荷載模擬方式包括三角波、簡諧波以及各種波形組合[8-0]。大量的現場實測和數值模擬結果表明，實際路基表面的動態應力接近于簡諧波形。黃博等比較了正弦波、半正弦波和實際列車動荷載波形下土體變形響應，指出在簡化列車動態荷載時，只需關注實際存在的循環壓應力。此外，路基在承受列車動態荷載時，還需考慮上覆土體、軌道結構和列車重量所引起的靜態偏應力[12]。Ng等[3探討了細粒土在動態荷載作用下回彈模量和阻尼比的變化趨勢。Lekarp等[14提出可以在三軸試驗中施加同時變化的簡諧軸壓和圍壓，以模擬真實路基的應力狀態。眾多學者進行了雙向簡諧激振的動三軸試驗，試驗結果顯示，雙向激振條件下試樣的變形更為顯著，且其抵抗變形的能力明顯降低[15-17]。近年來的研究表明，在模擬實際路基的應力狀態時，采用偏壓動荷載和雙相激振動三軸試驗可以更準確地評估路基的變形特性和抗變形能力。

由于列車荷載經過時，路基土體單元的大主應力方向會發生旋轉，這種效應在路基表層最為顯著，并隨土層深度增加而減弱[18-19]，而僅用傳統的動三軸試驗儀器無法施加剪切應力，不能精確模擬出主應力旋轉。國內外學者采用了空心柱試驗對此開展了研究工作[2-21]，試驗結果發現土體在發生主應力旋轉的情況下產生的累積變形更為顯著，而傳統設計方法常忽略主應力旋轉，可能會導致設計結果不夠安全。

本質上，由于室內試驗存在著試驗條件、時間和人力等限制，以及研究的側重點不同，對實際路基應力狀態的模擬無法面面俱到。例如，傳統的動三軸試驗通常采用連續循環加載方式來模擬列車荷載對路基土體的長期作用。然而，對于列車的間歇性運行方式，路基土體實際受到的動荷載具有間歇性的特點。因此，為了獲得更為真實可靠的試驗結論，室內試驗需要盡可能地再現實際路基的受力情況，以達到更好地評估路基的變形特性和抗變形能力，為路基設計和維護提供可靠依據

1.2 模型試驗

高鐵的整體結構是一個復雜耦合的系統，荷載與環境等因素均能影響路基的動態響應[22]。現場測試是直接評估高鐵結構系統在不同因素影響下動力響應的一種方法[23]，但它耗時長且數據相對有限。通過模型試驗，可以模擬不同車型、速度和環境條件下的移動荷載，從而揭示高鐵路基及其他相關結構的一般規律和機理，進而更好地理解高鐵結構系統的動態響應特性，評估不同參數對路基的影響，并優化設計和施工方案。模型試驗方法通過控制荷載的變化來模擬不同情況下的影響，這既節省時間，又具有一定的可控性和可重復性，可以在相對較短的時間內獲取大量數據，從而提供有力的支持和指導。雖然模型試驗無法完全模擬真實的路況，但它仍然是研究高鐵結構系統動力特性的重要手段之一。

國內外眾多學者借助模型試驗研究了高鐵路基的動力響應和累積變形。Anderson等[24開展了雙層道砟物理模型試驗，模擬了列車經過時的動荷載作用以及道砟的動力響應。Momoya等[25使用1：5的軌道-路基模型，分析了低速移動荷載下的應力分布和沉降規律。Shaer等2采用比例為1：3的有砟軌道模型探討了軌枕加速度對路基沉降的影響。Ishikawa等[2進行了1：5的有砟軌道模型試驗和室內單元循環剪切實驗，模擬了兩種列車荷載對路基的作用。詹勇祥等2開展了1：12的動力模型試驗對遂渝高鐵的板樁結構路基進行了模擬，研究了荷載頻率與加載位置對路基變形的影響。Bian等[29運用全比尺高鐵路基模型試驗系統研究了列車動荷載作用下路基和地基土體的累積沉降行為。蔣紅光等[30模擬了不同速度的列車荷載作用下，軌道-路基各層結構的動力響應變化規律，并研究了路基土體在特定車速下的應力-應變滯回特征。楊果林等3開展了1：1的高鐵全比尺模型試驗，分析了在不同環境條件下高鐵膨脹土路基的動力響應。陳仁朋等2通過室內試驗研究路基內水位的變化對高鐵無砟軌道變形的影響。石熊[33]根據高鐵路基工程的實際尺寸與施工標準，填筑了全比尺無砟軌道路基模型，探究了10000萬軸次循環荷載作用下路基累積沉降的發展特性。吳龍梁等34通過現場激振響應試驗，研究了路基內部動力響應分量的衰減規律。孫廣超等[5基于縮尺比例為1：5模型試驗，研究了X形樁-筏復合地基的動力響應。徐方等開展了預應力路基在不同列車荷載下的動力響應研究。此外，王啟云等[7-39開展了一系列室內單元試驗，研究循環荷載作用下粗粒土路基填料的顆粒破碎演化特征及其對累積變形的影響。

眾多學者通過試驗研究手段，對高鐵路基的長期沉降問題進行了深入探索，取得了豐碩的研究成果，持續推動路基建設方案優化。未來的研究可集中在以下幾個方面：深入研究顆粒破碎機制，以探索其與累積沉降的關系；應用新型試驗方法，結合先進的監測技術提升對路基動態響應的實時分析能力；考慮列車荷載的間歇性特征及其對路基長期累積變形的影響，將為評估路基的耐久性提供更為精準的依據；綜合考慮環境因素（如降雨-蒸發效應等）對路基沉降的影響；推動多學科交叉研究，結合地質學、材料學等領域的研究成果，綜合分析影響路基沉降的多重因素。這些研究方向有望為高鐵路基的安全性與可持續發展提供堅實的理論基礎和技術支持。

2累積沉降計算模型

2.1 經驗模型

目前已有國內外眾多學者對土體的累積變形預測進行了研究，表1給出了部分經典的累積沉降預測經驗模型。 ε_p 為累積塑性應變； N 為荷載振動次數； σ_d 為動應力幅值； σ_s 為靜偏應力； σ_f 為靜強度；a，b，c，m，n，δ 均為待定參數。如表1所示，較早的經驗模型是Monismith等[4]的指數型模型，雖然簡單實用，但力學機理不明確且存在局限性。因此，部分學者針對土體累積沉降特性逐步改進了經驗模型。Li等4分析大量試驗后發現模型參數 b 和 A 分別與土體類型及應力狀態存在顯著關聯，并基于此對指數模型進行改進。隨后，Chai等[42進一步融入土體的應力狀態，引入了初始靜偏應力 σ_s 。Tang等[43]和Fu等[44]分別對考慮循環應力比（CSR）和等效循環數的預測模型進行了改進，提出了更加靈活的預測模型。張幸幸等4基于等價黏彈塑性模型提出了交通荷載長期作用下的路基累積變形計算方法。姚仰平等4提出了用于預測臨線堆載下鐵路路基變形的蠕變沉降算法。石熊[33基于模型試驗結果，提出了考慮動靜應力比、靜應力與靜強度比以及振次的指數模型。總體而言，這些改進的預測模型旨在綜合考慮主要因素對土體循環累積變形的影響。同時隨著機器學習的發展，一些學者利用機器學習方法建立數學模型用于預測高鐵路基的長期累積沉降[47-48]。盡管經驗模型的結構形式簡單且計算高效，但隨著荷載循環次數增加，這些經驗公式能否持續準確預測變形發展尚不可知。

經驗擬合法采用直觀方式建立了累積塑性應變與振次等因素之間的函數關系。該方法通過調整擬合方程中的參數來反映其他影響因素對累積塑性應變的作用。由于其操作簡便且適用性強，該方法在實際工程領域中獲得了廣泛的應用。傳統的土體變形預測方法主要集中于評估動荷載作用下土體的累積應變，對于預測土體在重復荷載作用下的長期變形行為至關重要。然而，這些方法未能充分考慮動荷載作用下土體的動變形，無法準確反映路基在列車動荷載作用下的狀態演化與長期變形特性。

2.2 理論模型

計算土體累積變形的理論模型通常是基于塑性增量理論[49建立的，通過考慮土體的屈服面、流動法則和硬化規律進行描述。黃茂松等[5針對粉細砂土的剪脹性和應變軟化特性對劍橋模型進行了改進，提出了雙屈服面模型。Bian等[5依據殘余應變模型，開發了用于計算路基及地基土體累積變形的方法。此外，基于安定性理論的彈塑性本構模型為研究土體在循環荷載下的累積變形提供了一種新思路。安定性理論[52-55適用于大步長大周期的塑性變形計算，只考慮最大塑性變形的包絡線。Sharp等[52將此理論應用于道碴材料的累積變形分析中，并提出了具有一定經驗性的雙硬化彈塑性模型。林緣祥等改進了現有的靜力安定理論和安定極限求解方法，引入了有效安定極限的概念。畢宗琦等基于安定理論方法，提出了一種改進的動力安定分析算法，以控制非彈性變形，保證安全裕度。理論模型能夠較為準確地描述土體在循環加載過程中的變形特性，但計算效率較低。

高鐵路基是由粗粒土、礫石等顆粒材料作為填料填筑而成，長期列車循環荷載作用會導致其力學性質劣化，如模量軟化、有效黏滯系數下降等[58-59]；同時，路基的變形對其系統力學性質也會產生影響，歷史變形狀態對當前變形的影響不可忽略。而現有累積變形計算模型很少考慮上述因素的影響，無法準確反映顆粒材料在列車荷載下的長期變形特性。Tong等基于顆粒材料的三軸試驗數據分析，通過引入表征顆粒體系流動性的狀態變量并考慮了歷史應變對當前狀態的影響，建立了能較準確地反映高鐵路基填料在列車荷載作用下變形響應的狀態演化本構模型

式中： 和 分別為應力率與應變率； E 為彈性模量； θ 為狀態變量，是控制顆粒系統流體黏度的關鍵函數； a_?1 為待定參數； γ_c 與 分別為特征應變和參考應變率。管凌霄等進一步采用有限差分法對狀態演化模型進行時間離散并求解

式中： q 為特征系數， 。此外，管凌霄等采用室內路基模型的分級加載與長期加載試驗結果驗證了狀態演化模型的準確性（圖2）。

近年來，還有學者們提出了力學-經驗型模型，考慮土體應力狀態點與破壞線的關系，以量化描述土體產生塑性變形的難易程度，并實現綜合計算。比如，Gidel等[2基于循環三軸試驗結果和Hornych等[的模型，引入了描述土體應力狀態的函數建立了新的累積應變計算公式。Gu等通過試驗結果研究了土體應力狀態與破壞線在應力不變量空間內的關系。Chow等則基于剪切應力比，提出了在應力平面內描述土體應力狀態與破壞線關系的力學-經驗模型。力學-經驗模型明確了應力空間內土體應力狀態點與破壞線相對位置的影響，使模型具備更好的理論基礎。在計算效率和理論基礎方面較經驗模型有明顯改進，但力學-經驗模型仍然依賴于經驗模型，無法揭示土體變形規律的內在機理，且無法合理描述土體結構和應力狀態隨加載變化的情況。此外，現有模型往往忽略了高鐵列車間歇荷載及其對路基土體狀態演化的影響，故難以保證長期準確性。因此，在路基長期沉降計算模型的研究領域還需要改進和完善其理論基礎，并解決其存在的不足之處。

3路基顆粒細觀研究

對于高鐵路基中的顆粒體材料而言，滑動、錯位及破碎等細觀力學行為對路基累積變形起著重要作用。然而，傳統的模型試驗和力學-經驗模型并不能有效分析路基顆粒的細觀力學行為。基于此，Cundall等[]建立的離散元方法（discreteele-mentmethod，DEM）提供了一種有效的途徑來模擬顆粒材料的細觀力學特性，并研究其對累積變形的影響。因此，DEM已成為研究路基填料細觀力學特性的主要技術方法[68]。

何忠明等采用PFC3D軟件建立了粗粒土路堤填料的三軸試驗離散元模型，研究了粗粒土在不同含水率下的力學特性。盡管有大量學者已經使用離散元軟件模擬了三軸試驗，但由于這種模擬通常采用剛性墻的徑向移動來施加圍壓，無法產生變形。與之相對的是，傳統的室內三軸試驗通過較為柔軟的橡膠膜將圍壓傳遞給試樣，允許其產生不均勻的徑向變形，因此使用剛性墻施加圍壓不能有效地再現三軸試驗。為改進這一局限，部分學者轉而使用柔性黏結顆粒[70-73]或分段組合剛性墻體[74-75]來代替傳統的圓柱形墻體模擬橡膠模的柔性伺服邊界。雖然黏結顆粒模擬柔性邊界能較好地反映試樣的實際變形，但在大變形時難以維持均勻的圍壓，同時，顆粒數量的增加也使得建模和控制變得更加復雜；多段分層墻體建模復雜，在施加圍壓過程中只能沿水平方向移動，也難以完全模擬實際情況。隨著PFC-FLAC耦合建模方法的提出，可以在模擬中用FLAC的結構體替代PFC的剛性墻，有效克服了以往方法的局限性。胡世興等和張杰等[采用PFC-FLAC耦合建模方法建立了柔性伺服三軸加載模型，探討了不同土體試樣變形的細觀行為特征。

此外，近年來研究人員發現顆粒破碎對路基劣化具有重要影響，為了研究粗粒土在受力作用下的破碎特性，基于DEM模擬顆粒破碎的主要途徑有兩種：碎片替換法和顆粒黏結法。徐琨等[和Brosh等[8分別基于兩種不同的碎片替換模式，用于開展精細模擬研究和微粒子的沖擊破碎。此外，McDowell 團隊[81-84]、Indraratna 團隊[85-89]和 Tutumluer團隊[90-93]等采用DEM開展了一系列工作，研究內容包括模擬單顆粒壓碎過程、分析單軸和三軸循環荷載下的顆粒彈性模量與累積變形，探討土工格柵和枕下墊板對顆粒力學性能的影響，以及模擬過渡段道床的動態行為等。程世濤基于PFC軟件針對粗粒土開展了三軸試驗的離散元模擬，分析了顆粒破碎及其對土體力學特性的影響。謝康等[95]采用PFC軟件模擬了級配碎石在振動壓實過程中的顆粒破碎，揭示了其對級配碎石力學性能的影響機制。徐林榮等通過DEM研究了可破碎宕渣的顆粒破碎及其與累積變形之間的關系。這些研究在顆粒材料破碎的模擬及其對累積變形影響的規律方面取得了顯著進展。

從現有的研究成果來看，路基填料顆粒的破碎主要經歷兩個階段：一是在填筑期間的壓密作用下，顆粒因達到極限承載能力而發生的即時破碎；二是長期列車循環荷載導致的顆粒疲勞破碎[]。每個階段的顆粒破碎行為對路基的沉降和穩定性都有顯著影響，特別是在長期列車荷載下，顆粒破碎可能會加劇累積沉降，從而影響軌道結構的平順性。然而，道砟和路基填料顆粒的破碎機制十分復雜，涉及多種因素的共同作用，包括顆粒的粒徑分布、級配特性、顆粒形貌、加載條件（如荷載大小、頻率、作用時間）以及環境條件。這些因素不僅影響顆粒的破碎程度，還影響破碎后顆粒重新排列對路基整體力學性能的貢獻。如何通過優化填料的級配、控制壓實參數以及合理設計荷載條件，以減少顆粒破碎并降低累積沉降，仍是學者們需進一步深人探討的課題。

4列車間歇荷載的影響

在高鐵運營過程中，鐵路路基承受的動荷載作用主要集中在某些時間段，屬于間歇性荷載（如圖3）。然而目前大部分研究通常采用連續加載的模型來模擬列車運行對路基的影響，這種方法可能無法準確反映實際工況下荷載的間歇性特征。故針對少數學者開展列車間歇荷載對土體累積沉降影響的研究現狀與結論進行介紹，以此說明間歇性荷載對高鐵路基長期沉降的影響。

王軍等的研究表明，在間歇階段，在不排水條件下土體內部超孔隙水壓力基本不變，且試樣會產生回彈變形；而在排水條件下，超孔隙水壓力會完全消散，土體變形不會產生回彈。有學者通過動三軸試驗分析了階段性加載與排水對土體長期固結變形的影響，揭示了加載后排水能增強土體抗動荷載的能力[9-00]。Yildirim等[101]的試驗結果表明，間歇階段不僅能夠消散超孔隙水壓力，還能提升土體的抵抗變形能力。鄭晴晴等[102-104]關于間歇加載下土體剛度軟化現象的研究指出，在加載初期，間歇階段加劇了軟化效應，而在加載后期，則有助于減弱軟化效應。李亞峰等[105-10]開展了一系列連續加載，以及加載-停振的動三軸試驗，試驗結果表明土體內的顆粒結構在間歇階段發生了調整，從而增強了土體對后續荷載的抵抗力。此外，加載的間歇性顯著延緩了隨后加載階段塑性應變的增長，并減少了土體的累積塑性應變。童立紅等[17]通過共振柱試驗研究了間歇荷載作用下土體的模量變化規律。Nie等[8]和Tong等[9]發現間歇加載階段，試件的累積塑性應變減小，表明增加間歇加載時間可以增強試樣抗動加載變形的能力。Guan等[0]開展了間歇荷載下高鐵路基長期沉降的1：7縮尺模型試驗，發現在間歇加載階段路基變形出現反彈，累積沉降減小（如圖4（a））。此外，根據試驗結果分析可得，與連續加載相比，間歇加載時的路基彈性模量的減小速率明顯更慢，這表明間歇荷載下的路基土體展現出了更強的抗“軟化\"能力（如圖4（b））。

綜上所述，間歇荷載作用下，路基土體的應力-應變響應、超孔隙水壓力的變化以及累積塑性變形等特性可能與連續加載情況有顯著差異。這些差異可能對路基的長期行為和安全性產生重要影響。例如，間歇荷載使得路基在加載階段和間歇段表現出不同的變形特性，忽略相鄰列車運行時間間隔采用連續加載方式模擬列車荷載會導致土體變形被高估，路基承載能力被低估。研究間歇荷載對路基土體的影響將有助于改進現有的路基設計和養護策略，提高路基工程的可靠性和養護效率。此外，這項研究還將為路基材料的選用、路基結構的優化設計以及風險評估的制定提供科學依據。因此，理解間歇荷載下路基的累積沉降行為對于預測和保障高鐵的運行安全至關重要。

5 結束語

經多年不斷發展，國內外學者在高鐵路基長期沉降問題上開展了廣泛的研究，并取得了顯著成果。目前，針對該問題的研究仍存在不足，推動該領域發展可從以下幾個方面尋求突破。

1）現有的路基模型試驗和累積變形理論計算模型普遍忽略了高鐵列車間歇性荷載對路基土體狀態演化和變形的顯著影響。鑒于高鐵列車運行的時間間隔特性，建議開展針對實際間歇性高鐵列車荷載的模型試驗，并構建考慮間歇荷載影響的路基狀態演化累積應變預測模型，以更準確地評估列車荷載對路基變形和長期穩定性的影響。

2）路基顆粒破碎對其長期沉降有著顯著影響，不同內在（顆粒級配、壓實度等）和外在（荷載、溫濕度等）因素對顆粒破碎的影響機制仍不夠明晰。為了優化路基設計，有必要針對該課題開展進一步的探討。

3）目前在不同環境因素影響下的路基長期沉降研究仍不充分。例如交通荷載與降雨耦合作用下路基沉降的機理和預測、降雨導致路基內部細粒土遷移規律不清、微觀與宏觀力學行為之間的關聯復雜等問題尚未明確。為更好地評估路基的長期性能，建議深入研究動載和降雨耦合作用下的路基填料的微觀和宏觀力學特性，以及降雨-蒸發等環境因素對路基變形時空演化的影響。

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第一作者：徐長節（1972一），男，教授，博士，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，長江學者特聘教授，研究方向為土動力學、路基工程及基坑工程。E-mail：xucj@zju.edu.cn。

通信作者：童立紅（1988一），男，教授，博士，博士生導師，研究方向為土動力學與路基工程。E-mail：lhtong@ecjtu.edu.cn。

（責任編輯：姜紅貴）