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Xue Jiangwei Taiwan University of Technology 薛江煒 太原理工大學(xué)土木系 太原市建設(shè)管理委員會Z,樁伴侶 簡介及其作用機(jī)理初探,第一部分:與樁伴侶相似的技術(shù),1.1 薄壁筒樁(土箍) 帶樁伴侶的樁可以視作是外徑較小而長度較長的“樁”與內(nèi)外徑較大而長度較短的“薄壁筒樁”(樁伴侶,箍)的結(jié)合。 顯然,“薄壁筒樁”具有獨(dú)立承擔(dān)全部水平、垂直荷載的能力。,樁伴侶不僅是構(gòu)造,而且是受力體。,第一部分:與樁伴侶類似的技術(shù),1.2 長短樁 樁伴侶是閉合的環(huán)形“箍”;而對于長短樁復(fù)合地基來說,短樁可以視作是長樁的開口的“箍”。 應(yīng)用長短樁時(shí),將短樁直接與基礎(chǔ)底板接觸,而在長樁的頂部鋪設(shè)墊層,就是“止沉”的設(shè)計(jì)理念。,第一部分:與樁伴侶類似的技術(shù),1.3 樁帽(承臺) 將樁伴侶與樁之間的土、墊層或凈空全部以混凝土等剛性材料填充,成為樁帽的形式。 設(shè)置樁帽(承臺)的主要目的是減小樁對基礎(chǔ)底板的沖切,以及收集荷載。根據(jù)河海大學(xué)何良德、雷金波等人對帶帽剛性樁復(fù)合地基的研究,樁帽下面的土體沉降較小,承載能力得不到充分發(fā)揮。,第一部分:與樁伴侶類似的技術(shù),1.4 剛性樁復(fù)合地基的核心褥墊層 褥墊層樁向上刺入復(fù)合地基 減沉樁樁向下刺入復(fù)合樁基 巖土論壇來自同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系的geofem建立了三維數(shù)值模型,對褥墊層和樁伴侶進(jìn)行了比較。 樁伴侶的數(shù)值分析與討論 /read.php?tid=58030&page=ea 巖土論壇入口:/?u=32868,第一部分:與樁伴侶類似的技術(shù),1.5 其他,共同特點(diǎn)是留下了土的發(fā)揮作用空間,太極精神,以柔克剛。 樁頂預(yù)留凈空天津大學(xué)鄭剛教授 樁端位移調(diào)節(jié)南京工業(yè)大學(xué)宰金珉 縱向預(yù)應(yīng)變樁南京工業(yè)大學(xué)梅國雄 基礎(chǔ)樁的防震構(gòu)造日本東京海老根,第二部分:樁伴侶的數(shù)值分析與討論,巖土論壇來自同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系的geofem建立了三維數(shù)值模型,對褥墊層和樁伴侶進(jìn)行了比較。樁伴侶的數(shù)值分析與討論/read.php?tid=58030&page=ea,模型的基本條件:考慮樁伴侶外徑1.5m,厚度25cm,高度30cm,為C30混凝土(彈性)。 樁為直徑500,長度18m。土體c=2kpa,phi=30deg。樁端地基承載力1000kpa,樁側(cè)壁與土摩擦系數(shù)0.6 筏板為與樁伴侶等直徑50cm厚C30混凝土板。模擬過程為0T開始不斷加載,直至土體破壞。未考慮樁伴侶的模型同上,僅將樁伴侶的材料改為土體材料即可。,樁伴侶+樁+圓形承載板,第二部分:樁伴侶的數(shù)值分析與討論,未采用樁伴侶:載荷板中心點(diǎn) 荷載-位移曲線 NODE- 13 TIME Displacement-Z 0 0 1 -1.64E-17 3 -0.00394754 5 -0.0100277 7 -0.0230861 9 -0.0420385 11 -0.0686061 從上圖中可得,計(jì)算不收斂對應(yīng)的荷載為:800*(11-1)/20=400kPa, 曲線拐點(diǎn)對應(yīng)的荷載為:800*(6-1)/20=200kPa,帶樁伴侶的計(jì)算結(jié)果 NODE- 13TIME Displacement-Z 0 0 1 -1.43E-17 3 -0.00386016 5 -0.00959096 7 -0.021356 9 -0.0373427 11 -0.0570397 13 -0.08087 15 -0.110466, 從上圖中可得,計(jì)算不收斂對應(yīng)的荷載為:800*(15-1)/20=560kPa, 曲線拐點(diǎn)不明確,可根據(jù)地基基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定的承載板位移/承載板直徑的百分比確定荷載。,第二部分:樁伴侶的數(shù)值分析與討論,Geofem的結(jié)論: 1、就目前的前提與假設(shè)條件,帶樁伴侶的極限承載力(以計(jì)算不收斂作為準(zhǔn)則)較普通樁基高。 2、但就加載曲線的斜率(樁基的剛度來說),當(dāng)荷載同為800*(7-1)/20=240kPa的條件下,使用樁伴侶與未使用樁伴侶對應(yīng)的豎向位移均為2cm左右,差別很?。?.13cm/2.30cm)。而對應(yīng)560kp的沉降量已經(jīng)是大于10cm了,對于變形控制要求的建筑物可能適用性上有問題。,第二部分:樁伴侶的數(shù)值分析與討論,天津大學(xué)鄭剛教授等人曾進(jìn)行了兩個將樁頂設(shè)置為向上凸的曲面、樁頂以上設(shè)置 200mm厚的褥墊層的單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn),同時(shí)對比進(jìn)行了無褥墊層的單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)樁體為直徑420mm、樁長12 m的沉管灌注樁,載荷板尺寸為2 mX 2 m。得到復(fù)合地基試驗(yàn)的p-s曲線見圖。,上凸形樁頂試驗(yàn),上凸形樁頂試驗(yàn)P-S曲線,思考:全是樁頭惹的禍,第二部分:樁伴侶的數(shù)值分析與討論,試驗(yàn)結(jié)果表明,樁起的作用很小,以s/b:0.01(即 s=20 mm)確定的復(fù)合地基承載力特征值分別僅為85 kPa和95 kPa,注意到單樁極限承載力在 800-900 kN,而現(xiàn)場天然地基承載力:90 kPa,說明樁的承載力幾乎沒有發(fā)揮。為此,取消墊層,對該二根樁重新進(jìn)行復(fù)合地基載荷試驗(yàn),按s/b:0.01確定的復(fù)合地基承載力特征值均大于158.75 kPa(158.75 kPa為試驗(yàn)最大加載值,此時(shí)對應(yīng)的沉降 10mm)。與前者相比,顯然二者差距極大。針對這一試驗(yàn)結(jié)果,對該工程提出了全面檢查樁頭剔鑿是否平整的建議。(注:帶墊層與取消墊層對應(yīng)的所標(biāo)符號似乎反了) 閻明禮教授在講座中,也曾多次提到對于CFG樁,要求平整樁頭時(shí)樁頂與土面必須在同一個平面,否則會影響復(fù)合地基試驗(yàn)的結(jié)果。大量的工程實(shí)踐和試驗(yàn)仍表明:采用靜載荷試驗(yàn)確定的剛性樁復(fù)合地基的承載力具有極大的離散性,對于復(fù)合樁基、半剛性復(fù)合地基等采用復(fù)合地基靜載荷承載力試驗(yàn)的地基處理工程,這一問題同樣存在。為此,鄭剛多次呼吁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化問題。,思考:全是樁頭惹的禍,在Geofem所作的數(shù)值分析中,僅僅一個30厘米高的樁伴侶就使得荷載-位移曲線產(chǎn)生了很大的改變。,第三部分:人為創(chuàng)造時(shí)間-沉降量曲線,由此,我們想到在樁頭上做文章,樁數(shù)沉降量曲線,地基處理要省錢,沉降量大是繞不過的坎!,類似的,還可以得到樁長沉降量曲線,止沉!最好的用樁之道 減沉,無法避免后期沉降大,影響使用。,反應(yīng)建設(shè)項(xiàng)目全壽命期的時(shí)間-沉降量曲線,第三部分:人為創(chuàng)造時(shí)間-沉降量曲線,止沉就是施工階段沉降大,使用階段沉降小,核心是:用上部結(jié)構(gòu)荷載壓實(shí)土體。,第三部分:人為創(chuàng)造時(shí)間-沉降量曲線,樁與土共存時(shí),地基土作用發(fā)揮,有“向上刺入”與“向下刺入”兩種選擇。所有的荷載,最終都是由地基土承擔(dān)的,而剛性樁只是起了一個傳遞媒介的作用。 對于樁基礎(chǔ)來說,由于樁比土的剛度大得多,在剛性樁的長度范圍內(nèi),相當(dāng)于一個剛體與土彈簧的并聯(lián),上部荷載幾乎完全通過剛性樁傳遞到樁端的持力層及其下臥層上,剛性樁會向下刺入樁端的持力層,或者引起持力層及其下臥層的壓縮變形,于是形成向上的反力,通過剛性樁傳遞到上部的基礎(chǔ)底板(承臺),形成一組力的平衡。 “向下刺入”,叫做“減沉”,是指土的承載力大致夠了但沉降大,于是少打一些樁來減小沉降量,同時(shí)樁端的地基土塑性發(fā)揮較多,產(chǎn)生“向下刺入”。“向下刺入”的沉降曲線不容易收斂,施工加載初期沉降小,而后期的沉降會持續(xù)很長的時(shí)間,影響正常使用。,第三部分:人為創(chuàng)造時(shí)間-沉降量曲線,在鋪設(shè)褥墊層復(fù)合地基或“帶伴侶的樁”的情況下,能夠發(fā)生樁的“向上刺入”,即樁的下沉量小于土的下沉量,讓上層地基土先受力并擴(kuò)散,由基礎(chǔ)底板(承臺)的 “面” 荷載與上部荷載平衡,隨著荷載的增大,達(dá)到一定沉降值后,不足部分再通過剛性樁將荷載傳遞到樁端持力層,持力層的反力通過剛性樁對基礎(chǔ)底板(承臺)形成較大的“點(diǎn)”荷載與上部荷載平衡,迅速“止沉”; “止沉”理論的“向上刺入”則保證了作為控制沉降和承載力最后一道防線的樁端持力層的相對穩(wěn)定,俗話說“家有余糧,心中不慌”,樁是“頂梁柱”、“王牌”,輕易不出手,先把地基土的承壓能力發(fā)揮到極致,沉降量可以達(dá)到0.5-1米,這就是所謂的“靜夯”,利用上部結(jié)構(gòu)的重量來使地基土密實(shí),承載力提高,同時(shí)由于上層地基土的密實(shí),也加大了樁周圍的約束力,樁的承載力也能得到提高,直到上層地基土足夠密實(shí)、沉降量足夠大的時(shí)候,再讓樁隆重登場,迅速“止沉”。,第三部分:人為創(chuàng)造時(shí)間-沉降量曲線,帶伴侶的樁理論承載力-沉降量曲線,第三部分:人為創(chuàng)造時(shí)間-沉降量曲線,承載力-沉降量曲線對比圖,較大的沉降有助于提高地基的可靠度,第四部分:樁伴侶能否抵抗不均勻沉降?,用沉降量換承載力,這就叫地基處理的以柔克剛,太極功夫。 硬撐其實(shí)是沒有好處的。想想看,高山下面的地基土一定是足夠密實(shí)的,在高山隆起的過程中其顆粒都靠得越來越近,扛著吧,誰也別想走; 因?yàn)楹ε虏痪鶆虺两担ε律喜拷Y(jié)構(gòu)施工質(zhì)量差、剛度低,害怕搞上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工的推卸責(zé)任,規(guī)范規(guī)定了最大容許沉降,為了滿足規(guī)范這一違背自然法則的錯誤的規(guī)定,只好靠一根根硬梆梆、傻乎乎的粗棍子(樁)在那兒撐著,導(dǎo)致高樓下面的地基土得不到密實(shí)、出力的機(jī)會,脫離基礎(chǔ)底板形成負(fù)摩擦力還算好的,遇到地下柔情的水還不跟著走,跳槽、私奔誰能攔得???(負(fù)摩阻力),不均勻沉降提供檢驗(yàn)建筑實(shí)體質(zhì)量缺陷的外部荷載,第四部分:樁伴侶能否抵抗不均勻沉降?,當(dāng)前,結(jié)構(gòu)造價(jià)占整個建筑造價(jià)的比例已經(jīng)相當(dāng)?shù)?,而裝修、各種設(shè)備的造價(jià)通常超過了結(jié)構(gòu)和地基處理、基坑支護(hù)的總和??v然是“大震不倒、中震可修”,將來的修復(fù)成本比起現(xiàn)在的節(jié)省來說也得不償失,而且50年的建筑設(shè)計(jì)壽命事實(shí)上也不經(jīng)濟(jì),建議建設(shè)部組織多支研究機(jī)構(gòu)從總體擁有成本的角度來作出一個更科學(xué)的建筑設(shè)計(jì)壽命,在全國范圍內(nèi)普遍提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防等級。 現(xiàn)行規(guī)范對于不同抗震設(shè)防等級的結(jié)構(gòu)采用同一個沉降控制標(biāo)準(zhǔn)是不合理的,而應(yīng)當(dāng)制定所對應(yīng)的“抵抗不均勻沉降的段位”。對于抗震設(shè)防烈度高的地區(qū),采用抵抗不均勻沉降高的段位,地基處理的標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)降低,使其產(chǎn)生較大的沉降量,以便能夠得到檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)整體性的較大不均勻沉降值。當(dāng)發(fā)生了相應(yīng)段位的不均勻沉降時(shí),如果結(jié)構(gòu)的變形、裂縫超出了容許的范圍,就說明存在質(zhì)量隱患,然后進(jìn)行會診,具體分析是搞建筑的原因,還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因,還是施工偷工減料,還是規(guī)范的原因等等。不均勻沉降提供了檢驗(yàn)建筑實(shí)體質(zhì)量缺陷的外部荷載,通過實(shí)體質(zhì)量檢驗(yàn)可以提早發(fā)現(xiàn)各類工程隱患。,淺基礎(chǔ),整體剪切破壞,目前關(guān)于淺基礎(chǔ)地基力的理論,都是在整體剪切破壞條件下得到的。太沙基承載力理論重要的假定:基底與土之間摩擦力阻止了在基底處剪切位移的發(fā)生,因此,直接在基底下的土不發(fā)生破壞而處于彈性平衡狀態(tài)彈性核(白白浪費(fèi)了土的承載能力)。,(其實(shí)就是把土擠出地面來),關(guān)鍵在于采用深基礎(chǔ)避免整體剪切破壞,同時(shí)采用止沉的構(gòu)造措施使沖剪沉降收斂,第四部分:樁伴侶能否抵抗不均勻沉降?,淺基礎(chǔ),局部剪切破壞,沖剪破壞,淺基礎(chǔ)受力時(shí)不僅基底土要變形,且其側(cè)面要隆起,造成淺基礎(chǔ)地基承載力較低。 而樁(深)基礎(chǔ)比淺基礎(chǔ)更不容易(注意:不是不會)發(fā)生把土擠出的整體剪切破壞。,第四部分:樁伴侶能否抵抗不均勻沉降?,沖剪破壞 刺入破壞,深基礎(chǔ),樁(深)基礎(chǔ)兩側(cè)土很難隆起,主要是樁端土壓縮。 小問題:鋪設(shè)褥墊層的復(fù)合地基如何破壞呢?,第四部分:樁伴侶能否抵抗不均勻沉降?,樁伴侶=均沉環(huán),1、上層土先于土中樁(下層土)受力,可以把樁理解為當(dāng)?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降后的補(bǔ)強(qiáng)加固措施。 2、樁伴侶提供了抵抗地基傾斜的扭矩。,特別提示:與樁伴侶配合的混凝土樁不需要配置鋼筋,因?yàn)闃短幱凇皫Ч康臉丁钡闹行詤^(qū),而且增大了基礎(chǔ)底板的剛度,第四部分:樁伴侶能否抵抗不均勻沉降?,樁伴侶的價(jià)值在于: 1、變形大而不破壞,承載力能保證; 2、沉降大而早完成,建成后沉降小; 3、總量大而局部小,確保沉降均勻; 4、地基處理節(jié)省下來的銀子用于加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu),造九度、十度抗震設(shè)防的房子;,第五部分:樁伴侶的施工與設(shè)計(jì),1m,(1)不設(shè)褥墊層:大型機(jī)械開挖,至距離樁頂1米,人工或者小型機(jī)械圍繞樁、距離樁一定距離開挖溝槽1-1.5米(即為樁伴侶的高度),現(xiàn)澆或放置樁伴侶,打墊層、作防水,鋪設(shè)底板。,將來按照“止沉”理論進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),要求上部地基土充分沉降,地基容許承載力不應(yīng)考慮安全系數(shù)K,即土的承載力至少可提高到目前規(guī)范規(guī)定的K倍(還應(yīng)該更多); 樁伴侶對樁間土的約束作用(三向應(yīng)力狀態(tài))、樁頂部位的“擴(kuò)大頭”對極限承載能力的貢獻(xiàn)、以及靜壓密實(shí)作用等等,樁伴侶能使地基土的承載力提高到上部天然地基土的若干倍,達(dá)到同等土質(zhì)的樁端土承載力。,一、突破現(xiàn)有規(guī)范的提高量,第五部分:樁伴侶的施工與設(shè)計(jì),問題:樁伴侶能使土的承載力提高多少?,第五部分:樁伴侶的施工與設(shè)計(jì),0.5-1m,(2)局部褥墊層:采用大型機(jī)械開挖至距離樁頂0.5至1米,然后在樁頭周圍人工開挖一個環(huán)形坑,整平樁頭至設(shè)計(jì)標(biāo)高,放置相應(yīng)高度的預(yù)制樁伴侶,以毛砂或碎石填充坑內(nèi)空隙。也可填充柔性墊層預(yù)留樁頂沉降空間。,各種“強(qiáng)夯”、“夯實(shí)”、“預(yù)壓”等等是寫入規(guī)范的地基處理方法,都是預(yù)先使原有的上部一定范圍的地基土密實(shí),包括 “堆載預(yù)壓”;采用樁伴侶時(shí),當(dāng)沉降較小時(shí),樁發(fā)揮的作用也很小,此時(shí),上部荷載相當(dāng)于“堆載”,可以按照目前規(guī)范關(guān)于“堆載預(yù)壓”的理論來確定“預(yù)壓”后地基土的承載力。 同樣,“堆載預(yù)壓”期間的沉降不用于計(jì)算所謂規(guī)范“容許沉降”總沉降量。,二、靈活運(yùn)用規(guī)范的提高量,問題:樁伴侶能使土的承載力提高多少?,第五部分:樁伴侶的施工與設(shè)計(jì),第五部分:樁伴侶的施工與設(shè)計(jì),0.1m,(3)滿鋪褥墊層:在缺乏工程實(shí)踐的情況下,為了與現(xiàn)行規(guī)范和常規(guī)做法銜接,對于采用剛性樁的復(fù)合地基,可在平整樁頭以后將樁伴侶擺放到樁頭的周圍,然后鋪設(shè)褥墊層,由于樁伴侶可以減小墊層流動性以及樁向上刺入對基礎(chǔ)底板造成的沖切,褥墊層的厚度可以薄很多,單樁承載力越高、樁間距越大則越顯著。,第五部分:樁伴侶的施工與設(shè)計(jì),對于剛性樁復(fù)合地基,樁伴侶比褥墊層的構(gòu)造措施更合理,更可靠,如果采用現(xiàn)行的復(fù)合地基設(shè)計(jì)規(guī)范,可將樁間土發(fā)揮系數(shù)取上限0.95 ,甚至取1.0,或者略大于1。 對于原來直接與基礎(chǔ)底板(承臺)剛結(jié)的樁基礎(chǔ),采用樁伴侶后,可以完全按照復(fù)合地基進(jìn)行計(jì)算,樁間土發(fā)揮系數(shù)取上限。,三、遵守現(xiàn)有規(guī)范的提高量,問題:樁伴侶能使土的承載力提高多少?,第六部分:什么時(shí)候不由得想到樁伴侶?,對于檢測出來的三、四類樁,通過放置或增加樁伴侶的尺寸、體積、對缺陷樁進(jìn)行補(bǔ)救的方法,可能易于被接受而得到應(yīng)用。 如果在一些缺陷樁的樁頭放置樁伴侶進(jìn)行靜載荷試驗(yàn),再與其它完整樁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,會得到有益的結(jié)論。,一、發(fā)現(xiàn)缺陷樁的時(shí)候,不由得想到樁伴侶!,比較籠統(tǒng)的說法。主要自然原因是地質(zhì)資料與現(xiàn)場實(shí)際有很大的出入,比如:靜載荷試驗(yàn)不能滿足設(shè)計(jì)要求了,施工遇到困難導(dǎo)致樁的實(shí)際長度無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求等等; 以及人為原因比如業(yè)主要增加層高了,或者改變用途了,等等。,二、發(fā)生各種異常的時(shí)候,千萬別忘了樁伴侶!,第六部分:什么時(shí)候不由得想到樁伴侶?,關(guān)鍵是能少打樁,給業(yè)主省錢。無論是承攬?jiān)O(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、檢測等業(yè)務(wù),還是搞科學(xué)研究特別是走出國門,進(jìn)行國際工程總承包的時(shí)候,出售知識產(chǎn)權(quán)。,三、承攬各種業(yè)務(wù)的時(shí)候,第六部分:什么時(shí)候不由得想到樁伴侶?,樁伴侶就是金剛鉆!,混凝土樁強(qiáng)度不足、樁頭壓碎的時(shí)候;樁忘了放鋼筋的時(shí)候;在淤泥當(dāng)中施工的時(shí)候;采用單樁承載力較大的樁做復(fù)合地基的時(shí)候,比如復(fù)合載體夯擴(kuò)樁、螺桿樁、預(yù)應(yīng)力管樁等(減小底板沖切、減小樁頭應(yīng)力集中),第七部分:樁伴侶還能怎么用?,(1)樁伴侶與基礎(chǔ)非均勻布樁設(shè)計(jì)方法(即調(diào)平剛度)的配合,更好地實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)底板均勻沉降。 (2)通過設(shè)置樁伴侶,配合粉煤灰等活性發(fā)揮較慢的墊層等措施來加速主樓施工前期的沉降量、減小使用后期沉降量,并采取措施調(diào)整裙樓的沉降,取消主樓與群樓之間的施工后澆帶。 (3)將樁與樁伴侶視作一個整體的帶箍的樁,通過對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格帶箍的樁的單樁靜載荷試驗(yàn),來推定地基承載力值,建立一種費(fèi)用低廉、干擾因素少、試驗(yàn)誤差小、標(biāo)準(zhǔn)化的復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。,樁伴侶的主要研究方向,相夫樁伴侶對“帶箍的樁”承載力的貢獻(xiàn),例如減小混凝土樁的橫截面、混凝土標(biāo)號、配筋量等; 教子調(diào)動基礎(chǔ)上部土的作用,以沉降換承載力,促進(jìn)土“茁壯成長”,承載力有顯著提高; 主內(nèi)分擔(dān)樁頭的水平荷載,減少應(yīng)力集中,例如側(cè)重于對樁伴侶抵抗地震、減震的研究等; 盡孝為承臺(底板)加“肋”,增加基礎(chǔ)底板的剛度,減小“獨(dú)生”樁的沖切力,以及樁伴侶對抵抗不均勻沉降的貢獻(xiàn)等。,與薛江煒的交流方式: 手機(jī)傳真:351-5625683 QQ:493591358 各大巖土論壇,推薦 Z,謝 謝 二九年六月 成都,樁端土承載力標(biāo)準(zhǔn)值隨著樁的入土深度增加而增大,如某種具有相同土力學(xué)指標(biāo)的粘性土:,上部承載力 100kpa 5米 800-1000kpa 10米 1400-1600kpa 15米
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