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1、GDS-HKUST型型非飽和土三軸儀非飽和土三軸儀.hk室內(nèi)巖土事業(yè)部室內(nèi)巖土事業(yè)部技術(shù)工程師:肖巍技術(shù)工程師:肖巍2013年年7月月11日日EPC簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介n 公司成立于1987年n 為歐美大地科技集團(tuán)旗艦公司,對(duì)外簡(jiǎn)稱(chēng)“歐美大地”n 總部設(shè)于香港,下設(shè)11個(gè)辦事處,分別是廣州、北京、上海、南京、成都、西安、沈陽(yáng)、武漢、深圳、福州和濟(jì)南 n 香港、廣州和上海還設(shè)有售后服務(wù)中心和保稅倉(cāng)庫(kù)n 公司經(jīng)營(yíng)范圍: 原位測(cè)試部 建筑結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)部 環(huán)境監(jiān)測(cè)部 工程物探部 應(yīng)變電測(cè)部 工業(yè)無(wú)損檢測(cè)部 巖土工程與結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)部 道路測(cè)試部 紅外檢測(cè)與診斷部 基樁檢測(cè)部 橋梁診斷與健康監(jiān)測(cè)部 建筑材料和結(jié)構(gòu)測(cè)試部

2、室內(nèi)巖土實(shí)驗(yàn)室部 EPC公司簡(jiǎn)介公司簡(jiǎn)介EPC公司簡(jiǎn)介公司簡(jiǎn)介GDS公司簡(jiǎn)介公司簡(jiǎn)介n英國(guó)英國(guó)GDS儀器設(shè)備有限公司成立于1979年;nGDS公司首創(chuàng)的“數(shù)字式壓力/體積控制器”,自主專(zhuān)利;n具有25年生產(chǎn)先進(jìn)的由計(jì)算機(jī)控制的巖土試驗(yàn)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn);nGDS與全世界300多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)保持緊密的聯(lián)系,并參與研究;nGDS的服務(wù)不只局限于購(gòu)買(mǎi)后12個(gè)月,持續(xù)的技術(shù)支持;nGDS要求員工在1個(gè)工作日內(nèi)回答用戶(hù)90%的E-mail;nGDS的系統(tǒng)可以很容易升級(jí),無(wú)論是硬件或軟件; nGDS的服務(wù):如何使用,可以做什么,什么試驗(yàn)必需做,如何選擇參數(shù)以及如何處理數(shù)據(jù)等。GDS公司簡(jiǎn)介公司簡(jiǎn)介英國(guó)研發(fā)中心

3、英國(guó)研發(fā)中心GDS裝配工廠(chǎng)裝配工廠(chǎng)GDS管理團(tuán)隊(duì)管理團(tuán)隊(duì)GDS公司簡(jiǎn)介公司簡(jiǎn)介第二代新型GDS HKUST 非飽和土靜態(tài)三軸測(cè)試系統(tǒng)非飽和土非飽和土定義定義 三相土:土顆粒、水和氣三相土:土顆粒、水和氣 飽和度:飽和度:0 Sr 100% 相對(duì)孔氣壓來(lái)說(shuō),孔隙水壓力為負(fù)值相對(duì)孔氣壓來(lái)說(shuō),孔隙水壓力為負(fù)值v工程中常見(jiàn)的幾種非飽和土:工程中常見(jiàn)的幾種非飽和土:v1、膨脹土、膨脹土v2、殘積土、殘積土v3、濕陷性黃土、濕陷性黃土v4、壓實(shí)土、壓實(shí)土非飽和土非飽和土存在形式存在形式地下水位以上的天然土地下水位以上的天然土壓實(shí)土(如堤、壩、路基等)壓實(shí)土(如堤、壩、路基等)含氣或油的沉積物含氣或油的沉積

4、物Unsated SoenicsSatatcsSoilhanichruaatcedruilMM負(fù)孔隙水壓力或吸力負(fù)孔隙水壓力或吸力(Suction)表面張力表面張力bbTsTsRsuauw表面張力表面張力水水hCBAHA = HB = HC = 0HA = h + uw/g gw uw = - g gw h 0彎液面彎液面SSwaRTuus2ua = 飽和土和非飽和的應(yīng)力狀態(tài)變量飽和土和非飽和的應(yīng)力狀態(tài)變量Unsated SoenicsSatatcsSoilhanichruaatcedruilMMe(s sx - ua)(s sz - ua)(s sy - ua)t tzxt tzyt txz

5、t txyt tyzt tyx(s sx - uW)(s sz - uW)(s sy - uW)t tzxt tzyt txzt txyt tyzt tyx(ua - uw)(ua - uw)(ua - uw)土水特征曲線(xiàn)土水特征曲線(xiàn)(持水曲線(xiàn)持水曲線(xiàn))各土類(lèi)的土水特征曲線(xiàn)各土類(lèi)的土水特征曲線(xiàn)飽和度 (%)吸力 (kPa)美國(guó) Soilmoisture 公司壓力板儀 SWCC非飽和土的導(dǎo)水系數(shù)非飽和土的導(dǎo)水系數(shù)與飽和度(或吸力)有關(guān)與飽和度(或吸力)有關(guān)100908070kw(m/s)kw(m/s)10-1010-910-810-710-610-5Degree of saturation (%

6、) kw (m/s)Sand10-1010-910-810-710-610-5 Suction (kPa)非飽和土力學(xué)在土工中應(yīng)用非飽和土力學(xué)在土工中應(yīng)用Groundwater Table非飽和土邊坡非飽和土邊坡Rainfall 土壩的非飽和土壩的非飽和-飽和滲流飽和滲流v蓄水期間土壩中水位變化蓄水期間土壩中水位變化(?)1 1、土壩建成后,水庫(kù)開(kāi)始蓄水,將使孔隙壓力發(fā)生變化,這是在新的邊、土壩建成后,水庫(kù)開(kāi)始蓄水,將使孔隙壓力發(fā)生變化,這是在新的邊界條件下是瞬變過(guò)程。界條件下是瞬變過(guò)程。壩坡穩(wěn)定壩坡穩(wěn)定(?)(?)2 2、一旦水庫(kù)開(kāi)始蓄水,與平衡過(guò)程有關(guān)的邊界條件;、一旦水庫(kù)開(kāi)始蓄水,與平衡

7、過(guò)程有關(guān)的邊界條件;UaUa與與UwUw隨時(shí)間的變化隨時(shí)間的變化?新的平衡條件?在總應(yīng)力不變的情況下,?新的平衡條件?在總應(yīng)力不變的情況下,UaUa與與UwUw的變化,引起的變形的變化,引起的變形黃土黃土非飽和膨脹土地基變形問(wèn)題垃圾填埋場(chǎng)中非飽和土問(wèn)題垃圾填埋場(chǎng)中非飽和土問(wèn)題Groundwater table Compacted clay liner Unsaturated SoilMSWCompacted soil cover EvaporationRainfallLeachate InfiltrationR系統(tǒng)配置系統(tǒng)配置 Bishop & Wesley 2000kPa/100mm

8、應(yīng)力路徑三軸壓力室應(yīng)力路徑三軸壓力室GDS 8通道數(shù)據(jù)采集裝置通道數(shù)據(jù)采集裝置GDS內(nèi)置式水下荷重傳感器內(nèi)置式水下荷重傳感器,5kN和和25kNGDS位移傳感器位移傳感器GDS孔隙壓力傳感器孔隙壓力傳感器標(biāo)準(zhǔn)壓力標(biāo)準(zhǔn)壓力/體積控制器(體積控制器(200cc 兩個(gè))兩個(gè))雙通道氣壓控制器雙通道氣壓控制器GDSLAB模塊軟件模塊軟件濕濕差壓傳感器濕濕差壓傳感器 系統(tǒng)配置系統(tǒng)配置 8通道數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)置式水下荷重傳感器標(biāo)準(zhǔn)B&W壓力室內(nèi) 內(nèi)壓力室 高壓鋼性壓力室 數(shù) 字 控制單元 步進(jìn)馬達(dá) 齒輪箱 線(xiàn)性導(dǎo)軌 球狀螺母 球狀螺桿 壓力缸 活塞 氣 模擬反饋 模擬控制 除氣水/空氣 壓力傳感器

9、壓力出口 控制器工作原理系統(tǒng)配置系統(tǒng)配置 孔隙水壓力傳感器底座系統(tǒng)配置系統(tǒng)配置 頂帽橡膠膜系統(tǒng)配置系統(tǒng)配置 制樣工具密碼狗非飽和土室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)非飽和土室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)v非飽和土室內(nèi)試驗(yàn)的主要技術(shù)難題非飽和土室內(nèi)試驗(yàn)的主要技術(shù)難題 吸力的控制和測(cè)量吸力的控制和測(cè)量 總體積變化的測(cè)量總體積變化的測(cè)量 水體積變化的測(cè)量水體積變化的測(cè)量 試驗(yàn)速率的合理確定試驗(yàn)速率的合理確定 非飽和土的滲透系數(shù)比較小,以致孔隙水壓力的消散很慢非飽和土的滲透系數(shù)比較小,以致孔隙水壓力的消散很慢 總體變總體變 水體積變化水體積變化非飽和土室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)非飽和土室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)v吸力的控制技術(shù)吸力的控制技術(shù) 軸平移技術(shù)軸平移技術(shù) 滲透

10、吸力控制技術(shù)滲透吸力控制技術(shù) 相對(duì)濕度控制技術(shù)相對(duì)濕度控制技術(shù) 非飽和土室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)非飽和土室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)v體變測(cè)量技術(shù)體變測(cè)量技術(shù) 流體法流體法 測(cè)量試樣周邊的流體的體積變化測(cè)量試樣周邊的流體的體積變化 總和法總和法 分別測(cè)量土樣中的氣體積和水體積的變化分別測(cè)量土樣中的氣體積和水體積的變化 直接法直接法 直接測(cè)量土樣尺寸的變化直接測(cè)量土樣尺寸的變化 體變測(cè)量技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)v 流體法雙壓力室體變系統(tǒng)流體法雙壓力室體變系統(tǒng) 封閉型雙室封閉型雙室 Wheeler (1986);Sivakumar (1993) 殷建華(殷建華(2002) 連通型雙室連通型雙室 Bishop & Donald

11、 (1961)水銀加鋼珠水銀加鋼珠 Cui & Delage (1996水銀換成水,都為手動(dòng)測(cè)量水銀換成水,都為手動(dòng)測(cè)量 殷宗澤(殷宗澤(1998)內(nèi)室水位測(cè)量方法是補(bǔ)水排水內(nèi)室水位測(cè)量方法是補(bǔ)水排水 Ng, Zhan & Cui(2002) 用高程儀用高程儀體變測(cè)量技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)v流體法流體法封閉型雙室封閉型雙室 (殷建華殷建華, 2002) 內(nèi)外壓滯后內(nèi)外壓滯后 需水下裝樣需水下裝樣 空氣空氣內(nèi)室水位內(nèi)室水位外室水位外室水位電子荷重計(jì)電子荷重計(jì)外室外室內(nèi)室內(nèi)室試樣試樣差壓傳感器差壓傳感器參照管參照管參照水位參照水位(0.1mm)(截面積截面積: 314mm2)體變測(cè)量技術(shù)

12、體變測(cè)量技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)v 假體變與試驗(yàn)歷時(shí)的關(guān)系假體變與試驗(yàn)歷時(shí)的關(guān)系(s s3: 100200 kPa)y = 0.000502x + 0.153863-0.10.00.10.20.30.40.5假體變 假體變 (cm3)總的假體變總的假體變Immediate volume由于室內(nèi)溫度變化引起的假體變由于室內(nèi)溫度變化引起的假體變 由于蠕變引起的假體變由于蠕變引起的假體變瞬時(shí)體變瞬時(shí)體變25.030.0050100150200250300350試驗(yàn)歷時(shí)試驗(yàn)歷時(shí) (小時(shí)小時(shí))溫度溫度 (oC)室內(nèi)溫度變化室內(nèi)溫度變化y = 0.000502x + 0.153863-0.10.00.

13、10.20.30.40.5假體變 假體變 (cm3)總的假體變總的假體變Immediate volume由于室內(nèi)溫度變化引起的假體變由于室內(nèi)溫度變化引起的假體變 由于蠕變引起的假體變由于蠕變引起的假體變瞬時(shí)體變瞬時(shí)體變25.030.0050100150200250300350試驗(yàn)歷時(shí)試驗(yàn)歷時(shí) (小時(shí)小時(shí))溫度溫度 (oC)室內(nèi)溫度變化室內(nèi)溫度變化體變測(cè)量技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)v直接法直接法 接觸性測(cè)量技術(shù)接觸性測(cè)量技術(shù)( (局部位移測(cè)量技術(shù)局部位移測(cè)量技術(shù)) ) 非接觸性測(cè)量技術(shù)非接觸性測(cè)量技術(shù) 激光測(cè)距技術(shù)激光測(cè)距技術(shù) 電磁波測(cè)距技術(shù)電磁波測(cè)距技術(shù) 數(shù)碼攝像結(jié)合圖像處理技術(shù)數(shù)碼攝像結(jié)合圖像處理技術(shù)

14、 體變測(cè)量技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)v直接法直接法局部位移測(cè)量技術(shù)局部位移測(cè)量技術(shù)環(huán)向環(huán)向LVDT軸向軸向LVDTHall 效應(yīng)效應(yīng)傳感器傳感器 適用于小應(yīng)變測(cè)量適用于小應(yīng)變測(cè)量 要求試樣的剛度比較大要求試樣的剛度比較大 對(duì)試樣有約束作用對(duì)試樣有約束作用 體變測(cè)量技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)v直接法直接法激光測(cè)距技術(shù)激光測(cè)距技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)v直接法直接法電磁波測(cè)距技術(shù)電磁波測(cè)距技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)體變測(cè)量技術(shù)v直接法直接法數(shù)碼攝像結(jié)合圖像處理技術(shù)數(shù)碼攝像結(jié)合圖像處理技術(shù) 非飽和土三軸儀非飽和土三軸儀 UNSAT UNSAT 方法方法B B GDS成套產(chǎn)品成套產(chǎn)品-靜態(tài)測(cè)試篇靜態(tài)測(cè)試篇B. 通過(guò)內(nèi)壓力室(HK

15、UST 雙壓力室)中的濕-濕差壓傳感器測(cè)量?jī)?nèi)壓力室液面的變化量乘以過(guò)水截面積就是試樣的總體變。 注:HKUST 雙壓力室與雙層壓力室是不同的。 體變測(cè)量滿(mǎn)量程范圍內(nèi)可以獲得較高的精度和分辨率。非飽和土三軸儀非飽和土三軸儀 UNSAT UNSAT 方法方法B B GDS-HKUSTB.由于該方法是香港科技大學(xué)(HKUST)吳宏偉教授和詹良通博士與GDS公司共同開(kāi)發(fā)完成的,所以又稱(chēng)為HKUST雙層壓力室非飽和土系統(tǒng)。 右圖為HKUST雙壓力室的原理示意圖。非飽和土三軸儀非飽和土三軸儀 UNSAT UNSAT 方法方法B B GDS成套產(chǎn)品成套產(chǎn)品-靜態(tài)測(cè)試篇靜態(tài)測(cè)試篇該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)主要有以下8點(diǎn):

16、u內(nèi)室設(shè)計(jì)成瓶狀,過(guò)水的截面積減少了。試樣體變引起的水位升降變得較為明顯,靈敏度顯著提高;u內(nèi)室設(shè)計(jì)成開(kāi)頂?shù)模@能保證內(nèi)外室圍壓總是相等的,不存在滯后現(xiàn)象;u采用高精度的雙向差壓傳感器測(cè)量?jī)?nèi)室里的水位變化u參照管與內(nèi)壓力室固定在一起,在剪切試驗(yàn)時(shí),參照管與壓力室一起上下移動(dòng)。這樣壓力室的位移不會(huì)引起水位差的變化;非飽和土三軸儀非飽和土三軸儀 UNSAT UNSAT 方法方法B B GDS成套產(chǎn)品成套產(chǎn)品-靜態(tài)測(cè)試篇靜態(tài)測(cè)試篇該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)主要有以下8點(diǎn): u參照管的內(nèi)截面積等于內(nèi)室瓶頸的截面積。這樣內(nèi)室和參照管中的水份蒸發(fā)總是相等,不會(huì)因?yàn)樗菡舭l(fā)而產(chǎn)生誤差;u試驗(yàn)時(shí),內(nèi)室和參照管內(nèi)充除氣水,水

17、面均加一薄層的煤油,可以顯著減少空氣擴(kuò)散到水里和減少水份蒸發(fā);u試樣用中間夾有一層薄錫紙的雙層橡皮膜包裝,此錫紙可顯著減少土樣中空氣擴(kuò)散到水里;u為了減少管路因壓力變化而產(chǎn)生脹縮變形和可能的微縮,所有可能存在較大內(nèi)外壓差的通道可采用銅管。非飽和土三軸剪切試驗(yàn)非飽和土三軸剪切試驗(yàn) v 儀器設(shè)備的改進(jìn)儀器設(shè)備的改進(jìn) 吸力控制和測(cè)量吸力控制和測(cè)量 總體變測(cè)量總體變測(cè)量 水體積變化測(cè)量水體積變化測(cè)量 控制和測(cè)量的自動(dòng)化控制和測(cè)量的自動(dòng)化v 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法 吸力平衡吸力平衡 等吸力固結(jié)等吸力固結(jié) 剪切剪切非飽和土三軸剪切試驗(yàn)非飽和土三軸剪切試驗(yàn) v儀器設(shè)備的自動(dòng)化儀器設(shè)備的自動(dòng)化 先進(jìn)的控制器先進(jìn)的控

18、制器 精密的傳感器精密的傳感器 數(shù)據(jù)交換器數(shù)據(jù)交換器 成熟的控制軟件成熟的控制軟件非飽和土三軸非飽和土三軸剪切試驗(yàn)剪切試驗(yàn) v吸力平衡判別準(zhǔn)則吸力平衡判別準(zhǔn)則 24小時(shí)內(nèi)的水流總量小于試樣體積的小時(shí)內(nèi)的水流總量小于試樣體積的0.05 中平面吸力傳感器中平面吸力傳感器01234560100200300400500600700800試驗(yàn)歷時(shí) (hour)含水量變化值 (%)s = 25 kPas = 50 kPas = 100 kPas = 200 kP結(jié)論及建議結(jié)論及建議v 非飽和土室內(nèi)試驗(yàn)的非飽和土室內(nèi)試驗(yàn)的主要技術(shù)難點(diǎn)主要技術(shù)難點(diǎn): : 吸力的控制與吸力的控制與測(cè)量、土樣總體變的測(cè)量、水體積

19、變化的測(cè)量和試測(cè)量、土樣總體變的測(cè)量、水體積變化的測(cè)量和試驗(yàn)速率的合理確定驗(yàn)速率的合理確定 v 吸力的測(cè)量方法包括吸力的測(cè)量方法包括直接直接法和法和間接間接法,直接法常用法,直接法常用的測(cè)量?jī)x器有兩種:的測(cè)量?jī)x器有兩種:張力計(jì)和軸平移設(shè)備張力計(jì)和軸平移設(shè)備,近些年,近些年研制成功的研制成功的高吸力張力計(jì)高吸力張力計(jì)可以直接測(cè)量可以直接測(cè)量0 1500 0 1500 kPakPa的吸力。室內(nèi)試驗(yàn)中的吸力控制主要有三種方的吸力。室內(nèi)試驗(yàn)中的吸力控制主要有三種方法:法:即軸平移技術(shù)、滲透吸力控制技術(shù)和相對(duì)濕度即軸平移技術(shù)、滲透吸力控制技術(shù)和相對(duì)濕度控制技術(shù)控制技術(shù),它們的適用范圍分別為,它們的適用范

20、圍分別為0 0 幾百幾百kPakPa、0 0 10 MPa 10 MPa和和10 10 MPaMPa以上。以上。 結(jié)論及建議結(jié)論及建議v 為了為了便于工程應(yīng)用便于工程應(yīng)用,吸力也可通過(guò),吸力也可通過(guò)含水量的測(cè)量含水量的測(cè)量和和土水特征曲線(xiàn)的測(cè)試來(lái)間接獲得。目前最常用的含土水特征曲線(xiàn)的測(cè)試來(lái)間接獲得。目前最常用的含水量測(cè)量方法包括水量測(cè)量方法包括烘干稱(chēng)重法烘干稱(chēng)重法、中子水分儀法和時(shí)中子水分儀法和時(shí)域反射儀法域反射儀法v 非飽和土樣非飽和土樣總體變的測(cè)量總體變的測(cè)量包括包括流體法流體法、總和法和直總和法和直接法接法。流體法最為簡(jiǎn)單易行,經(jīng)過(guò)許多學(xué)者的改進(jìn)。流體法最為簡(jiǎn)單易行,經(jīng)過(guò)許多學(xué)者的改進(jìn),

21、該方法已具備足夠的精度。,該方法已具備足夠的精度??偤头ㄔ趯?shí)踐中是不總和法在實(shí)踐中是不可行的可行的。近來(lái),直接法越來(lái)越受研究者的關(guān)注,特。近來(lái),直接法越來(lái)越受研究者的關(guān)注,特別是別是非接觸性?huà)呙杌驍z像技術(shù)非接觸性?huà)呙杌驍z像技術(shù)。 結(jié)論及建議結(jié)論及建議v 由于由于非飽和土試驗(yàn)歷時(shí)較長(zhǎng)非飽和土試驗(yàn)歷時(shí)較長(zhǎng),所以非飽和土體積變,所以非飽和土體積變化化( (包括水體積和總體積包括水體積和總體積) )的的量測(cè)精度量測(cè)精度往往受量測(cè)系往往受量測(cè)系統(tǒng)的統(tǒng)的微漏微漏、蠕變、氣體擴(kuò)散蠕變、氣體擴(kuò)散、以及、以及室溫波動(dòng)室溫波動(dòng)等因素等因素的影響。因此,必須對(duì)各種潛在的誤差認(rèn)真、仔細(xì)的影響。因此,必須對(duì)各種潛在的誤

22、差認(rèn)真、仔細(xì)的的標(biāo)定標(biāo)定。非飽和土試驗(yàn)室應(yīng)保持。非飽和土試驗(yàn)室應(yīng)保持恒溫恒溫,以減少室溫,以減少室溫波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。 v 非飽和土的非飽和土的導(dǎo)水系數(shù)小導(dǎo)水系數(shù)小,試驗(yàn)過(guò)程中,試驗(yàn)過(guò)程中孔壓孔壓( (特別是特別是孔隙水壓力孔隙水壓力) )的的消散很慢消散很慢,因此必須嚴(yán)格控制,因此必須嚴(yán)格控制試驗(yàn)試驗(yàn)速率速率( (如剪切速率如剪切速率), ), 才能獲得合理的試驗(yàn)結(jié)果才能獲得合理的試驗(yàn)結(jié)果。 結(jié)論及建議結(jié)論及建議v 長(zhǎng)歷時(shí)的非飽和土試驗(yàn)應(yīng)采用長(zhǎng)歷時(shí)的非飽和土試驗(yàn)應(yīng)采用自動(dòng)化自動(dòng)化的測(cè)的測(cè)試系統(tǒng),它包括先進(jìn)的控制器、精密的傳試系統(tǒng),它包括先進(jìn)的控制器、精密的傳感器、數(shù)據(jù)交換器和成熟的控制軟件。感器、數(shù)據(jù)交換器和成熟的控制軟件。 v 非飽和土的三軸試驗(yàn)也包括三個(gè)階段,非飽和土的三軸試驗(yàn)也包括三個(gè)階段,即即吸力平衡、等吸力固結(jié)和剪切階段吸力平衡、

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