基于結(jié)構(gòu)面間距標(biāo)準(zhǔn)的層狀巖體結(jié)構(gòu)分類方法探討與應(yīng)用

閆長斌,王貴軍,常福慶,陳艷國,高旭輝

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,河南鄭州 450003)

基于結(jié)構(gòu)面間距標(biāo)準(zhǔn)的層狀巖體結(jié)構(gòu)分類方法探討與應(yīng)用

閆長斌,王貴軍,常福慶,陳艷國,高旭輝

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,河南鄭州 450003)

在總結(jié)現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程有關(guān)層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,指出了以結(jié)構(gòu)面間距為劃分依據(jù)存在的差異與不足,對層狀巖體結(jié)構(gòu)分類方案提出新的認(rèn)識。將巨厚層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分為>1 m和>2 m兩個亞類,并將互層狀結(jié)構(gòu)融入其他層狀結(jié)構(gòu)類型中。同時針對層狀巖體風(fēng)化卸荷與剪切帶發(fā)育特點,提出了更具針對性的夾層結(jié)構(gòu)。最后,結(jié)合建筑物涉及巖組的結(jié)構(gòu)面間距平均值與結(jié)構(gòu)面間距百分比統(tǒng)計資料,初步建立了適用于古賢水利樞紐工程的近水平層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分方案。

工程地質(zhì);層狀巖體;巖體結(jié)構(gòu)類型;結(jié)構(gòu)面間距

0 引言

巖體結(jié)構(gòu)是巖體工程地質(zhì)評價的基礎(chǔ)。正確認(rèn)識、劃分巖體結(jié)構(gòu)類型,對于巖體工程地質(zhì)評價具有重要影響。從宏觀上講,地殼中的巖體結(jié)構(gòu)可分為塊狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)兩大類[1],其中層狀結(jié)構(gòu)巖體約占陸地面積的75%,是工程建設(shè)中遇到的主要巖體結(jié)構(gòu)類型。層狀巖體中不但包括原生層面和層理,而且有后期改造形成的節(jié)理裂隙等次生以及表生結(jié)構(gòu)面,甚至斷層構(gòu)造。另外,層狀巖體中有時還存在軟弱夾層發(fā)育、巖石相變明顯等一系列復(fù)雜問題。這些問題給層狀巖體質(zhì)量評價和分級帶來了諸多困難。

對于層狀巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分,國內(nèi)外已有多種方案或標(biāo)準(zhǔn),有關(guān)規(guī)范也給出了明確的規(guī)定[2-4]。參照軟硬巖層組合關(guān)系,根據(jù)層面等結(jié)構(gòu)面間距,通常將層狀巖體劃分為巨厚層狀結(jié)構(gòu)、厚層狀結(jié)構(gòu)、中厚層狀結(jié)構(gòu)、互層狀或薄層狀結(jié)構(gòu)等。然而,從實際應(yīng)用來看,結(jié)構(gòu)面間距標(biāo)準(zhǔn)并不一致,甚至差別很大,難免造成認(rèn)識和使用上的諸多混亂[5]。另外,就某些規(guī)范而言,其結(jié)構(gòu)面間距劃分標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)某些工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)得來的,是否適用于任何一項工程,有待進(jìn)一步考證。本文在對比分析已有層狀巖體結(jié)構(gòu)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,對基于結(jié)構(gòu)面間距的層狀巖體結(jié)構(gòu)分類問題進(jìn)行探討,嘗試提出一些新的看法和認(rèn)識,并結(jié)合具體地質(zhì)條件,建立適用于古賢水利樞紐工程復(fù)雜近水平層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分方案,為古賢水利樞紐工程巖體質(zhì)量分級和評價提供基礎(chǔ),為類似工程提供借鑒和參考。

1 層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分依據(jù)及其存在的差異

1.1 現(xiàn)有規(guī)范與文獻(xiàn)的有關(guān)規(guī)定

(1)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)附錄U中規(guī)定了層狀巖體結(jié)構(gòu)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)范將層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分為巨厚層狀、厚層狀、中厚層狀、互層狀和薄層狀等5種結(jié)構(gòu)類型,依據(jù)的層面間距標(biāo)準(zhǔn)分別是>100 cm、100～50 cm、50～30 cm、30～10 cm和<10 cm。

(2)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218—94)中建議將層狀巖體結(jié)構(gòu)類型分為巨厚層狀、厚層狀、中厚層狀以及中—薄層狀等4種,其中巨厚層狀、厚層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)面間距標(biāo)準(zhǔn)均為>100 cm,而中厚層狀及薄層狀結(jié)構(gòu)的劃分標(biāo)準(zhǔn)依次為100～40 cm和40～20 cm。

(3)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)(2009版)附錄A.0.4中給出了巖體按結(jié)構(gòu)類型劃分的規(guī)定,其劃分依據(jù)仍然是巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況。其中涉及的層狀巖體結(jié)構(gòu)類型主要有巨厚層狀、厚層狀、中厚層狀結(jié)構(gòu)等3種,其劃分標(biāo)準(zhǔn)依次是>150 cm、150～70 cm、70～50 cm。

(4)《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(S L55—2005)附錄A.0.2-2仍將層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分為巨厚層狀、厚層狀、中厚層狀、薄層狀和極薄層狀等5種類型,其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)面間距標(biāo)準(zhǔn)依次是>100 cm、100～50 cm、50～20 cm、20～5 cm和<5 cm。

(5)《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10077—2001)第3.2節(jié)中規(guī)定,有關(guān)層狀巖體結(jié)構(gòu)類型和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面間距應(yīng)分別符合如下規(guī)定:①巨厚層狀結(jié)構(gòu):>100 cm;②厚層狀結(jié)構(gòu):100～50 cm;③中厚層狀結(jié)構(gòu):50～10 cm;④薄層狀結(jié)構(gòu):<10 cm。

(6)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTJ 064—98)附錄G中規(guī)定,層狀巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分,結(jié)構(gòu)面間距應(yīng)符合以下規(guī)定:①厚層:>50 cm;②中層:50～10 cm;③薄層:<10 cm。

(7)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(G B 50330—2002)附錄A-2中提到,巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)(2009版)表A.0.4的規(guī)定,即結(jié)構(gòu)面間距為:①巨厚層狀結(jié)構(gòu):>100 cm;②厚層狀結(jié)構(gòu):150～70 cm;③中厚層狀結(jié)構(gòu):70～50 cm。

(8)湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院編寫的《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗匯編》有關(guān)《中小型水利水電工程圍巖地質(zhì)分類及有關(guān)圍巖穩(wěn)定性評價的幾個問題》一文中,對于層狀巖體結(jié)構(gòu)采用如下分類標(biāo)準(zhǔn):①巨厚層狀結(jié)構(gòu):>200 cm;②厚層狀結(jié)構(gòu):200～60 cm;③中厚層狀結(jié)構(gòu):60～20 cm;④薄層狀結(jié)構(gòu):20～6 cm;⑤薄層狀結(jié)構(gòu):<6 cm。

1.2 結(jié)構(gòu)面間距標(biāo)準(zhǔn)存在的差異與不足

從前述規(guī)范關(guān)于層狀巖體結(jié)構(gòu)類型劃分的規(guī)定中,不難發(fā)現(xiàn):對于層狀巖體結(jié)構(gòu)類型的主要劃分依據(jù)是結(jié)構(gòu)面間距。而對于相同巖體結(jié)構(gòu),其劃分所依據(jù)的結(jié)構(gòu)面間距卻有很大差別。例如,對于巨厚層狀結(jié)構(gòu)的劃分標(biāo)準(zhǔn),結(jié)構(gòu)面間距數(shù)值就有200 cm、150 cm和100 cm三種,相差竟達(dá)1倍;而厚層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分所依據(jù)的結(jié)構(gòu)面間距之間的差異更加突出,例如200～60 cm、150～70 cm、100～50 cm和100～40 cm等。另外,中厚層狀和薄層狀巖體結(jié)構(gòu)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)也很不一致?？v觀以上層狀巖體結(jié)構(gòu)的分類方案,大多數(shù)采用100 cm、50 cm、30 cm和10 cm體系來劃分巨厚層、厚層和中厚層以及薄層狀巖體結(jié)構(gòu)類型,其應(yīng)用最為廣泛。由此可見,現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范及部分文獻(xiàn)對于層狀巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)的確存在較大差異。究其原因,一方面是規(guī)程、規(guī)范修編的協(xié)調(diào)性差,各行業(yè)、領(lǐng)域之間缺乏有效、完備的溝通;另一方面是人為因素的影響,人們對于結(jié)構(gòu)面間距劃分標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識不統(tǒng)一。因此,有必要對此問題予以澄清,建立面向工程應(yīng)用的、概念明晰的劃分標(biāo)準(zhǔn)或方案。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合具體的工程地質(zhì)條件,根據(jù)現(xiàn)場有關(guān)實測數(shù)據(jù)和資料,確定合理的結(jié)構(gòu)面間距劃分依據(jù),構(gòu)建適用于具體工程的層狀巖體結(jié)構(gòu)類型劃分體系。

2 對層狀巖體結(jié)構(gòu)類型劃分方法的探討

2.1 基于結(jié)構(gòu)面間距的劃分標(biāo)準(zhǔn)及其確定方法

綜合上述規(guī)程、規(guī)范中的結(jié)構(gòu)面間距標(biāo)準(zhǔn),參考葛洲壩、小浪底、李家峽等工程建立的層狀巖體結(jié)構(gòu)分類方案,認(rèn)為層狀巖體結(jié)構(gòu)類型劃分應(yīng)主要依據(jù)單層厚度,即首先考慮層面間距;其次考慮節(jié)理裂隙對巖體的切割厚度,即節(jié)理面間距;同時參考完整性系數(shù)、風(fēng)化卸荷程度以及RQD等因素,綜合劃定層狀巖體結(jié)構(gòu)類型。另外,巖體結(jié)構(gòu)面間距的確定,對于研究節(jié)理裂隙發(fā)育深度與密度亦具有實際意義。

至于結(jié)構(gòu)面間距的確定,對于層狀巖體而言,應(yīng)首先現(xiàn)場測量不同沉積巖性之間的接觸層面間距,然后再統(tǒng)計節(jié)理裂隙切割后的裂隙面間距。無法直接進(jìn)行測量的,亦可根據(jù)鉆孔、大口徑鉆孔巖芯,配合鉆孔電視,進(jìn)行結(jié)構(gòu)面間距的統(tǒng)計分析。在實際統(tǒng)計過程中,劃分結(jié)構(gòu)面的標(biāo)志性界限是以下幾個:①明顯的巖性層面;②張開的層內(nèi)層理;③陡傾角或緩傾角節(jié)理裂隙面;④泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面。

2.2 對層狀巖體結(jié)構(gòu)類型劃分方案的建議

層狀巖體結(jié)構(gòu)的五級劃分方案應(yīng)用最多。然而,對于互層狀結(jié)構(gòu),水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB 50487—2008)把互層狀列在中厚層狀與薄層狀之間,而其他絕大部分規(guī)范則沒有將其單獨列出。其實,從某種意義上講,層狀巖體絕大部分情況下都是軟硬互層狀沉積的,與層面間距并無直接聯(lián)系,互層狀結(jié)構(gòu)完全可以劃歸到其他結(jié)構(gòu)類型中,不必單獨列出。因此,本文將結(jié)構(gòu)面間距為10～30 cm的層狀巖體劃歸到薄層狀結(jié)構(gòu)的范疇。對于結(jié)構(gòu)面間距<10 cm的層狀巖體,可視為夾層或細(xì)長透鏡體,往往呈片狀或極薄層狀,此處統(tǒng)稱為夾層狀結(jié)構(gòu);而對于巨厚層狀結(jié)構(gòu),則需考慮具體工程地質(zhì)條件,結(jié)合前述規(guī)程、規(guī)范的對比分析,可將其分為兩個亞類,即層厚>200 cm和>100 cm的,分別稱為整體巨厚層狀和一般巨厚層狀。層狀巖體結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的劃分標(biāo)準(zhǔn),見表1。

表1 層狀巖體結(jié)構(gòu)分類表Table 1 Division of layered rock mass structure types

3 古賢水利樞紐層狀巖體結(jié)構(gòu)類型分析

古賢水利樞紐工程位于黃河中游北干流磧口—禹門口河段,壺口瀑布上游約3.5～23.5 km處,左岸為山西省吉縣,右岸為陜西省宜川縣。古賢水利樞紐作為黃河干流的七大控制性骨干工程之一,在黃河治理開發(fā)和水沙調(diào)控體系方面具有極為重要的戰(zhàn)略作用[6]。

3.1 古賢水利樞紐地層巖性與層狀巖體結(jié)構(gòu)特征

壩址區(qū)出露基巖主要為中生界三疊系中統(tǒng)二馬營組上段和銅川組下段,為一套陸相碎屑巖系,分布于整個壩址區(qū)的河谷及岸坡上,出露厚度160～200 m,最大揭露厚度350 m左右。巖相變化較大。

壩址區(qū)為近水平狀單斜地層,總體走向為10°～30°,傾向NW,傾角為0°～3°。地質(zhì)構(gòu)造簡單,未發(fā)現(xiàn)斷層、褶皺等構(gòu)造,發(fā)育有陡傾角的節(jié)理裂隙和順層剪切帶等。

3.2 古賢水利樞紐層狀巖體中的結(jié)構(gòu)面間距統(tǒng)計

根據(jù)鉆孔柱狀圖、鉆孔巖芯測量、鉆孔電視成像資料,在河床、兩岸選取有代表性的鉆孔進(jìn)行層狀巖體結(jié)構(gòu)面間距統(tǒng)計。壩址區(qū)壩基巖體和洞室圍巖主要埋藏于二馬營組地層的巖組以及銅川組地層的巖組中,統(tǒng)計時重點選擇了以上幾個巖組,具體結(jié)果見表2。

表2 壩址區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面間距平均值統(tǒng)計表Fig.2 Statistic of discontinuity spacing of dam area rock mass

由圖1～2可見:①整體巨厚層狀(>2 m)和一般巨厚層狀(>1 m)巖體的結(jié)構(gòu)面間距平均值具有相似的規(guī)律,均是巖組最大,而巖組較小。其余巖組的結(jié)構(gòu)面間距平均值相差不大。②整體巨厚層狀(>2 m)和一般巨厚層狀(>1 m)巖體的結(jié)構(gòu)面間距百分比平均值亦具有基本相似的規(guī)律,二者的百分比平均值都較大。其中,一般巨厚層狀(>1 m)巖體中的巖組最大;而整體巨厚層狀(>2 m)的巖體中巖組最大;二者均是巖組最小。③其余幾個巖組的結(jié)構(gòu)面間距百分比平均值相差不大。其中厚層狀(0.5～1 m)巖體的結(jié)構(gòu)面間距百分比平均值相對較大,各個巖組所占比例基本上都超過了10%;而中厚層狀(0.3～0.5 m)、薄層狀(0.1～0.3 m)及夾層狀(<0.1 m)等結(jié)構(gòu)巖體的結(jié)構(gòu)面間距百分比平均值相對較小,除了夾層狀(<0.1 m)的巖組外,大部分低于10%,且三者之間非常接近。

圖1 各巖組結(jié)構(gòu)面間距平均值Fig.1 Discontinuity spacing average depth of each rock group

圖2 各巖組結(jié)構(gòu)面間距百分比平均值Fig.2 Discontinuity spacing percentage of each rock group

3.3 古賢水利樞紐工程近水平層狀巖體結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)水利《水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)的規(guī)定,參考本文提出的層狀巖體結(jié)構(gòu)分類方案,結(jié)合上述古賢水利樞紐壩址區(qū)有關(guān)巖組層狀巖體層面等結(jié)構(gòu)面間距統(tǒng)計數(shù)據(jù),同時考慮RQD、波速等其它因素,將古賢水利樞紐工程壩址區(qū)層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分為:巨厚層狀結(jié)構(gòu)、厚層狀結(jié)構(gòu)、中厚層狀結(jié)構(gòu)、薄層狀結(jié)構(gòu)和夾層狀結(jié)構(gòu)等五種類型。其中,巨厚層狀結(jié)構(gòu)又進(jìn)一步細(xì)分為結(jié)構(gòu)面間距>1 m和結(jié)構(gòu)面間距>2 m兩個亞類。具體的層狀巖體結(jié)構(gòu)類型劃分及其主要工程地質(zhì)特征,見表3。

由于巖層的相變較大,不同巖性呈不等厚的韻律互層發(fā)育。因此根據(jù)現(xiàn)階段工程地質(zhì)巖組的劃分,同一個巖組可能包含不同的層狀巖體結(jié)構(gòu)類型。

另外,由于覆蓋層及強風(fēng)化卸荷帶巖體在重力壩壩基、面板壩趾板、心墻壩齒槽以及進(jìn)出口邊坡、隧洞過溝淺埋段等部位需要挖除,因此工程建筑物區(qū)域的薄層狀和夾層狀結(jié)構(gòu)巖體所占比例將會減少。

4 結(jié)論

在總結(jié)現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程有關(guān)層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,指出了結(jié)構(gòu)面間距劃分依據(jù)存在的差異與不足,綜合分析后提出了層狀巖體結(jié)構(gòu)分類的修正方案。該方案將巨厚層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分為>1 m和>2 m兩個亞類,并將互層狀結(jié)構(gòu)融入其他結(jié)構(gòu)類型中。同時針對層狀巖體風(fēng)化卸荷與剪切帶發(fā)育特點,提出了更具針對性的夾層結(jié)構(gòu)。根據(jù)該方案提出的劃分方法,結(jié)合建筑物涉及巖組的結(jié)構(gòu)面間距平均值與結(jié)構(gòu)面間距百分比統(tǒng)計資料,初步建立了適用于古賢水利樞紐工程的近水平層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分方案。

表3 古賢水利樞紐工程壩址區(qū)層狀巖體結(jié)構(gòu)類型Table 3 Layered rock mass structure types of Guxian project dam area

巖體結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)面間距均值/m 結(jié)構(gòu)面間距百分比/%T2t2-11T2t1 1T2er112T2er102T2er9 2T2t2-11T2t1 1T2er112T2er102T2er9 2基本地質(zhì)特征厚層狀結(jié)構(gòu)0.70～0.850.60～0.908.30～25.004.50～31.50巖體較完整,結(jié)構(gòu)面輕度發(fā)育,以陡傾角節(jié)理和層面為主,結(jié)構(gòu)面間距一般為0.6～0.9 m;巖體嵌合較緊密,一般無充填或鈣質(zhì)充填,多呈閉合狀或微張;巖性以單一的砂巖或粉砂巖為主,部分巖層為二者的韻律互層中厚層狀結(jié)構(gòu)0.35～0.400.30～0.450.90～7.200.80～17.00巖體較完整,結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育,以陡傾角節(jié)理和層面為主,局部存在緩傾角裂隙;節(jié)理間距一般為0.3～0.45 m;局部存在貫穿性的節(jié)理裂隙,無充填或鈣質(zhì)充填,結(jié)構(gòu)面多呈閉合狀或微張;巖性以以軟硬巖石的韻律互層為主薄層狀結(jié)構(gòu)0.10～0.200.10～0.251.00～10.000.30～18.50巖體完整性較差—差,結(jié)構(gòu)面較發(fā)育—發(fā)育,節(jié)理間距0.1～0.25 m;存在貫穿性的節(jié)理裂隙,結(jié)構(gòu)面多呈微張—張開,鈣質(zhì)或碎屑充填,表現(xiàn)為薄層或互層結(jié)構(gòu)巖體完整性差,結(jié)構(gòu)面發(fā)育,呈碎塊或薄片狀;具有明顯的強風(fēng)化、卸荷或錯動與擦痕等特征;絕大多數(shù)為強風(fēng)化、卸荷帶或發(fā)育在軟巖以及軟硬巖界面的灰綠色或紫紅色剪切帶夾層狀結(jié)構(gòu)0.01～0.060.03～0.071.00～8.000.25～11.00

[1] 谷德振.巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,1979.

[2] GB50487—2008,水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

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[5] 黃向春,駱福英,熊博.層狀巖體結(jié)構(gòu)劃分與巖體工程地質(zhì)評價[J].巖土工程界,2005(7):30-32.

[6] 王貴軍,常福慶,閆長斌,等.黃河古賢水利樞紐項目建議書階段工程地質(zhì)勘察報告[R].鄭州:黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,2009.

(責(zé)任編輯:胡立智)

Discussion on the Division Methods of Layered Rock Mass Structure Types Based on the Discontinuity Spacing and Its Application

YAN Changbin,WANG Guijun,CHANG Fuqing,CHEN Yanguo,GAO Xuhui
(Yellow R iver Engineering Consulting Co.,L td.,Zhengzhou,Henan450003)

Based on summarizing the codes about division standards of layered rock mass structure,the differences and shortages of discontinuity spacing as the rule are pointed out,and the new cognizance for the scheme of layered rock mass structure is taken forward.The huge thick layered structure is divided into two sub-classes further,which are>1 m and>2 m,and the interbed structure is included in other layered structures as a whole.The interlayer structure with more pertinence is put forward,as for the characters ofweathering and unloading and shear zone of layered rock mass.At last,the division schemes of close to horizontal layered rock mass structure,which are applied to Guxian Project,are founded preliminarily,combined with the statistical data of average and percentage of discontinuity spacing of some rock groups where the buildings are involved.

engineering geology;layered rock mass;rock mass structure types;discontinuity spacing

TV223.1

A

1671-1211(2010)05-0574-05

2010-07-31;改回日期:2010-09-03

黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司自主研究開發(fā)項目(2009—ky01);國家“十一五”科技支撐計劃(2006BAB04A06)。

閆長斌(1979-),男,工程師,博士,巖土工程專業(yè),從事水工巖石力學(xué)方面的設(shè)計與研究工作。E-mail:yanchangbin-2001@163.com