西部弱膠結(jié)泥巖的三軸壓縮試驗分析

王　磊，李祖勇

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，西安　710054 )

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西部弱膠結(jié)泥巖的三軸壓縮試驗分析

王磊，李祖勇

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，西安710054 )

為解決西部弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)難題，在內(nèi)蒙古魯新煤礦對典型弱膠結(jié)泥巖取樣，并對其進(jìn)行不同狀態(tài)(天然狀態(tài)、飽和狀態(tài)和烘干狀態(tài))和不同圍壓水平的室內(nèi)三軸壓縮試驗，分析其強(qiáng)度特征和基本力學(xué)指標(biāo)與圍壓的變化關(guān)系。試驗數(shù)據(jù)表明：①自然狀態(tài)下弱膠結(jié)泥巖峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度非常低，隨著圍壓的增加，泥巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均有較大提高，且峰值強(qiáng)度與圍壓呈對數(shù)變化關(guān)系；②泥巖對水非常敏感，隨著含水率的增加峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均降低，峰值強(qiáng)度降低幅度更明顯；③通過引入三軸軟化系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明泥巖的軟化系數(shù)隨圍壓增加而下降，泥巖3種狀態(tài)下的彈性模量與圍壓增加呈線性增大變化。最后通過泥巖三軸壓縮四階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線的擬合分析，建立了泥巖三軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

弱膠結(jié)泥巖；三軸壓縮試驗；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；變形特征；峰值強(qiáng)度；殘余強(qiáng)度

1　研究背景

在我國新疆、內(nèi)蒙西部、陜西、寧夏等西部煤礦的建設(shè)和開采中，揭露的白堊系、侏羅系地層多是軟弱巖體，其典型的工程力學(xué)特征是強(qiáng)度低、膠結(jié)差、易風(fēng)化、遇水泥化。這種特性往往造成弱膠結(jié)軟巖鉆孔取芯率很低，取芯困難，很難通過室內(nèi)試驗掌握其復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)。所以這類軟巖巷道支護(hù)目前還缺乏基本力學(xué)依據(jù)，經(jīng)常出現(xiàn)支護(hù)失效、塌方等工程事故[1-2]。究其原因主要是這類巖石力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、本構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜，而且對水非常敏感，圖1中照片記錄了內(nèi)蒙古錫林郭勒盟魯新煤礦第13煤層頂板泥巖從巖石到土體的演化過程。其中，圖1(a)是剛升井的新鮮巖塊，表面完整，肉眼看不到節(jié)理或裂隙；大約在地面經(jīng)過一個多月的風(fēng)化和雨淋就形成了圖1(b)所示的表面布滿隙縫的巖塊，但裂縫的深度和開度都很小，沒有形成貫通式裂縫，巖塊依舊完整；大約3個多月后，形成了圖1(c)所示的表面裂隙網(wǎng)并出現(xiàn)分層削離碎塊，在風(fēng)或重力作用下部分碎塊脫離了母巖塊，原來的巖塊整體性被破壞；一年之后，圖1(a)完整巖塊就變成了圖1(d)所示的一堆碎石。

圖1　弱膠結(jié)泥巖的風(fēng)化演變過程Fig.1　Weathering evolution process of weakly cemented mudstone

軟巖力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變，本構(gòu)關(guān)系的確定非常困難[3-4]，國內(nèi)外眾多學(xué)者、工程技術(shù)人員為之探討了半個多世紀(jì)，取得大量有價值的研究成果，解決了許多工程問題。例如，何滿潮等[5]將工程地質(zhì)學(xué)和非線性力學(xué)相結(jié)合進(jìn)行綜合研究，確定了軟巖的概念及分類方法，提出了多種軟巖本構(gòu)模型及其參數(shù)確定方法。李永盛等[6]對紅砂巖、粉砂巖和泥巖等不同巖性的軟巖進(jìn)行了單軸壓縮蠕變試驗，取得了蠕變3個階段的延續(xù)時間與巖性和所施加的應(yīng)力水平之間的關(guān)系。張耀平等[7]對金川有色金屬礦軟巖進(jìn)行流變試驗，探討了軟巖的黏彈塑性特征，提出了統(tǒng)一的三維非線性黏彈塑性流變本構(gòu)模型，并將其應(yīng)用于地下工程的開挖分析中。陳從新等[8]以紅層軟巖為研究對象，通過室內(nèi)三軸壓縮試驗和現(xiàn)場承壓板壓縮試驗，建立了紅層軟巖流變本構(gòu)模型。范秋雁等[9]對南寧盆地泥巖進(jìn)行了一系列單軸壓縮無側(cè)限蠕變試驗和有側(cè)限蠕變試驗，分析了泥巖蠕變過程中細(xì)觀和微觀結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)巖石的蠕變是巖石損傷效應(yīng)與硬化效應(yīng)共同作用的結(jié)果，揭示了蠕變3個階段的形成機(jī)制和變形特性，建立了軟巖的非線性蠕變模型。陳衛(wèi)忠等[10]根據(jù)現(xiàn)場流變試驗方法提出泥巖非線性經(jīng)驗冪函數(shù)型蠕變模型及其參數(shù)。另外王曉蕾[11]、王來貴等[12]、李棟偉等[13]通過室內(nèi)試驗，建立了考慮損傷的流變本構(gòu)模型。

綜上所述，目前關(guān)于弱膠結(jié)軟巖的研究還較少，而我國西部煤礦建設(shè)與生產(chǎn)迫切需要這方面的研究成果。為了探索這類弱膠結(jié)軟巖的力學(xué)性質(zhì)，揭示應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律和破壞機(jī)理，為巷道支護(hù)設(shè)計提供理論指導(dǎo)，通過在測試礦區(qū)魯新煤礦進(jìn)行典型弱膠結(jié)軟巖取樣，進(jìn)行室內(nèi)物理、力學(xué)性質(zhì)試驗，研究這類巖石的典型力學(xué)性質(zhì)。

2　現(xiàn)場工程地質(zhì)概況與取樣

2.1取樣點工程地質(zhì)概況

測試礦區(qū)位于錫林郭勒盟烏拉蓋管理區(qū)東北20 km，屬中生代侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)含煤構(gòu)造體系，賦存于受各級構(gòu)造控制的陸相含煤盆地中?？刹擅簩由疃确秶鷥?nèi)主要地層有二疊系包爾敖包組(P2bl)、侏羅系查干諾爾組(J3c)、道特諾爾組(J3dt)、布拉根哈達(dá)組(J3b l)，含煤地層為大磨拐河組(K1d)。各組間均為不整合或假整合接觸。含煤地層主要由細(xì)礫巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖和煤層組成，自上而下含第1—15煤層，巷道平均埋深244.45 m；其中第13煤層頂、底板巖性為泥巖和粉砂巖，頂、底板平均厚度分別為12.07 m和7.49 m，弱膠結(jié)泥巖的試驗巖樣就取自于該煤層的底板。煤系上覆地層為新近系(N2)、第四系(Q)風(fēng)成黃土、殘坡積物、沖洪積物及沼澤沉積物。

2.2現(xiàn)場取樣

通過在現(xiàn)場鉆取巖樣運輸?shù)綄嶒炇液?，按照試驗設(shè)計分批拆封加工、試驗。巖樣拆封后，經(jīng)切割→鉆芯→端面磨平加工后的巖樣如圖2所示。

圖2　弱膠結(jié)泥巖試件Fig.2　Photos of weakly cemented mudstone sample

3　三軸壓縮試驗與分析

3.1試驗設(shè)備與試驗方法

三軸壓縮試驗是目前測定巖石復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下變形特征的一種較為完善的室內(nèi)試驗方法，按照圍壓的不同，分為真三軸試驗(σ2≠σ3)和假三軸試驗(σ2=σ3)，本次試驗采用假三軸試驗方法。試驗設(shè)備采用山東科技大學(xué)自行研發(fā)的三軸試驗儀，如圖3所示。

圖3　三軸壓縮試驗設(shè)備

3.23種含水狀態(tài)的泥巖三軸強(qiáng)度特征

為了討論弱膠結(jié)泥巖的強(qiáng)度特征和含水率對其強(qiáng)度的影響，分別對飽和、天然和烘干3種含水狀態(tài)下的泥巖試件進(jìn)行不同側(cè)壓條件下的三軸壓縮試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

表1　3種狀態(tài)下泥巖試件在不同圍壓下的強(qiáng)度特征

通過試驗分析，得到如下弱膠結(jié)泥巖強(qiáng)度特征。

(1)該弱膠結(jié)泥巖強(qiáng)度很低，天然狀態(tài)下的單軸峰值抗壓強(qiáng)度(均值)為7.21 MPa，是同層位煤(單向抗壓強(qiáng)度15.08 MPa)的47.8%；殘余強(qiáng)度2.63 MPa為峰值強(qiáng)度的36.5%。由現(xiàn)場觀察以及巖石結(jié)構(gòu)組成分析該泥巖強(qiáng)度低的自身原因主要有2點：一是巖體質(zhì)量差，室內(nèi)測試件的平均天然重度為20.6 kN/m3，重度很低，而孔隙比并不高，平均值為0.967 5%。這表明，造成巖體質(zhì)量差的因素是成巖期短、埋藏淺、成巖壓力小、膠結(jié)差，而不是由巖體組構(gòu)缺陷造成；二是天然巖體富含水，該巖體天然含水率16.94%，飽和含水率17.06%，天然巖體含水接近飽和狀態(tài)。

由ADF檢驗可知，股價的ADF值大于0.10顯著水平的臨界值，故應(yīng)當(dāng)接受存在單位根假設(shè)，認(rèn)為股價是非平穩(wěn)序列，而一階差分后的序列，其ADF值小于0.01顯著水平下的臨界值，說明差分后的序列是平穩(wěn)的；同理，投資者情緒序列在0.1顯著水平下是平穩(wěn)的，一階差分后的序列在0.01顯著水平下是平穩(wěn)的。故股價和投資者情緒的一階差分序列是同階單整序列，說明投資者情緒和滬深300指數(shù)的波動是平穩(wěn)的。

(2)含水率升高會導(dǎo)致巖體強(qiáng)度迅速下降。由表1可知，泥巖試塊由天然狀態(tài)到飽和狀態(tài)，含水率只升高了0.12%，而試件的單軸抗壓峰值強(qiáng)度下降40%，殘余強(qiáng)度下降3.8%；先飽和后烘干，試件的單軸抗壓峰值強(qiáng)度提高202.3%，殘余強(qiáng)度提高291.3%。3種狀態(tài)下泥巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。

表2　3種含水狀態(tài)下弱膠結(jié)泥巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

(3)同一含水率狀態(tài)下，隨著圍壓增大，泥巖殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度相應(yīng)增大，二者比值也有增大趨勢，應(yīng)變軟化現(xiàn)象減弱。

(4)泥巖試件含水量狀態(tài)從飽和到烘干，含水量降低，峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度也相應(yīng)增大。

泥巖不同狀態(tài)下的峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系如圖4所示，從圖中可以看出，不同狀態(tài)下泥巖的峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系基本呈現(xiàn)對數(shù)變化趨勢。

圖4　峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系Fig.4　Relationship between peak strength and confining pressure

3種狀態(tài)下泥巖試件的峰值強(qiáng)度σmax與圍壓σ3的關(guān)系擬合結(jié)果為

(1)

從圖4可以看出，隨著圍壓增大，泥巖峰值抗壓強(qiáng)度值呈增大趨勢，但增大幅度逐漸減弱。低圍壓下，圍壓對泥巖抗壓強(qiáng)度影響較明顯；高圍壓下，曲線斜率逐漸趨近于0，圍壓對泥巖抗壓強(qiáng)度影響不大。

3.33種狀態(tài)下泥巖的軟化性隨圍壓的變化規(guī)律

巖石的軟化性是指巖石在水的作用下，強(qiáng)度和穩(wěn)定性發(fā)生變化的性質(zhì)。一般用軟化系數(shù)ξ來定量衡量，其計算式為

(2)

式中：Rc為天然或飽和含水狀態(tài)試件的單軸抗壓強(qiáng)度；Rg為烘干試件的單軸抗壓強(qiáng)度。

ξ越大，表示水對巖石的影響越小；ξ<0.75時，說明巖石軟化性較強(qiáng)，工程性質(zhì)較差。為便于分析，引入三軸軟化系數(shù)評價泥巖的軟化特征，三軸軟化指標(biāo)ξb可以表示為

(3)

式中：Rcb為天然或飽和含水狀態(tài)試件的三軸抗壓強(qiáng)度；Rgb為烘干試件的三軸抗壓強(qiáng)度。

將表1數(shù)據(jù)代入式(3)，得到不同含水狀態(tài)下泥巖的軟化系數(shù)隨圍壓的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5　軟化系數(shù)與圍壓的關(guān)系Fig.5　Relationship between softening coefficient and confining pressure

(1)泥巖的三軸軟化系數(shù)隨圍壓的增大總體呈現(xiàn)降低的趨勢，雖然峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨著圍壓增加而增加，但二者并不矛盾，軟巖軟化性反映了巖石內(nèi)部在圍壓和水作用下的結(jié)構(gòu)劣化，低圍壓時水的作用明顯，結(jié)構(gòu)劣化明顯，表現(xiàn)為軟化系數(shù)大；高圍壓時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化受到圍壓的限制，表現(xiàn)為軟化系數(shù)小，且隨著圍壓增加，圍壓對內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化的限制趨于穩(wěn)定，即軟化系數(shù)會趨于定值。

(2)隨著圍壓增大，以圍壓2 MPa為轉(zhuǎn)折點，曲線變平緩，略有抬升，說明高圍壓對三軸軟化系數(shù)影響不大。這主要是因為軟巖的抗壓強(qiáng)度與水和圍壓都有關(guān)系，在低圍壓時，水的影響更加顯著，軟化系數(shù)降低明顯，而在高圍壓時，圍壓的影響更加顯著，水的影響降低，所以軟化系數(shù)變化減小。

3.43種狀態(tài)下泥巖彈性模量與圍壓的關(guān)系

不同含水狀態(tài)下泥巖彈性模量隨圍壓變化規(guī)律如圖6所示。

圖6　彈性模量與圍壓的關(guān)系Fig.6　Relationship between elastic modulus and confining pressure

由圖6可看出：

(1)每一種狀態(tài)下泥巖彈性模量E隨圍壓的增大而呈現(xiàn)增大趨勢，使用線性回歸擬合，擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，呈現(xiàn)較好的線性變化規(guī)律，說明圍壓是泥巖試件變形特性中剛度增大的一個原因。

(2)從飽和到烘干狀態(tài)，隨圍壓的增大，彈性模量E總體呈現(xiàn)增大趨勢。低圍壓下，由于試件各向異性，不符合上述規(guī)律，但隨著圍壓增大，這種規(guī)律性越來越顯著，且相互之間彈性模量E的差值逐漸增大，說明圍壓的增大加劇了水對泥巖的軟化作用。

3.5泥巖的變形特征分析

泥巖3種狀態(tài)下相應(yīng)不同圍壓的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€如圖7所示。其中，ε1表示軸向應(yīng)變，ε3表示徑向應(yīng)變。3種不同含水量狀態(tài)下，當(dāng)泥巖抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值時相應(yīng)的應(yīng)變值如表3所示。

結(jié)合表3和圖7可以看出：

(1)由飽和到烘干，含水量遞減，泥巖達(dá)到峰值強(qiáng)度時軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變呈現(xiàn)增大趨勢。

(2)每種狀態(tài)下，隨圍壓增大，峰值強(qiáng)度時軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變均有增大趨勢。這主要是因為隨著含水量減少，泥巖試件抵抗塑性變形的能力增強(qiáng)，峰值強(qiáng)度也增大，所以相應(yīng)應(yīng)變值呈現(xiàn)增大的趨勢。

從應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀可以看出，泥巖三軸變形過程大致可以分為4個階段：節(jié)理裂隙壓密階段、彈性變形階段、非穩(wěn)定破裂階段和應(yīng)變軟化階段。目前，對于巖石的三軸抗壓強(qiáng)度還沒有精確的表達(dá)式。為了研究泥巖三軸狀態(tài)下的變形特性與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，有的學(xué)者將應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡化，用一個

圖7　3種狀態(tài)下泥巖試件三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

含水量狀態(tài)軸向應(yīng)變/%徑向應(yīng)變/%飽和0.50～0.600.14～0.30天然0.35～0.700.16～0.30烘干0.87～2.700.54～1.65

函數(shù)關(guān)系來描述。由于泥巖在成巖過程中區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、環(huán)境等差異性存在，使得泥巖應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系受多因素制約，這種單一的函數(shù)關(guān)系顯得相對理想化。飽和、天然、烘干代表了3個特殊的含水率，通過對這3種狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的觀察，其變化關(guān)系可以采用4階段函數(shù)進(jìn)行擬合，以泥巖天然狀態(tài)圍壓5 MPa下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為例，對變形過程進(jìn)行分析。

R2=0.989 2。

(2)彈性變形階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似直線，泥巖變形為彈性變形，彈性模量基本恒定，用胡克定律σ1=a+bε1來擬合，擬合結(jié)果為

σ1=-1.562+3 070ε1，R2=0.991 6。

(3)非穩(wěn)定破裂階段：泥巖進(jìn)入屈服點后產(chǎn)生不可逆的塑性變形，曲線逐漸成下凹形，斜率減小，初步顯示應(yīng)變軟化現(xiàn)象。原因為隨著試件內(nèi)部塑性變形加劇，新的裂隙產(chǎn)生，原生裂隙延伸擴(kuò)展，整體性削弱。用指數(shù)型對數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸擬合，擬合結(jié)果為

R2=0.973 9。

(4)應(yīng)變軟化階段：到達(dá)峰值強(qiáng)度之后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率為負(fù)值，隨著變形增大，應(yīng)力下降幅度逐漸減弱，試件依靠裂隙破裂成的碎塊之間的摩擦力承載，這部分強(qiáng)度稱為殘余強(qiáng)度。以往的研究表明，泥巖破壞時，沿某破裂面發(fā)生滑動最終處于殘余強(qiáng)度狀態(tài)。因此，殘余強(qiáng)度在實際工程應(yīng)用中具有重要地位。這里對峰值后的曲線進(jìn)行修改，峰值強(qiáng)度后曲線下凹段改成上凹形，重點突出曲線平直段，用負(fù)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸擬合，擬合結(jié)果為

根據(jù)上述擬合關(guān)系，以天然狀態(tài)圍壓5 MPa進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8　驗證曲線Fig.8　Verification curve

根據(jù)圖8曲線，上述擬合關(guān)系可以較好地反映軟巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，且應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的擬合表達(dá)式簡單，便于程序應(yīng)用。

4　結(jié)　論

本文以內(nèi)蒙古魯新煤礦典型弱膠結(jié)泥巖為研究對象，通過現(xiàn)場取樣進(jìn)行室內(nèi)三軸壓縮試驗，分析了弱膠結(jié)泥巖的三軸壓縮強(qiáng)度特征和變形規(guī)律，得到如下主要結(jié)論。

(1)在泥巖強(qiáng)度特征方面：天然狀態(tài)下的弱膠結(jié)泥巖由于膠結(jié)差、巖石自身質(zhì)量差等因素，其強(qiáng)度非常低，單軸抗壓強(qiáng)度低于相近煤巖強(qiáng)度；含水率的增加導(dǎo)致泥巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均降低；3種狀態(tài)下泥巖的峰值強(qiáng)度與圍壓呈對數(shù)變化規(guī)律。

(2)在弱膠結(jié)泥巖的軟化特征方面通過引入三軸軟化系數(shù)，分析了泥巖的軟化系數(shù)與圍壓的關(guān)系，結(jié)果表明泥巖的軟化系數(shù)隨圍壓增加而下降，圍壓低于2 MPa時，軟化系數(shù)隨圍壓增加迅速下降，圍壓高于2 MPa時，變化趨緩。

(3)在泥巖的彈性模量變化特征分析方面，通過對比3種狀態(tài)下泥巖的彈性模量與圍壓的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)泥巖的彈性模量隨圍壓增加而線性增加。

(4)通過分析泥巖3種狀態(tài)下三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將泥巖的三軸壓縮變形過程分為4個階段，并對3個階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了擬合分析，建立了泥巖變形全過程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

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(編輯：黃玲)

Triaxial Compression Test Analysis of Weakly Cemented Mudstone in West China

WANG Lei,LI Zu-yong

(College of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology， Xi’an710054，China)

In order to solve the roadway support problem of weakly cemented soft rock in west China,we collected typical weakly cemented mudstone samples in Luxin coal mine in Inner Mongolia,and conducted indoor triaxial compression test on the soft rock at different states (natural state,saturation state,dry state)under different stress levels.We analyzed the relations of strength characteristics,fundamental mechanical indexes vs.confining pressure.The results are as follows:firstly,the peak strength and residual strength of weakly cemented mudstone are very low under natural condition.With the increasing confining pressure,the peak strength and residual strength of mudstone both have a larger increase,and the relationship between peak strength and confining pressure is logarithmic.Secondly,as mudstone is very sensitive to water,peak strength and residual strength decreases with the increasing moisture content,while peak strength decreases more significantly.Thirdly，softening coefficient decreases with the increasing confining pressure,and the elastic moduli of mudstone under three different states increase linearly with the increasing confining pressure.Lastly,we established the triaxial compression stress-strain relationship by analyzing the four-stage triaxial compression stress-strain fitting curve of mudstone.

weakly cemented mudstone; triaxial compression test; stress-strain curve; deformation characteristic；peak strength；residual strength

2015-12-28；

2016-03-04

國家自然科學(xué)基金項目(51404193)；中國博士后基金面上項目(2015M572581)；陜西省自然科學(xué)基金青年人才項目(S2015YFJQ1194)

王磊(1982-)，男，山東日照人，講師，博士后，主要從事巖體力學(xué)理論與工程應(yīng)用方面的研究，(電話)13772166177(電子信箱)wls3016@163.com。

10.11988/ckyyb.201511162016,33(08):86-90，95

TD313

A

1001-5485(2016)08-0086-05