趙全滿, 張洪亮, 高江平, 周 浩
(1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院, 濟南 250101; 2.長安大學(xué)公路學(xué)院, 西安 710064)
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CRCP沖斷區(qū)域后續(xù)開裂及影響因素分析
趙全滿1,2, 張洪亮2, 高江平2, 周浩1
(1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院, 濟南250101; 2.長安大學(xué)公路學(xué)院, 西安710064)
為了對沖斷區(qū)域后續(xù)開裂產(chǎn)生原因及影響因素進行研究,首先考慮水泥混凝土細觀上是由膠凝材料、集料及其界面組成的非均勻材料,采用PFC2D軟件從細觀尺度上進行水泥混凝土抗壓強度和彎拉強度數(shù)值模擬試驗,得到水泥混凝土的彈性模量和彎拉強度;然后考慮連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)沖斷區(qū)域特點,利用有限元軟件建立CRCP宏觀受力分析模型,結(jié)合混凝土細觀研究所得彈性模量和彎拉強度,對車輛荷載、濕度梯度和溫度梯度作用下的沖斷區(qū)域路面板后續(xù)開裂進行研究;最后分析水泥混凝土細觀結(jié)構(gòu)組成參數(shù)和宏觀影響因素對沖斷區(qū)域后續(xù)開裂的影響. 研究結(jié)果表明:水泥摻量、水泥強度及集料和膠凝材料界面剛度對沖斷區(qū)域路面板后續(xù)開裂影響較大,車輛超載和板底脫空是沖斷區(qū)域路面板后續(xù)開裂的主要原因.
道路工程; 連續(xù)配筋混凝土路面; 沖斷; 兩尺度; 離散元; 有限元; 后續(xù)開裂; 影響因素
連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)具有使用壽命長、養(yǎng)護費用低及行車舒適性高等優(yōu)點,在國外已大量應(yīng)用于機場和干線道路上,具有良好的應(yīng)用前景. CRCP的主要病害形式是沖斷,沖斷是指由間距很小(小于0.6 m)的2個橫向裂縫與路面邊緣(或縱向裂縫)和縱向裂縫所圍成的區(qū)域,AASHTO 2002設(shè)計指南將沖斷作為CRCP的基本設(shè)計指標之一[1].
沖斷區(qū)域形成初期時,路面平整度狀況良好,對行車舒適性影響不大,隨著外部荷載的不斷作用,沖斷區(qū)域出現(xiàn)后續(xù)開裂及混凝土剝落,嚴重影響行車舒適性,需要對路面進行適當(dāng)維修. 但目前對于沖斷區(qū)域的后續(xù)開裂問題研究甚少.
CRCP的使用性能受混凝土影響極大,從細觀尺度上考慮,水泥混凝土是由膠凝材料、集料及其界面組成的復(fù)合材料,細觀結(jié)構(gòu)組成決定了宏觀力學(xué)性能. 離散軟件PFC2D是將材料離散化的一種軟件,通過材料細觀組成結(jié)構(gòu)(離散化的圓形顆粒體)的相互作用體現(xiàn)材料的宏觀力學(xué)特性. 國內(nèi)外已有不少學(xué)者利用離散元方法從細觀尺度對瀝青混凝土的黏彈性特性[2-3]、蠕變特性[4-6]、間接拉伸強度[7-8]、路面疲勞損傷性能[9]等方面進行了研究;陳俊等[10]運用離散元軟件進行了瀝青混凝土小梁彎曲試驗,對混凝土的斷裂機理進行了研究;蔣瑋等[11]利用離散元軟件對級配不同但孔隙率接近的PAC- 13進行了CBR虛擬試驗,對瀝青混合料級配進行了比選和優(yōu)化. 可見,采用離散元軟件對混凝土進行數(shù)值模擬試驗是可行的.
宏觀尺度上,水泥混凝土可被視為均一材料,其受力可用彈性力學(xué)方法進行求解(大多數(shù)理論分析中均將混凝土視為彈性體). 彈性力學(xué)中,多采用薄板理論對CRCP進行受力分析,但沖斷區(qū)域板厚與板塊尺寸相差不大,采用傳統(tǒng)的小撓度薄板理論對CRCP進行受力分析顯然不太合理,同時,裂縫的存在使沖斷區(qū)域受力的解析解很難得到. 而有限元方法是一種發(fā)展比較完善的數(shù)值計算方法[12],本文擬采用有限元方法對荷載作用下沖斷區(qū)域后續(xù)開裂問題進行研究.
另一方面,CRCP在車輛荷載和外部環(huán)境的不斷影響下,其彈性模量、彎拉強度等宏觀力學(xué)性能必然逐漸衰退,進而加速路面的破壞. 但是,現(xiàn)有有限元方法和理論方法多將水泥混凝土宏觀力學(xué)參數(shù)視為固定值,忽略了混凝土力學(xué)性能衰減對路面受力及破壞的影響. 而且,沖斷區(qū)域與正常路段相比,具有邊界條件特殊、尺寸小、易形成板底脫空及沖擊荷載等特點. 因而,本文采用離散元PFC2D軟件從細觀尺度上進行混凝土彎拉強度和抗壓強度數(shù)值模擬試驗,代替室內(nèi)試驗得到混凝土彈性模量和彎拉強度,將彈性模量用于CRCP路面有限元建模,彎拉強度用于與沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力對比分析其是否開裂. 然后建立CRCP沖斷區(qū)域有限元模型,建模時充分考慮其周邊裂縫的存在,分析其在車輛荷載、濕度梯度和溫度梯度作用下的受力狀態(tài). 最后,分析宏、細觀參數(shù)對沖斷區(qū)域后續(xù)開裂的影響.
進行的數(shù)值模擬試驗包括抗壓強度和彎拉強度試驗. 但在進行數(shù)值模擬試驗前,首先應(yīng)當(dāng)知道混凝土的材料組成,才能得到與實際情況相符的水泥混凝土數(shù)值模擬試件. 因而,在進行數(shù)值模擬之前,進行了抗壓強度和彎拉強度室內(nèi)試驗.
試驗時配制的混凝土強度等級為C40,根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》中混凝土配合比的計算方法,計算所得每立方米水泥混凝土中砂、粗集料、水泥和水的用量分別為596、1 211、398、195 kg,粗集料中5~10 mm擋料和10~20 mm擋料的比例為3∶7.
首先,按照上述級配成型10 cm×10 cm×40 cm和15 cm×15 cm×15 cm兩組試件,每組3個;然后,將所有試件放在養(yǎng)生室養(yǎng)生28 d;最后,對2組試件分別進行彎拉強度和抗壓強度室內(nèi)試驗,試驗所得彎拉強度和抗壓強度分別為4.76、38.7 MPa. 將所得室內(nèi)試驗結(jié)果與數(shù)值模擬試驗結(jié)果進行對比,驗證數(shù)值模擬試驗的可行性,其中數(shù)值模擬試驗所用級配與室內(nèi)試驗相同.
1.1抗壓強度細觀數(shù)值模擬試驗
進行水泥混凝土抗壓強度數(shù)值模擬試驗時,首先應(yīng)按照室內(nèi)試驗的級配生成模型試件,然后對生成顆粒賦予參數(shù)以模擬膠凝材料的黏結(jié)作用,最后對生成試件進行加載以模擬抗壓強度試驗.
1.1.1模型的建立
1) 模型參數(shù)
在離散元軟件PFC2D中,材料的宏觀力學(xué)參數(shù)是由細觀顆粒間的相互作用決定,但細觀參數(shù)無法通過宏觀力學(xué)試驗獲得,需要不斷調(diào)試獲得. 參考相應(yīng)文獻[3]中的模型參數(shù),經(jīng)過調(diào)試后推薦模型參數(shù)見表1.
表1 文獻中模型參數(shù)推薦值
2) 試件的生成
按照室內(nèi)試驗的級配生成數(shù)值試件,用半徑為4.750~9.500 mm和2.375~4.750 mm的顆粒分別模擬9.50~19.00 mm和4.75~9.50 mm兩檔集料,用半徑為0.5~1.0 mm的顆粒模擬膠凝材料和砂,生成試件大小為15 cm×15 cm,用平行黏結(jié)模型模擬膠凝材料的黏結(jié)特性,生成試件見圖1,平均不平衡力監(jiān)測結(jié)果見圖2. 由圖2可知,平均不平衡力接近于零,模型達到平衡,此時可對試件進行加載.
1.1.2試驗結(jié)果
加載時,通過伺服機制控制墻體的速度對試件進行加載,加載所得應(yīng)力- 應(yīng)變曲線見圖3. 由圖可得,混凝土抗壓強度為38.0 MPa,彈性模量為29.4 GPa.
1.1.3混凝土不同強度等級下的細觀參數(shù)推薦值
數(shù)值模擬試驗時顆粒間細觀參數(shù)不同則抗壓強度亦不同,因而可通過改變細觀參數(shù)改變混凝土的抗壓強度. 在離散元中,顆粒及顆粒間相互作用的細觀參數(shù)必須進行標定,本文參考相應(yīng)文獻進行了大量的混凝土抗壓強度標定試驗,給出水泥混凝土不同強度等級下的細觀參數(shù)推薦值,如表2所示. 考慮到集料的模量在20 GPa左右,因而標定時顆粒剛度不變. 推薦值可作為彎拉強度數(shù)值模擬試驗的細觀參數(shù).
表2 模擬試驗所得混凝土細觀參數(shù)推薦值
1.2彎拉強度細觀數(shù)值模擬試驗
以表1中給出的細觀參數(shù)為基礎(chǔ),進行水泥混凝土彎拉強度數(shù)值模擬試驗,得到水泥混凝土的彎拉強度.
1.2.1彎拉強度試驗?zāi)P?/p>
進行彎拉強度數(shù)值模擬試驗時,顆粒的生成、級配、模型基本參數(shù)等與抗壓強度數(shù)值模擬試驗相同,試件大小為10 cm×40 cm. 加載時,采用墻體控制應(yīng)變的方式,建立的模型見圖4,達到平衡后對試件進行加載.
1.2.2試驗結(jié)果及分析
對生成的試件采用控制墻體速度的方式進行加載,得到的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線見圖5. 由圖可知,試件的彎拉強度為4.89 MPa. 由抗壓強度模擬試驗可知,其抗壓強度為38.0 MPa,對于強度為38.0 MPa的水泥混凝土,其彎拉強度一般為4.5~5.0 MPa,同種級配下室內(nèi)試驗所得抗壓強度和彎拉強度分別為38.7 MPa和4.76 MPa,可見數(shù)值模擬試驗是十分可信的.
1.3基于離散元的水泥混凝土彈性模量和彎拉強度推薦值
以表2所得細觀參數(shù)為基礎(chǔ),分別進行抗壓強度和彎拉強度數(shù)值模擬試驗,所得彈性模量和彎拉強度見表3(路用混凝土的強度等級一般在C40以上,考慮水泥混凝土強度隨時間的衰減,僅給出C20以上混凝土的彈性模量和彎拉強度).
2.1模型的參數(shù)及建立
采用有限元軟件ABAQUS對CRCP沖斷區(qū)域進行受力分析,受力分析時施加荷載為標準軸載100 kN,輪胎胎壓為707 kPa,輪胎加載模型見圖6[13].
表3水泥混凝土彈性模量和彎拉強度推薦值
Table 3Recommendation value of elasticity modulus and flexural strength for cement concrete
面層采用C40水泥混凝土,由離散元細觀數(shù)值模擬試驗可知,有限元模型參數(shù)為:彈性模量29.8 GPa,密度2 400 kg/m3,泊松比0.15,熱膨脹系數(shù)1×10-5/℃,溫度梯度50 ℃/m,彎拉強度4.95 MPa;基層彈性模量300 MPa,泊松比0.25;路基回彈模量54 MPa,泊松比0.35;面層與基層間的摩阻系數(shù)0.5,裂縫傳荷系數(shù)50%,路肩與路面間的傳荷系數(shù)30%[13];沖斷區(qū)域為正方形,邊長為0.6 m,位于路面邊緣處.
有限元模擬時,路面結(jié)構(gòu)包括面層、基層和路基,面層長、寬、厚分別為5.0、4.0、0.2 m,基層長、寬、厚分別為10.00、10.00、0.15 m,路基長、寬、厚分別為10、10、6 m. 面層、基層和路基四周受水平約束,路基底部為固定約束[14]. 沖斷區(qū)域位于路面邊緣,由2條橫向裂縫、1條縱向裂縫和路面邊緣圍成,假定裂縫已貫穿整個路面厚度,并近似為直線,用縱、橫向彈簧模擬裂縫的傳荷能力,參考相關(guān)文獻計算彈簧剛度[13],鋼筋模擬時用等效厚度的方法將
鋼筋等效成一定厚度的混凝土[13].
2.2沖斷區(qū)域受力分析
進行沖斷區(qū)域受力分析時,考慮車輛荷載、濕度梯度、溫度梯度的綜合作用(計算時溫度梯度在路面厚度內(nèi)的分布近似為線性,將濕度梯度換算成溫度梯度[13]),荷載作用位置為沖斷區(qū)域縱向邊緣中部,計算所得沖斷區(qū)域彎拉應(yīng)力云圖見圖7(為清晰顯示沖斷區(qū)域受力狀態(tài),只顯示沖斷區(qū)域,路面其余部分隱去). 由圖可知,在車輛荷載、濕度梯度和溫度梯度綜合作用下沖斷區(qū)域板底受拉,板頂受壓,最大彎拉應(yīng)力為1.52 MPa,彎拉強度為4.95 MPa,在車輛的重復(fù)荷載作用下發(fā)生疲勞斷裂.
3.1水泥混凝土細觀組成參數(shù)對沖斷區(qū)域后續(xù)開裂的影響
集料特性、水泥強度、水泥摻量、孔隙率等對混凝土的宏觀力學(xué)特性有較大的影響. 反映到離散元中,可用平行黏結(jié)模型表征混凝土的一些細觀特性:平行黏結(jié)半徑代表著水泥摻量,平行黏結(jié)強度代表著水泥強度大小,平行黏結(jié)剛度代表著膠凝材料和集料黏結(jié)界面的剛度,顆粒摩擦系數(shù)代表著集料表面粗糙程度,孔隙率代表著混凝土試件的孔隙狀況. 在具體分析某個細觀參數(shù)對沖斷區(qū)域后續(xù)開裂的影響時,保持其余參數(shù)不變,改變該參數(shù),通過離散元抗壓強度和彎拉強度細觀數(shù)值模擬試驗所得混凝土抗壓強度、彈性模量和彎拉強度,以及通過有限元計算所得板底彎拉應(yīng)力見表4.
表4 細觀參數(shù)對沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力的影響
由表4可以看出:
1) 隨著混凝土中水泥摻量的減少(平行黏結(jié)半徑從0.6減小為0.3時),荷載作用下沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力減小5.2%,但混凝土彎拉強度減小29.4%. 可見,減小水泥摻量導(dǎo)致沖斷區(qū)域在荷載作用下更易開裂.
2) 隨著混凝土中水泥強度的降低(平行黏結(jié)強度從700 MPa/m減小為400 MPa/m時),荷載作用下沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力基本不變,但混凝土彎拉強度減小43.8%. 可見,水泥強度的降低使沖斷區(qū)域在外荷載作用下更易開裂.
3) 隨著混凝土中集料和膠凝材料界面剛度的降低(平行黏結(jié)剛度從7 000 GN/m減小為4 000 GN/m時),荷載作用下沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力減小3.3%,但混凝土彎拉強度減小18.1%. 可見,集料和膠凝材料界面剛度的降低使沖斷區(qū)域在外荷載作用下更易開裂.
4) 隨著混凝土中集料粗糙度的降低(摩擦系數(shù)從0.8減小為0.2時),沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力及彎拉強度變化不大,集料粗糙度對沖斷區(qū)域在外部荷載作用下的開裂影響不大.
5) 隨著孔隙率的降低(孔隙率由0.14減小到0.08時),沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力及彎拉強度變化不大. 可見,混凝土孔隙率對沖斷區(qū)域后續(xù)開裂影響不大.
3.2宏觀影響因素對沖斷區(qū)域開裂的影響
沖斷區(qū)域后續(xù)開裂受一些宏觀因素的影響,包括基層類型、板底脫空、面層強度、沖斷區(qū)域尺寸、沖擊荷載、裂縫處傳荷能力等. 相關(guān)文獻[15-16]已經(jīng)證明,隨著面層厚度和基層厚度的增加,路面板底彎拉應(yīng)力逐漸減小,因而本文不再對其進行分析,相關(guān)影響因素及改變宏觀參數(shù)所得板底彎拉應(yīng)力見表5.
表5 宏觀參數(shù)對沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力的影響
由表5可以看出:
1) 當(dāng)沖斷區(qū)域板底脫空尺寸從0 m增加為0.6 m時,沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力增加了148.7%,分析可知,對于C40水泥混凝土其彎拉強度為4.95 MPa,可見在板底脫空后沖斷區(qū)域極易在一次重載作用下發(fā)生斷裂.
2) 基層模量增加時,板底縱向彎拉應(yīng)力先減小后增加,板底橫向彎拉應(yīng)力逐漸減小,分析原因主要是因為路肩處傳荷系數(shù)小于裂縫處傳荷系數(shù),當(dāng)基層模量較大時,板底縱向彎拉應(yīng)力明顯大于板底橫向彎拉應(yīng)力,沖斷區(qū)域以產(chǎn)生橫向裂縫為主.
3) 當(dāng)路基模量從30 MPa增加為200 MPa時,板底縱向彎拉應(yīng)力減小了51.5%. 可見,穩(wěn)定的路基對減小沖斷區(qū)域后續(xù)開裂影響很大.
4) 混凝土強度衰減時往往伴隨著混凝土模量的降低,由表5可知:混凝土模量減小時,沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力變化不大. 但由表3可知,面層模量為29.8 GPa和21.8 GPa對應(yīng)混凝土彎拉強度分別為4.95 MPa和3.11 MPa. 可見,混凝土強度衰減對路面受力影響不大,但混凝土本身強度的衰減將導(dǎo)致沖斷區(qū)域板底更易開裂.
5) 當(dāng)沖斷區(qū)域尺寸從0.4 m增加為0.8 m時,板底縱向和橫向彎拉應(yīng)力分別增加了13.6%和12.9%. 可見,更大尺寸的沖斷區(qū)域更易產(chǎn)生二次開裂.
6) 當(dāng)荷載從80 kN增加為160 kN時,沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力增加了97.6%,可見較大的荷載是沖斷區(qū)域二次開裂的重要原因.
7) 隨著基層摩阻系數(shù)的增加,板底縱向彎拉應(yīng)力減小緩慢,但橫向彎拉應(yīng)力減小較快,分析原因主要是由于沖斷區(qū)域尺寸及所處位置導(dǎo)致的. 摩阻系數(shù)對沖斷區(qū)域二次開裂影響較大,合適的摩阻系數(shù)可有效減少沖斷區(qū)域路面的開裂.
8) 當(dāng)傳荷系數(shù)降低時,沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力反而減少,通過分析發(fā)現(xiàn)沖斷區(qū)域的Mise應(yīng)力明顯增加,此時沖斷區(qū)域以受壓為主,彎拉應(yīng)力較小. 同時,裂縫傳荷能力降低時,在外荷載作用下沖斷區(qū)域會產(chǎn)生較大的變形,導(dǎo)致基層變形過大,產(chǎn)生脫空,加之路面不平整使車輛經(jīng)過時產(chǎn)生沖擊荷載,導(dǎo)致沖斷區(qū)域路面更易開裂.
1) 對水泥混凝土抗壓強度和彎拉強度細觀數(shù)值進行了模擬試驗發(fā)現(xiàn):隨著加載墻體位移的增加,試件內(nèi)部應(yīng)力逐漸增加,當(dāng)達到試件抗壓強度或彎拉強度時,試件內(nèi)部應(yīng)力迅速降低. 通過模擬可知,混凝土抗壓強度、彈性模量和彎拉強度分別為38.0 MPa、29.4 GPa和4.89 MPa.
2) 在車輛荷載、濕度梯度和溫度梯度綜合作用下,CRCP沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力為1.52 MPa,與其彎拉強度4.95 MPa單位相當(dāng),在車輛的重復(fù)荷載作用下易發(fā)生疲勞斷裂.
3) 對水泥混凝土細觀組成參數(shù)對沖斷區(qū)域路面板開裂的影響進行了研究發(fā)現(xiàn):水泥強度、水泥摻量及膠凝材料和集料界面剛度對沖斷區(qū)域路面板的開裂影響較大,混凝土孔隙率及集料粗糙度對沖斷區(qū)域路面板的開裂影響不大. 因而在路面設(shè)計時,選擇合適的水泥摻量、高強度水泥及潔凈的集料十分重要.
4) 對宏觀影響因素對沖斷區(qū)域路面板斷裂的影響進行了分析發(fā)現(xiàn):隨著車輛荷載和板底脫空的增加,沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力迅速增加,車輛超載和板底脫空是沖斷區(qū)域路面開裂的主要原因;隨著沖斷區(qū)域尺寸的增加,板底彎拉應(yīng)力逐漸增加,較大尺寸的沖斷區(qū)域更易發(fā)生二次開裂;隨著路基模量的增加,板底彎拉應(yīng)力逐漸減小,穩(wěn)定的路基可有效減少沖斷區(qū)域路面板的二次開裂;混凝土強度的衰減、裂縫處傳荷系數(shù)的降低,加快了沖斷區(qū)域路面板的斷裂.
5) 本文在對水泥混凝土進行離散元細觀數(shù)值模擬試驗時采用的是二維模型,與三維實體存在一定的差別,建議在以后的研究中建立三維模型對混凝土性能進行研究. 同時,路面受力分析時使用的荷載為靜載,可考慮使用動載對CRCP沖斷區(qū)域進行受力分析.
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(責(zé)任編輯鄭筱梅)
Analysis of Subsequent Cracking of CRCP Punch-out Area and Influence Factors
ZHAO Quanman1,2, ZHANG Hongliang2, GAO Jiangping2, ZHOU Hao1
(1.School of Transportation Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China;2.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)
In order to study the reasons and influence factors of subsequent cracking in punch-out areas, cement concrete which is constituted by cementing materials, aggregates and their interfaces were taken into consideration. Firstly, compressive strength test and flexural tensile strength test in meso-scale were simulated by using PFC2D software, and elastic modulus and flexural tensile strength were obtained. Secondly, considering the characteristics of continuously reinforced concrete pavement (CRCP) punch-out area and combining the elastic modulus and flexural tensile strength which were obtained from compressive strength test and flexural tensile strength test, the mechanics model of CRCP in macro-scale was established by the finite element method software and the subsequent cracking of CRCP punch-out area under vehicle load, temperature and moisture gradient was analyzed. Lastly, influence factors of the constitution factors of concrete in meso-scale and pavement factors in macro-scale on subsequent cracking of CRCP punch-out area were analyzed.The results based on the study of two scale model for macro-scale and meso-scale indicate that cement content, cement strength and interface stiffness of aggregate and cementing materials have large influence on subsequent cracking of CRCP punch-out area, vehicle overload and void at the bottom of pavement are the main reasons for subsequent cracking of CRCP punch-out area.
road engineering; continuously reinforced concrete pavement (CRCP); punch-out; two scale; discrete element method; finite element method; subsequent cracking; influence factors
2015- 10- 23
中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(CHD2011ZD010)
趙全滿(1987—), 男, 講師,主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究,E-mail:bestcupid@163.com
U 416
A
0254-0037(2016)05-0753-09
10.11936/bjutxb2015100068