非飽和膨潤(rùn)土的基本性能研究

黃雪峰，方 晟，周俊鵬

(后勤工程學(xué)院 a.軍事土木工程系; b.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401311)

非飽和膨潤(rùn)土的基本性能研究

黃雪峰a,b，方 晟a,b，周俊鵬a,b

(后勤工程學(xué)院 a.軍事土木工程系; b.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401311)

高放廢物深地質(zhì)處置庫(kù)中熱-水-力環(huán)境復(fù)雜多變，且非飽和膨潤(rùn)土滲水滲氣及其土-水特征曲線又受到基質(zhì)吸力、溫度、含水率、干密度、孔隙比等因素的影響，因此研究非飽和膨潤(rùn)土的滲水滲氣及其土-水特征曲線具有重要的意義。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和成果的基礎(chǔ)上，提出了考慮體積含水率、體積含氣率對(duì)非飽和膨潤(rùn)土的滲水滲氣及其土-水特征曲線影響的思路。

非飽和；滲透系數(shù)；土-水特征曲線；體積含水率；體積含氣率

自1951年12月美國(guó)實(shí)驗(yàn)增殖堆1號(hào)(EBR-1)首次利用核能發(fā)電以來(lái)，世界核電至今已有60多年的發(fā)展歷史。在當(dāng)今世界，全球的供電量有10%來(lái)自于核能發(fā)電。作為新能源的代表，核電在能源保障、環(huán)境改善方面都做出了巨大的貢獻(xiàn)，但隨之也產(chǎn)生了大量的核廢料[1]。核廢料是一種放射性強(qiáng)、射線危害大、核素半衰期長(zhǎng)且發(fā)熱的特殊廢料，因此如何安全、永久地處理核廢料已迫在眉睫[2]。深地質(zhì)處置是一種采用多重工程屏障系統(tǒng)，將核廢物埋至距地表深500～1 000 m，是國(guó)際上普遍采用的核廢物處置方法[3]。緩沖/回填材料是多重工程屏障系統(tǒng)中重要的一環(huán)，在應(yīng)用中應(yīng)該滿足低透水性、良好的膨脹性、穩(wěn)定性、耐輻射性等要求[4]。國(guó)內(nèi)外大量的試驗(yàn)研究表明，膨潤(rùn)土是良好的緩沖/回填材料[5]。我國(guó)則確定內(nèi)蒙古高廟子膨潤(rùn)土為首選的緩沖/回填材料。

高放廢物作為一種特殊廢料，在放置過(guò)程會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題，例如在存放過(guò)程中高放廢物的熱量釋放會(huì)使緩沖/回填材料中的膨潤(rùn)土的溫度達(dá)到100 ℃乃至更高[6]。在圍巖應(yīng)力、溫度的影響下將會(huì)導(dǎo)致處置庫(kù)周?chē)木彌_/回填材料產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力[7]。由于屏障系統(tǒng)在施工中會(huì)采用原位壓實(shí)法或塊體安裝法，而這2種方法都會(huì)導(dǎo)致膨潤(rùn)土失水，但在施工結(jié)束后，膨潤(rùn)土又會(huì)因?yàn)榈叵滤膹?fù)位逐漸吸水膨脹[8]，在此增減濕過(guò)程中，膨潤(rùn)土的力學(xué)特性會(huì)發(fā)生改變。綜上，在受到溫度、力、水3個(gè)因素的耦合作用下，膨潤(rùn)土的滲水系數(shù)、滲氣系數(shù)和土-水特征曲線都將發(fā)生變化[9-10]。不僅如此，隨著時(shí)間的推移，鋼制廢料罐發(fā)生銹蝕、水受輻射分解以及生物作用等都將產(chǎn)生有輻射性的有害氣體[11]，從而給整個(gè)工程屏障系統(tǒng)的穩(wěn)定性、整體性以及安全性帶來(lái)不可預(yù)估的危害[12]。此時(shí)滲透系數(shù)滿足低滲透性及限制核素遷移的要求，是保證地質(zhì)處置庫(kù)長(zhǎng)期安全服役的前提[13]。因此對(duì)非飽和膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)及土-水特征曲線的研究具有重大的意義。

1 非飽和膨潤(rùn)土滲水系數(shù)的影響因素

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用瞬時(shí)截面法[14]、穩(wěn)態(tài)法[15-16]、空氣過(guò)壓法[17]對(duì)非飽和膨潤(rùn)土的滲水系數(shù)做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力、孔隙比、干密度、溫度、體積含水率等對(duì)非飽和膨潤(rùn)土的滲水系數(shù)均有影響[18-19]。

葉為民等[20]得出，在側(cè)限狀態(tài)下，土中吸力存在一個(gè)臨界值，大小約為68 MPa，當(dāng)吸力為68 MPa時(shí)，非飽和滲透系數(shù)最?。划?dāng)吸力大于68 MPa時(shí)，非飽和滲透系數(shù)隨著吸力的增加而增加；而當(dāng)吸力小于68 MPa時(shí)，非飽和滲透系數(shù)隨著吸力的增加而減小，存在一個(gè)吸力臨界應(yīng)力值。Loiseau等[21]通過(guò)在側(cè)限條件下Kunigel黏土和石英砂混合物的非飽和滲透試驗(yàn)，得出了側(cè)限和無(wú)側(cè)限條件下膨潤(rùn)土的膨脹形式不同的結(jié)論。這導(dǎo)致了無(wú)側(cè)限狀態(tài)下的滲透系數(shù)大于側(cè)限狀態(tài)下的滲透系數(shù)，且兩者的滲透系數(shù)隨吸力變化的趨勢(shì)也不同。

非飽和膨潤(rùn)土的滲水系數(shù)也會(huì)受到溫度的影響，Pusch等[22]發(fā)現(xiàn)高壓實(shí)膨潤(rùn)土在20 ℃和 70 ℃下的滲透性隨溫度的升高而增大。Wen等[23]發(fā)現(xiàn)在25 ℃下，干密度為1.6 g/cm3的高廟子膨潤(rùn)土的飽和滲透系數(shù)為1.94×10-13m/s。崔玉軍[12]則從氣相水遷移的角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)溫度通過(guò)對(duì)氣相的影響來(lái)影響膨潤(rùn)土的飽和過(guò)程。他還指出水的黏度對(duì)于膨潤(rùn)土的滲水也有影響，而水的黏度隨溫度和吸力的變化而變化，因此當(dāng)在高吸力下，溫度對(duì)于水的黏度影響更大，進(jìn)而更能影響膨潤(rùn)土的滲水率。在任意溫度下，非飽和滲水率都略低于水化第一階段，隨著水化的進(jìn)行，滲透系數(shù)逐漸變成常數(shù)。

部分學(xué)者在膨潤(rùn)土中添加砂/黏土來(lái)解決膨潤(rùn)土熱導(dǎo)性差、塑性高等問(wèn)題。Xu等[24]研究發(fā)現(xiàn)砂-膨潤(rùn)土/黏土混合物存在最佳摻量(Copt)，并建立了以膨潤(rùn)土/黏土含量變化為參數(shù)的方程用來(lái)計(jì)算滲透系數(shù)。陳永貴等[25]在膨潤(rùn)土-石英砂混合物試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)最優(yōu)比，當(dāng)膨潤(rùn)土含量超過(guò)最優(yōu)比時(shí)，混合物的滲透性基本不變；他們還發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土-石英砂混合物在最優(yōu)含水量下的滲透系數(shù)最低，當(dāng)干密度越大，膨潤(rùn)土-石英砂混合物滲水系數(shù)也就越低。Wen[24]和Ye[21]也認(rèn)為干密度越大，非飽和膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)越小。

曹勝飛[26]則通過(guò)常規(guī)變水頭滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水頭高度越高、時(shí)間間隔越長(zhǎng)時(shí)，滲透速度和滲透系數(shù)的比值也越大。Klaus等[27]發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土中滲水規(guī)律符合Fick定律，通過(guò)數(shù)學(xué)公式優(yōu)化，得到一個(gè)以蒸汽擴(kuò)散為孔隙水主要傳輸方式的平衡方程，用來(lái)描述土體的兩相流。牛文杰等[7]利用MIP試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)，得到膨潤(rùn)土的非飽和滲透系數(shù)在1.0×10-14m/s左右，發(fā)現(xiàn)孔隙比、體積應(yīng)變隨著吸力的減小而增大。牛文杰等[28]提出了膨潤(rùn)土作為一種納米材料，在水化過(guò)程中孔隙分布將會(huì)產(chǎn)生變化；結(jié)合Kozeny-Carman的多孔半經(jīng)驗(yàn)公式，提出了考慮微結(jié)構(gòu)的非飽和膨潤(rùn)土滲水系數(shù)的公式，建立了相對(duì)滲透系數(shù)的模型。何俊等[29]依據(jù)Poiseuille定律，利用SEM電鏡試驗(yàn)對(duì)土工合成黏土襯墊的飽和滲透系數(shù)進(jìn)行了研究，得到了在孔隙比變化條件下的飽和膨潤(rùn)土滲透系數(shù)計(jì)算方法。

上述對(duì)于非飽和膨潤(rùn)土滲水系數(shù)的研究主要集中在吸力、干密度、溫度以及微觀分析上，從體積含水率來(lái)對(duì)非飽和膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)研究較少。而體積含水率作為非飽和膨潤(rùn)土滲透系數(shù)的重要參數(shù)，對(duì)非飽和膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)的影響較大，但其微觀結(jié)構(gòu)的研究和本構(gòu)模型的建立相對(duì)缺乏，因此有必要從體積含水率的角度來(lái)對(duì)滲水系數(shù)的變化進(jìn)行分析。

2 非飽和膨潤(rùn)土滲氣系數(shù)的影響因素

非飽和土是由固-液-氣三相介質(zhì)組成，其力學(xué)特性比由固-液兩相組成的飽和土要復(fù)雜得多。非飽和膨潤(rùn)土中的水氣的存在形式多樣，有水連通-氣封閉、氣連通-水封閉和雙開(kāi)敞3種形式。在熱-水-力共同作用下，非飽和膨潤(rùn)土的水氣場(chǎng)變化復(fù)雜，且還受到基質(zhì)吸力、孔隙比、干密度等眾多因素的影響。Ye等[30]將氣體遷移工程屏障系統(tǒng)分為4個(gè)階段，通過(guò)考慮土體應(yīng)力狀態(tài)、多相性、固有滲透率，在基于VG模型下，重新定義了氣體相對(duì)滲透率，建立了多相性氣體遷移模型，克服了兩相流模型的缺點(diǎn)，擬合程度較高。劉龍波等[31]通過(guò)測(cè)量非飽和膨潤(rùn)土兩側(cè)壓差及其對(duì)應(yīng)的氣體流量得出了非飽和膨潤(rùn)土的滲氣系數(shù)，在掃描電子顯微鏡中發(fā)現(xiàn)非飽和膨潤(rùn)土孔隙較大，顆粒團(tuán)聚明顯，得出了滲氣系數(shù)與孔隙比為指數(shù)關(guān)系。Gallé等[32]發(fā)現(xiàn)了高飽和度、不同干密度條件下膨潤(rùn)土的滲氣規(guī)律。汪龍等[33]認(rèn)為干密度、含水率、摻砂率與滲氣系數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，并建立了相應(yīng)的本構(gòu)模型。秦冰等[34]則發(fā)現(xiàn)氣體滑脫因子b和Klinkenberg滲氣系數(shù)k∞成唯一線性關(guān)系，滲氣系數(shù)與干密度、含水率無(wú)關(guān)，Klinkenberg效應(yīng)在滲氣系數(shù)低于10～14 m2時(shí)較為明顯；圍壓的增大會(huì)使試樣中的微裂隙閉合，因此滲氣系數(shù)隨著圍壓的增大而減??；建立了考慮Klinkenberg效應(yīng)的壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土滲氣系數(shù)數(shù)學(xué)模型。Arnedo等[35]利用水力學(xué)耦合模型，通過(guò)有限元耦合的THM代碼模擬了基質(zhì)材料的接觸面和裂縫，得到了以孔隙比為基礎(chǔ)變量的不同變形和氣體通量條件下的3D模型，模型與試驗(yàn)結(jié)果切合度極高；發(fā)現(xiàn)了滲氣系數(shù)隨著體積含氣率的升高而降低。Bouazza等[36]用自行研制的氣體滲透裝置來(lái)測(cè)試合成粘土襯墊的滲氣特性，發(fā)現(xiàn)體積含氣率的升高會(huì)使?jié)B氣系數(shù)降低，而且GCL在水化之前的固化過(guò)程對(duì)滲氣系數(shù)也有影響。Shan等[37]在BM試樣與CL試樣的對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，土工織物和纖維含量越高，滲透系數(shù)越低，BM試樣的滲氣性低于CL試樣。

不同的礦物成分的吸水能力不同，這就導(dǎo)致了滲氣系數(shù)的改變。Mohammed等[38]發(fā)現(xiàn)高嶺土礦物的滲氣系數(shù)小于蒙脫石礦物，而其吸水能力大于蒙脫石礦物；土體含水量的增加會(huì)使土中吸力下降，導(dǎo)致顆粒間接觸力降低，顆粒間距擴(kuò)大，毛細(xì)管壓力上升，滲氣系數(shù)下降。

目前，對(duì)于非飽和膨潤(rùn)土滲水系數(shù)的研究較多，因?yàn)槠淅碚摮墒欤囼?yàn)操作方面也比滲氣系數(shù)的測(cè)量簡(jiǎn)單許多。而在非飽和膨潤(rùn)土滲氣系數(shù)的測(cè)量中，試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，不可控因素多，加上非飽和膨潤(rùn)土本身滲氣性差，而且氣體相比于水流而言，當(dāng)壓力較大時(shí)，氣體流通速度快，這對(duì)于氣體的通氣控制與滲氣量的測(cè)量方面都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。加上我國(guó)對(duì)于非飽和膨潤(rùn)土滲氣的理論研究較晚，對(duì)其相關(guān)儀器的研發(fā)也落后，在國(guó)內(nèi)僅有為數(shù)不多的科研院所和大學(xué)有條件進(jìn)行非飽和膨潤(rùn)土的滲氣試驗(yàn)。所以目前我國(guó)在滲氣規(guī)律的研究方面處于世界落后水平。但也說(shuō)明非飽和膨潤(rùn)土滲氣系數(shù)的理論研究存在巨大的研究潛力，而且從體積含氣率方面對(duì)非飽和膨潤(rùn)土滲氣系數(shù)的研究更是屈指可數(shù)，所以考慮以體積含氣率為參量對(duì)非飽和膨潤(rùn)土滲氣系數(shù)進(jìn)行研究是十分有意義的。

3 非飽和膨潤(rùn)土土-水特性曲線影響因素

土的含水率和吸力組成了土-水特征曲線，土-水特征曲線是一個(gè)反映土的滲透系數(shù)、持水能力和強(qiáng)度的曲線，它在非飽和土的水力與力學(xué)特性的研究中具有十分重要的影響。非飽和膨潤(rùn)土土-水特性曲線可由壓力板、張力計(jì)、非飽和土三軸儀、汽相法、滲析法等方法進(jìn)行測(cè)量?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)吸力、溫度、孔隙比、含水率、干密度對(duì)非飽和土土-水特征曲線均有影響。

秦冰等[39]研究發(fā)現(xiàn)，干密度對(duì)持水曲線的影響取決于吸力的大小。高吸力下土中水主要為吸附水，吸附能力較強(qiáng)且很難受到壓實(shí)作用的影響，所以在高吸力下干密度對(duì)持水曲線無(wú)影響；但在低吸力下毛細(xì)作用占據(jù)主導(dǎo)，干密度的變化會(huì)引起土顆?；驁F(tuán)粒之間孔隙的結(jié)構(gòu)變化，從而對(duì)持水曲線產(chǎn)生影響。Jacinto等[40]在對(duì)MX-80膨潤(rùn)土持水能力進(jìn)行研究后也認(rèn)為干密度對(duì)持水能力的影響取決于吸力的大小。孫德安等[41]認(rèn)為Kunigel-V1膨潤(rùn)土與高廟子膨潤(rùn)土土-水特征曲線相近，吸力值的變化會(huì)影響孔隙比的變化進(jìn)而影響土-水特征曲線。

溫度對(duì)于持水曲線具有重要的影響，Villar等[42]發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，蒙脫石的吸附能力下降，層間水和毛細(xì)水相互轉(zhuǎn)化加快，膨潤(rùn)土的在側(cè)限和無(wú)側(cè)限狀態(tài)下的持水能力降低。陸飏等[34]采用高精度溫濕度傳感器，發(fā)現(xiàn)了膨潤(rùn)土在升降溫中存在3個(gè)階段。這是因?yàn)閷娱g水與毛細(xì)水發(fā)生互相轉(zhuǎn)換，也是因?yàn)槲Φ臏笮詫?dǎo)致了此現(xiàn)象的出現(xiàn)。

不少理論研究中發(fā)現(xiàn)孔隙比對(duì)非飽和膨潤(rùn)土持水曲線的影響比溫度的影響還要大。Stange等[43]以初始孔隙比為參數(shù)構(gòu)建了4種土-水特征曲線擬合模型，此方法試驗(yàn)量小，且參數(shù)取值可為經(jīng)驗(yàn)值。Salager等[44]以Fredlund-Xing模型為基礎(chǔ)通過(guò)5種不同的土-水特征曲線試驗(yàn)，建立了相應(yīng)的本構(gòu)模型。孫文靜等[45]則發(fā)現(xiàn)初始孔隙比的減少會(huì)使土-水特征曲線向右移動(dòng)。

不少學(xué)者也在純膨潤(rùn)土中摻加其他物質(zhì)來(lái)對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改良。汪龍等[46]利用水汽平衡法對(duì)膨潤(rùn)土-砂混合物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)摻砂率在高低吸力段時(shí)對(duì)土-水特征曲線的影響不同，高吸力段內(nèi)影響小，低吸力段內(nèi)影響大；膨潤(rùn)土-砂混合物的土-水特征曲線幾乎不受干密度的影響；其還通過(guò)微觀掃描電鏡試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了砂礫間距隨摻砂率的增加而減少，密實(shí)度隨之降低；建立了用來(lái)預(yù)測(cè)不同溫度和摻砂率條件下的膨潤(rùn)土-砂混合物的土-水特征曲線。Tang等[47]發(fā)現(xiàn)溫度越高，膨潤(rùn)土-砂混合物的持水能力越低。張虎元等[48]采用壓力板法和水汽平衡法進(jìn)行研究，利用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)在側(cè)限飽和中膨潤(rùn)土的收縮干裂現(xiàn)象不明顯，而自由飽和下普遍發(fā)生此現(xiàn)象。Chen等[49]對(duì)MIP試驗(yàn)和側(cè)限試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)擬合度很高，可以互相使用。

4 展望

基于上述認(rèn)識(shí)，非飽和膨潤(rùn)土的滲水、滲氣系數(shù)和土-水特征曲線受到基質(zhì)吸力、溫度、含水率、干密度、孔隙比、摻砂率等受到眾多因素的影響，但仍存在研究空白。

1)非飽和膨潤(rùn)土的滲水系數(shù)隨溫度的升高而升高，隨干密度的增加而減小，隨土中吸力的增加先減小后增大，存在下極值點(diǎn)，膨潤(rùn)土與其混合物的摻量存在最優(yōu)比；以溫度、干密度、吸力為主要因素對(duì)滲水系數(shù)的研究較多，但以體積含水率作為主要因素來(lái)對(duì)滲水系數(shù)進(jìn)行研究的較少，同時(shí)也缺乏相應(yīng)的微觀分析及本構(gòu)模型的建立；因此可從體積含水率為主要研究方向，結(jié)合微觀分析對(duì)非飽和膨潤(rùn)土的滲水系數(shù)進(jìn)行研究。

2)非飽和膨潤(rùn)土的土-水特征曲線隨著溫度的升高，膨潤(rùn)土的持水能力下降，在高吸力段內(nèi)，干密度對(duì)持水曲線的影響較小，在低吸力段內(nèi)受干密度的影響較大；總的來(lái)說(shuō)，非飽和膨潤(rùn)土的土-水特征曲線研究較多，成果較為豐富，但從體積含水率這方面對(duì)其進(jìn)行研究的內(nèi)容較少，尤其缺乏微觀試驗(yàn)上的分析，因此可進(jìn)一步加強(qiáng)在此方面的研究。

3)非飽和膨潤(rùn)土的滲氣系數(shù)測(cè)量復(fù)雜，難度較大，測(cè)試儀器精度要求高，導(dǎo)致非飽和膨潤(rùn)土滲氣系數(shù)的研究較少，而從體積含氣率出發(fā)對(duì)非飽和膨潤(rùn)土的滲氣系數(shù)進(jìn)行研究的文章更是屈指可數(shù)。因此可結(jié)合微觀分析，從體積含氣率這個(gè)方面來(lái)對(duì)非飽和膨潤(rùn)土的滲氣系數(shù)進(jìn)行研究，并建立相應(yīng)的本構(gòu)模型。這也是非飽和膨潤(rùn)土基本性能研究的重點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯何杰玲)

StudyontheBasicPropertiesofUnsaturatedBentonite

HUANG Xuefenga,b， FANG Shenga,b， ZHOU Junpenga,b

(a.Depatment of Civil Engineering; b.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironmental Protection, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

Thermal-hydro-mechanico is complex and changeable in the geological disposal of high level radioactive nuclear waste disposal, and the water-air permeability, soil-water characteristic curves of unsaturated bentonite are affected by the matrix suction, temperature, water-content, dry-density, void-ratio and so on. Therefore, it has important meaning to study the water-air permeability and soil-water characteristic curves of the unsaturated bentonite. It proposed the idea that considering what the effects on the volumetric soil water content and gas volume rate for the water-air permeability and soil-water characteristic curves of the unsaturated bentonite on the basis of summarizes domestic and foreign research status and achievements.

unsaturated bentonite; permeability coefficient; soil-water characteristic curve; volumetric soil water content; gas volume rate

2017-05-13

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目“黃土丘陵溝壑(延安新區(qū))工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范課題”(2013BAJ06B00)

黃雪峰(1960—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事非飽和土與特殊土地基研究，E-mail:hxfen60@163.com。

黃雪峰，方晟，周俊鵬.非飽和膨潤(rùn)土的基本性能研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(11):122-127.

formatHUANG Xuefeng，F(xiàn)ANG Sheng，ZHOU Junpeng.Study on the Basic Properties of Unsaturated Bentonite[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):122-127.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.018

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1674-8425(2017)11-0122-06