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文檔簡介
1、o邊坡分類公路路基設計規(guī)范中提出,土質(zhì)路塹邊坡坡高大于20m,巖質(zhì)或土石混合路塑 邊坡坡高大于30m為高邊坡,路堤邊坡坡高大于20m為高邊坡,坡度超過1:都為 斜坡路堤 ;、邊坡安全性評價方法研究現(xiàn)狀二十世紀 60年代以前,自然災害研究主要限于災害機理及預測研究 ,針對邊坡工程的研究多是基于邊坡失穩(wěn)的機理分析 , 所以在這一時期發(fā)展起的邊坡安全 性評價方法主要是著眼于邊坡失穩(wěn)機理的穩(wěn)定性評價方法。 70年代以后,隨著自然災害破壞損失的加劇 , 促使人們拓寬了災害研究領域 , 在繼續(xù)深入研究災害發(fā) 生機理的同時 , 開始了滑坡災害風險分析與安全性評價工作。 在我國 80年代以后 ,隨著地質(zhì)災害領
2、域相關(guān)理論的發(fā)展 , 地質(zhì)災害的安全性評價 ( 又稱危險性評價或 風險評價 )才起步, 并應用于我國地質(zhì)災害評價中。 由于邊坡系統(tǒng)與周圍環(huán)境密切 相關(guān), 是一個龐大的、復雜的系統(tǒng)工程 , 在其分析過程中存在大量的主觀和客觀上 的不確定性。并且 , 對邊坡失穩(wěn)機理至今還沒有一個統(tǒng)一的認識 , 所以如何充分利 用具有可變性、多樣性、不確定性(模糊性、隨機性 )和不完全性特征的多源信息 ,實現(xiàn)對邊坡安全穩(wěn)定性的科學分析與評價 , 是一個急待解決的問題 , 這些顯然是 傳統(tǒng)的基于失穩(wěn)機理的邊坡穩(wěn)定性評價方法無法實現(xiàn)的。因此 , 近年來在邊坡工 程中 , 基于一些新理論和新方法 ( 如模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡
3、、灰色理論等 )的邊坡安全性評價方法得到了快速的發(fā)展 , 這些方法的共同點都是通過綜合考慮影響邊坡 穩(wěn)定的各種確定和不確定性因素 , 對邊坡工程進行整體安全性的綜合評價 , 對邊 坡工程安全性評價研究起到了極大的推動作用。綜上 , 人類對于邊坡安全性評價的研究工作基本上經(jīng)歷了由表及里 , 由淺入 深、由經(jīng)驗到理論、由定性到定量、由單一指標評價到綜合指標評價、由傳統(tǒng)理 論方法到新理論、 新技術(shù)的發(fā)展過程。 在這一發(fā)展過程中各種邊坡安全性評價方 法應運而生。 目前工程界對邊坡安全性評價方法大致可分為定性分析方法、 定量 分析方法和不確定性分析方法。定性分析方法邊坡安全穩(wěn)定的定性分析方法主要是通過工
4、程地質(zhì)勘察 , 分析邊坡穩(wěn)定的主 要影響因素及可能的破壞形式和失穩(wěn)的力學機制等。主要分析邊坡的發(fā)育歷史 從它的過去推測它的現(xiàn)在及其未來的安全穩(wěn)定趨勢 ; 對邊坡安全穩(wěn)定進行多因素 分析, 在大量的調(diào)查研究基礎上 , 依據(jù)與該邊坡工程地質(zhì)條件相似的邊坡安全穩(wěn) 定狀況 , 來評價該邊坡的安全穩(wěn)定情況 , 并類比推測其未來的安全穩(wěn)定趨勢。 該方法的優(yōu)點是可以綜合考慮影響邊坡安全穩(wěn)定性的多種確定和不確定因素, 快速地 對邊坡的安全穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢做出預測評價。 對邊坡安全穩(wěn)定性評價方法 的發(fā)展起到了很大的促進作用。其最大的缺點就是人為主觀因素太多 , 依賴專家 經(jīng)驗, 在相同的環(huán)境地質(zhì)等條件下不同
5、經(jīng)驗水平的人有可能會得出不同的結(jié)論。其主要方法包括自然 (成因)歷史分析法、工程類比分析法、 圖解法、數(shù)據(jù)庫和專 家系統(tǒng)分析法定量分析方法邊坡安全穩(wěn)定性定量分析方法與定性分析方法是相互聯(lián)系的 , 定性分析是進 行定量分析的基礎 , 而定量分析為定性分析的補充。邊坡安全穩(wěn)定性定量分析方 法的基本思想就是在進行地質(zhì)分析的基礎上 , 將邊坡系統(tǒng)這一復雜問題通過合理 的抽象,得到簡化的模型 , 并通過參數(shù)的調(diào)節(jié)選取 , 最終得到一個適宜可行的邊坡 模型進行邊坡安全穩(wěn)定性的定量計算。 邊坡安全穩(wěn)定性定量分析方法中運用最為 廣泛的分為兩大類 :一是基于極限平衡理論的極限平衡分析法 ; 二是數(shù)值分析法 ,其
6、中包括有限元法、離散元法、邊界元法等。極限平衡分析法極限平衡分析理論是邊坡穩(wěn)定分析最經(jīng)典的確定性分析方法 , 該方法的兩個 關(guān)鍵就是確定最危險滑面和選取計算模型。 其具體分析過程是將具有滑動趨勢范 圍內(nèi)的邊坡巖土體按照某種規(guī)則劃分為諸多小塊體 , 通過考慮每個塊體的平衡條 件建立起整個邊坡的平衡方程 , 在此基礎上進行邊坡安全穩(wěn)定性分析。該方法是 最早在工程實踐中應用、 也是目前最廣泛使用的一種定量分析方法。 經(jīng)過多年的發(fā)展,目前已有了諸多種極限平衡分析方法,如:Fellenius法(瑞典圓弧條分法)、Bish op 法、Janbu 法、Morge nste mPrince 法、剩余推力法、S
7、arma 法、楔 體極限平衡分析法等等。極限平衡法將巖土體視為剛體 , 不考慮巖土體變形 , 但塊體間進行力傳遞 , 巖, 其形狀一般為土體的破 壞是由滑動體沿滑動面產(chǎn)生滑動引起的。通常假設滑動面為已知 平面、圓弧面、對數(shù)螺旋面或其它不規(guī)則面 , 通過考慮坡體上由滑動面形成的滑體及其分塊 的靜力平衡 , 分析坡體的受力狀態(tài)以及坡體上的下滑力和抗滑力之間的定量關(guān)系來評價邊坡 的安全穩(wěn)定性。 極限平衡分析方法由于其計算簡單 , 物理意義明確 , 參數(shù)和安全系數(shù)可以結(jié)合 室內(nèi)外實驗、工程經(jīng)驗和設計規(guī)范確定 , 所以得到了廣泛的應用 , 其理論發(fā)展也相對比較完 善。但是其也存在諸多不足之處 ,主要有
8、,一是將巖土體視為剛體不考慮變形 ,明顯與實際情 況有較大出入 , 從而無法評價由變形引起的邊坡破壞 ; 二是滑坡主滑面的確定存在不確定性 尤其是復雜滑坡問題 ,其滑面性質(zhì)變化大主滑面不易確定 ; 三是計算中荷載考慮為集中力 ,沒 有考慮應力的不均勻分布以及對應的邊坡破壞特征。因此該方法比較適用于幾何特征明確、 結(jié)構(gòu)面性質(zhì)相對單一的邊坡穩(wěn)定性分析。規(guī)范中采用圓弧滑動法計算 Ks瑞典圓弧法簡化 Bishop 法 簡化 Janbu 法數(shù)值分析方法極限平衡分析法雖然計算簡單、物理意義明晰 , 但無法考慮巖土體內(nèi)部應力 應變關(guān)系、 材料非線性、 巖土體的應力歷史及加載應力條件等。 隨著計算機技術(shù) 的應
9、用與發(fā)展 , 數(shù)值模擬技術(shù)在邊坡安全穩(wěn)定分析評價中得到廣泛應用 , 為邊坡的變形和材料強度安全穩(wěn)定性分析提供了強大的計算工具。其代表有有限元FEM離散元DEM此外,在數(shù)值模擬技術(shù)方面的另一標志性成就是 FLACK值分析方法的提出。這種方法不僅可以考慮材料的非線性 , 而且可以使塑性破壞和塑 性流動得到體現(xiàn) ;并采用顯式時間差分解析法 , 使運算速度大大提高 ; 該方法適用 于求解非線性大變形 , 但其仍節(jié)點位移連續(xù) , 故本質(zhì)上仍屬于求解連續(xù)介質(zhì)范疇。利用數(shù)值分析法研究邊坡安全穩(wěn)定性 , 彌補了極限平衡法不能反映巖土體的應力 一應變關(guān)系以及與實際狀態(tài)不完全相符的不足 ,計算結(jié)果比較精確。但數(shù)值
10、分析方法也存在局限性 , 主要表現(xiàn)為 : 一是地質(zhì)條件和現(xiàn)有理論技術(shù) 的局限性 , 使得邊坡地質(zhì)模型和本構(gòu)關(guān)系的確定不可避免的存在誤差 ; 二是現(xiàn)有技術(shù)手段下計算參數(shù)的選取誤差對計算精度的影響較大; 三是作為數(shù)值理論和方 法載體的數(shù)值軟件也存在一定的偏差。有限元(FEM)法有限元法是一種十分成熟的數(shù)值方法 , 它幾乎可適用于所有的計算領域。該 方法在邊坡巖土體的穩(wěn)定性分析中最早 (1967) 得到應用,也是目前最廣泛使用的 一種數(shù)值分析方法。 目前, 已經(jīng)開發(fā)了多個二維及三維有限元分析程序 , 可以用來 求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題。有限元的基本思想是將一個連續(xù)體離散化 ,變換成有
11、限數(shù)量的有限大的單元集合, 這些單元之間只通過結(jié)點來連接和制約 , 用變換后的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)代替實際的 系統(tǒng)采用標準的結(jié)構(gòu)分析來進行處理。其原理其實可用支配方程來闡述 :KD=R式中 :K 整體剛度矩陣 ;D 整體結(jié)點位移 ;R 整體等效荷載。盡管有限元應用十分廣泛 , 但它還不能很好地求解大變形和位移不連續(xù)等問 題, 對于邊坡穩(wěn)定分析中的無限域、應力集中問題等的求解還不理想。邊界元(BEM)法邊界元法是 20世紀 70年代發(fā)展起來的一種數(shù)值方法 ,Cronch S L 于1976 年首先將其應用于分析層狀巖體的開挖穩(wěn)定問題。與有限元方法不同 ,它只對研究區(qū)的邊界進行離散 , 因而它要求的數(shù)據(jù)輸入量
12、較少。邊界元法本質(zhì)上是求解邊 界積分方程的一種數(shù)值方法 , 它與有限元法有某些相似之處 ,通過形函數(shù)對單元進行等參變換 , 其基本未知量是邊界單元上的函數(shù)值。該方法對處理無限域和半 無限域問題較為理想。邊界元法的優(yōu)點是應用Guass定理使問題降階,將三維問題化為二維問題, 將二維問題化為一維問題 ,大大減少了計算工作量 ,并保持了較高的精度。邊界元法的缺點是必須事先知道求解問題的控制微分方程的基本解 , 它在處理材料的非 線性、不均勻性、模擬分步開挖等方面還遠不如有限元法 , 尤其對于非線性問題 ,基本解的求出十分困難 , 它同樣不能求解大變形問題 ,它目前在邊坡巖體穩(wěn)定性分析中的應用還遠不如
13、在地下洞室中應用廣泛。無界元(IDEM)法為了克服有限元法在計算時其計算范圍和邊界條件不易確定的這一缺 點 ,Bettess P 于 1977年提出了無界元方法。它可以看作是有限元方法的推廣它采用了一種特殊的形函數(shù)及位移插值函數(shù) , 能夠反映在無窮遠處的邊界條件 ,近年來已比較廣泛地應用于非線性問題、 動力問題和不連續(xù)問題等的求解。 無界 元的優(yōu)點是有效地解決了有限元方法的 /邊界效應 0及人為確定邊界的缺點 , 在 動力問題中尤為突出 ;顯著地減小了解題規(guī)模 , 提高了求解精度和計算效率 , 這一 點對三維問題尤為顯著。它目前常常與有限元法聯(lián)合使用 , 互取所長??焖倮窭嗜辗治觯‵LAC)
14、法為了克服有限元等數(shù)值分析法不能求解巖土大變形問題的缺陷 , 最早由Cundall P A提出了 FLAC數(shù)值分析方法,它是一種顯式時間差分解析法,由美國Itasca 咨詢公司首先使用并推廣。 該方法基于牛頓運動定理 , 考慮到材料的非線 性和幾何學上的非線性 , 使用了離散模型方法、動態(tài)松弛方法和有限差分方法三 種技術(shù)將連續(xù)介質(zhì)的動態(tài)演化過程轉(zhuǎn)化為離散節(jié)點的運動方程和離散單元的本 構(gòu)方程求解 , 即首先由節(jié)點的應力和外力 (或速度)變化和時間步長利用虛功原理求節(jié)點不平衡力和速度 , 再根據(jù)單元的本構(gòu)方程 , 由節(jié)點速度求單元的應變增量、 應力(或位移)增量和總應力 , 進而進入新的循環(huán)。該方
15、法較有限元方法能更好地 考慮巖土體的不連續(xù)性和大變形特征 , 求解速度較快 , 適用于求解非線性大變形 ,但其缺點是同有限元方法一樣 , 計算邊界、單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的隨意性 本質(zhì)上仍屬于求解連續(xù)介質(zhì)范疇的方法。1)快速拉格朗日有限差分法連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法是基于顯式差分法來求解偏微分方程, 將計算區(qū)域 劃分為差分網(wǎng)格后, 對某一節(jié)點施加荷載, 該節(jié)點的運動方程可以寫成時間步長At的有限差分形式,在某一個微小的時段內(nèi),作用在該節(jié)點的荷載只對周圍的若干節(jié)點有影響。根據(jù)單元節(jié)點的速度變化和時段A t可以求出單元之間的相對位移,進而可以求出單元應變; 再由單元材料的本構(gòu)方程求單元應力, 隨著時
16、段 的增長,這一過程將擴展到整個計算范圍, 直到邊界; 計算得到單元之間的不平 衡力,將此不平衡力重新加到各節(jié)點上, 再進行下一步的迭代運算, 直到不平衡 力足夠小或者各節(jié)點的位移趨于平衡為止。 求解過程中若某一時刻各個節(jié)點的速 度已知,則根據(jù)高斯定理可求得單元的應變率, 然后根據(jù)材料的本構(gòu)方程就可求 得單元的新的應力。對于平面問題,將具體的計算對象用四邊形單元劃分成有限差分網(wǎng)格, 每個單元可以再劃成兩個常應變?nèi)切螁卧?三角形單元的有限差分公式用高斯 發(fā)散量定理的廣義形式推導得出。離散元(DEM法離散元法是由Cundall P A于20世紀70年代首先提出應用于巖土體穩(wěn)定性分析的一種數(shù)值分
17、析方法。它是一種動態(tài)的數(shù)值分析方法 , 可以用來模擬邊坡巖 體的非均質(zhì)、不連續(xù)和大變形等特點 ,因而, 也就成為目前較為流行的一種巖土體 穩(wěn)定性分析數(shù)值方法。該方法在進行計算時 , 首先將邊坡巖體劃分為若干剛性塊 體(目前已可以考慮塊體的彈性變形 ), 以牛頓第二運動定律為基礎 ,結(jié)合不同本構(gòu)關(guān)系, 考慮塊體受力后的運動及由此導致的受力狀態(tài)和塊體運動隨時間的變 化。它允許塊體間發(fā)生平動、轉(zhuǎn)動,甚至脫離母體下落,結(jié)合CAD技術(shù)可以在計算 機上形象地反應出邊坡巖體中的應力場、位移及速度等力學參量的全程變化。該法適用于不連續(xù)介質(zhì)、大變形、低應力水平 , 對塊狀結(jié)構(gòu)、層狀破裂或一 般碎裂結(jié)構(gòu)巖體比較適
18、合 , 特別適用于節(jié)理巖體 , 可解決準靜態(tài)問題 , 但對真正的 動態(tài)問題需做些處理。DEM方法存在的主要問題是阻尼的選取和迭代計算的收斂非連續(xù)變形分析 (DDA)DDA是石根華教授于20世紀80年代提出的一種新的數(shù)值方法。 該方法用一 種類似于離散元的塊體元來模擬被不連續(xù)面切割成的塊體系統(tǒng) , 在此過程中 , 塊體通過不連續(xù)面間的接觸連成整體。 此方法的計算網(wǎng)格 (單元)與巖體物理網(wǎng)絡相一致, 可以反映巖體連續(xù)和不連續(xù)的具體部位。DDA通過不連續(xù)面間的相互約束建立整個系統(tǒng)的力學平衡條件 ,但與一般的連續(xù)介質(zhì)法不同 ,它引入了非連續(xù)接觸和慣性力 , 采用運動學方法來解決非連續(xù)的靜力和動力問題
19、, 其特點是考慮了 變形的不連續(xù)性和引入了時間因素 , 既可以計算靜力問題 , 又可以計算動力問題。它可以計算破壞前的小位移 , 也可以計算破壞后的大位移 , 如滑動、崩塌、爆破及 貫入等,還可考慮漸進型破壞,因此,DDA特別適合于極限狀態(tài)的設計計算,這為 其在工程界的應用開辟了廣闊的前景。DDA方法的理論體系嚴密,總體上由變分原理控制,方程組的求解以位移為未知量,屬位移法,其位移的模式與有限元法相同。它在求解方程組的過程中 ,若剛度矩陣是病態(tài)的 , 可采用時間步或罰函數(shù)來限制剛體運動 , 但它們的選取較為 困難, 并且防止塊體相互侵入的容許值很難確定 , 而且在實際應用時 , 常因考慮之 塊
20、體數(shù)量眾多,計算時間較長,這些問題使得DDAS到限制,應用還不十分廣泛, 但無疑它是一種很有潛力的數(shù)值分析方法。流形元(NNM法流形元法是石根華通過研究 DDA與有限元的數(shù)學基礎于1995年提出的,是DDA與有限元的統(tǒng)一形式。流形元以最小位能原理和現(xiàn)代數(shù)學 /流形0分析中的有限覆蓋技術(shù)為基礎 , 建立起一種新的數(shù)值分析方法 ,統(tǒng)一解決了連續(xù)與非連續(xù)變形的力學問題。有限覆蓋由物理覆蓋和數(shù)學覆蓋組成 ,有限元在流形方法中只有一個單獨的物理覆蓋,它覆蓋了全部的數(shù)學覆蓋;而DDA在流形元法中,則有許 多物理覆蓋 , 它們各自覆蓋一部分數(shù)學覆蓋。這兩種方法在流形元法中只是兩個 特殊的例子。在流形元法 ,
21、只要用兩種不同的覆蓋組合 ,就可以解決比有限元和DDA更具有普遍意義的復雜問題。該方法被用來計算結(jié)構(gòu)體的位移和變形,在積 分方法上采用與傳統(tǒng)數(shù)值方法不同的方法 ) 單純形上的解析積分形式。流形元 方法有很大的靈活性 ,可計算塊體和裂隙中明顯可見的變形和位移 ,因此可適用于不連續(xù)介質(zhì)、大變形,可以統(tǒng)一解決FEMDDA和其它數(shù)值方法耦合的計算問題。目前流形元法還處于初始發(fā)展階段 , 期待進一步的深入研究。無單元(EFM)法無單元法是一種新的數(shù)值分析方法 ,它采用滑動最小二乘法所產(chǎn)生的光滑函數(shù)近似場函數(shù) , 將計算區(qū)域離散成若干節(jié)點 , 進而根據(jù)每個節(jié)點的形函數(shù)集成整 體方程組進行計算。無單元法最早
22、由Lacaster P等提出,用于構(gòu)造插值函數(shù)來擬合曲線和曲面。 Nayroles 等于 1992年在研究有限元法的過程中提出 ,Bleytschko等于 1994 年對 Nayroles 的方法進行了改進 , 提出了無單元伽遼金法 , 之后, 得到 許多學者的完善和發(fā)展 ,無單元法在許多領域逐步得到應用。 與有限元不同,無單 元法只需結(jié)點信息參數(shù)而不需劃分單元 ,節(jié)點可以自由分布 ,且與積分網(wǎng)格無關(guān) ,具有信息簡單、靈活和精度高的特點 ,可以求解復雜邊界條件的邊值問題 ,它特別適用于巖土工程數(shù)值分析 ,具有廣闊的應用前景。 當然,無單元法本質(zhì)上是一種非 線性插值方法 ,雖有助于提高解答的精度
23、和解的連續(xù)性 ,但因與各種非線性因素的交織與相互作用 , 在研究中還存在著一些困難 , 如何合理準確地確定影響半徑 的大小、權(quán)函數(shù)選擇、已知邊界條件的處理 (特別是位移邊界條件的處理 )等,它們是目前無單元法研究中的主要困難 , 另外無單元的計算量相比有限元有較大的 增加。有限差分法 (FDM)有限差分法的基本思想是將連續(xù)的定解區(qū)域用有限個離散點構(gòu)成的網(wǎng)格來代替, 把連續(xù)定解區(qū)域上的連續(xù)變量的函數(shù)用在網(wǎng)格上定義的離散變量函數(shù)來近 似,把原方程和定解條件中的微商用差商來近似 , 積分用積分和來近似 ,于是原微分方程和定解條件就近似地代之以代數(shù)方程組 , 即有限差分方程組 ,解此方程組就可以得到原
24、問題在離散點上的近似解 , 然后再利用插值方法便可以從離散解得 到定解問題在整個區(qū)域上的近似解。 由于這種方法比較直觀 ,容易編制程序 ,所以從 20 世紀 40 年代以來 , 至今仍得到廣泛的應用。但對于邊坡穩(wěn)定的分析較少直 接用有限差分法進行 , 而在某些特定的條件下 , 將差分法和其它方法結(jié)合使用來 處理一些課題 , 可使數(shù)值方法解決問題的能力得到提高。非確定性分析方法由于邊坡工程影響因素較多 , 在其設計和分析中往往涉及大量具有隨機性和 模糊性的不確定性因素 , 如坡體巖性、地質(zhì)條件、取樣和試驗參數(shù)的統(tǒng)計以及計 算模型的選取等都存在諸多不確定性 , 致使傳統(tǒng)的邊坡安全穩(wěn)定性分析方法存在
25、 許多問題和不足。發(fā)展基于簡單測試手段 , 在對邊坡工程進行大量信息采集的基礎, 應用各種不確定性分析方法來提高邊坡工程質(zhì)量狀態(tài)評判精度,在當前十分必要。因此 , 基于新理論、新方法的邊坡安全穩(wěn)定性非確定性分析方法得到了快 速的發(fā)展 , 其中主要有可靠度分析法、模糊分析法、灰色系統(tǒng)分析法、人工神經(jīng) 網(wǎng)絡分析法和支持向量機分析法等。二、規(guī)范中公路邊坡穩(wěn)定性評價方法根據(jù)公路路基設計規(guī)范(JTG D30-2004),建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范GB50330-2002)高邊坡路堤與陡坡路堤安全系數(shù)要求簡化 Bishop 法巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算時,在發(fā)育 3 組以上結(jié)構(gòu)面,且不存在優(yōu)勢外傾結(jié)構(gòu) 面組的條件下, 可以認為巖體為各向同性介質(zhì), 在斜坡規(guī)模相對較大時, 其破壞 通常按近似圓弧滑面發(fā)生,宜采用 圓弧滑動面條分法 計算。不平衡推力法不平衡推力傳遞法 ,計算中應注意如下可能出現(xiàn)的問題:1 )當滑面形狀不規(guī)則, 局部凸起而使滑體較薄時, 宜考慮從凸起部位剪出 的可能性,可進行分段計算;2)由于不平衡推力傳遞法的計算穩(wěn)定系數(shù)實際上是滑坡最前部條塊的穩(wěn)定系數(shù),若最前部條塊劃分過小, 在后部傳遞力不大時, 邊坡穩(wěn)定系數(shù)將顯著地受 該條塊形狀和滑面角度影響而不能客觀地反映邊坡整體穩(wěn)定性狀態(tài)。 因此,在計 算條塊劃分時,不宜將最下部條塊分得大??;3 )當滑體前部滑面較緩, 或出現(xiàn)反傾段時,
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