CN109668922B - 一种冻土模型试验用监测装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冻土模型试验用监测装置及其使用方法，包括试样槽，所述试样槽包括试样槽外壁、试样槽内壁和试样槽底座，所述试样槽底座底部安装有升降气缸，所述升降气缸外侧设置有升降气缸导气管孔和升降气缸开关，所述升降气缸顶部固定连接有可移动滑板，所述试样槽内壁固定连接有保温层，所述可移动滑板两侧与试样槽的保温层内壁相接触，所述可移动滑板上放置有多年冻土试样，本发明涉及土工测试测量技术领域。该冻土模型试验用监测装置及其使用方法，解决了传统测量方式在冻土试样不同点位、不同界面及冻土模型整体温度、水分、盐分迁移规律研究中易造成测量误差的问题，加速了试验进程，可以在较短时间内达到理想冻融效果。
Description
技术领域
本发明涉及土工测试测量技术领域，具体为一种冻土模型试验用监测装置及其使用方法。
背景技术
据统计，全球陆地面积70％存在冻土，其中14％为永久冻土，56％为季节冻土；我国是世界上第三冻土大国，其中多年冻土分布面积为2.068×106km2，占我国国土面积的21.5％，季节性冻土分布面积很广，为5.137×106km2，占我国国土面积的53.5％，两者合计约占全国总面积的3/4左右，冻土路基的上限变化主要是气温变化致使土壤反复冻融而引起的，而土壤的冻融是一个非常复杂的过程，它伴随物理、化学及力学现象和子过程，最主要包括温度变化、水分迁移等。
在现场大型冻融试验中，土壤一个冻融循环往往要达到一年左右，不仅耗费了大量时间，而且试验难度很大，大大增加了试验的时间成本及经济成本。模拟试验是科学研究的重要手段，通过相似关系得到原型参数变化规律的相似模型试验是其中的重要一种，它为模拟试验提供指导，尺寸的缩小或放大，参数的提高或降低，介质性能的改变等，目的在于以最低的试验成本和最短的运转周期摸清所研究模型内部的规律及特性。
而有些研究相似准则的推导建立在一维方程的基础上，在模型的建立中对实际问题中仅考虑Z轴方向的温度梯度传导使得研究仍存在不足，故本发明依托三维热传导微分方程、水分传输微分方程、盐分传导方程进行冻土模型试验相似准则推导，更加符合实际的同时也提高了模型试验精准度。
更为重要的是，有些冻土模拟试验测量直接将传感装置放置于土体中进行测量，随着土体冻胀融沉现象的发生，传感器的位置会不移动或不均匀移动，例如初始状态在同一平面均匀排布的传感器试验后可能处于不同高度界面，从而不能准确测量土体固定点或固定界面在冻融过程中发生的温度水分盐分变化情况，故在研究冻土试样不同点位、不同界面及冻土模型整体温度、水分、盐分迁移规律过程中产生一定程度的误差。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种冻土模型试验用监测装置及其使用方法，解决了传统测量时间周期长，传感装置不能准确测量土体固定点在冻融过程中发生的温度水分盐分变化情况，在研究冻土试样不同点位、不同界面及冻土模型整体温度、水分、盐分迁移规律过程中存在误差的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种冻土模型试验用监测装置，包括试样槽，所述试样槽包括试样槽外壁、试样槽内壁和试样槽底座，所述试样槽底座底部安装有升降气缸，所述升降气缸外侧设置有升降气缸导气管孔和升降气缸开关，所述升降气缸顶部固定连接有可移动滑板，所述试样槽内壁固定连接有保温层，所述可移动滑板两侧与试样槽的保温层内壁相接触，所述可移动滑板上放置有多年冻土试样，所述多年冻土试样顶部放置有季节冻土试样，所述多年冻土试样和季节冻土试样外表面设置有可滑移传感器固定环，所述可滑移传感器固定环设置有多个，且由下至上均匀设置，所述可滑移传感器固定环包括固定环内壁和固定环外壁，所述固定环内壁表面设置有传感器固定卡槽，所述传感器固定卡槽均匀设置，所述传感器固定卡槽内部安装有插入式土壤温度水分盐分传感器，所述插入式土壤温度水分盐分传感器内侧设置有传感器感应探针，所述传感器感应探针位于多年冻土试样和季节冻土试样内部，且传感器感应探针设置为不同长度，所述固定环外壁表面设置有滑动滚珠，所述滑动滚珠设置有多个，且均匀设置。
优选的，所述固定环内壁与多年冻土试样和季节冻土试样外表面相接触，所述滑动滚珠与试样槽的保温层内壁相接触。
优选的，所述多年冻土试样的底部以及四周的位置均放置有半导体制冷片，所述试样槽内壁与保温层之间的位置设置有隔热层。
优选的，所述试样槽的顶端安装有红外测距传感器。
一种冻土模型试验用监测装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)试样尺寸确定：根据相似理论进行试样尺寸计算，由具体试验要求确定试验时间t1及要模拟的现场时间t1'(t1远远小于t1')求得模型时间比例为Ct＝t1:t1'＝1:a2(a为常数)，所以可得模型几何比例为Cl＝1:a，再根据现场要模拟的季节冻土高度L与多年冻土高度L1求得模型的季节冻土试样高度为
多年冻土试样高度为
(2)试验制样：试验制样可分两种情况：第一种原状土制样，将取自模拟现场的季节冻土与多年冻土按照试验计算尺寸进行切割制成试样；第二种室内制备土样，将取自现场的土样进行烘干洗盐,再根据模拟的土壤含水量含盐量数据进行室内重新制样，首先根据计算的试样高度调节试样槽底板，将试样槽调到合适高度，再结合试样槽内径d及土样干密度ρ计算出所需的经多次烘干洗盐后的季节冻土试样干质量m1＝ρπ(d/2)2l和多年冻土试样干质量m2＝ρπ(d/2)2l1，最后根据已知数据的冻土含水量θ、含盐量w准备相应质量的去离子水与NaCl、Na2SO4、NaHCO3，制成盐水溶液；
将盐水溶液分别与m1、m2混合均匀后，先分层装多年冻土，用压实装置对每层填土进行夯实至规定高度，调节半导体制冷片至最低温冷冻12h以上，制成多年冻土试样，再分层装放季节冻土，用压实装置分层夯实直至规定高度，制成季节冻土试样；
(3)试验进程：制样完成后试样槽置于试验箱，然后根据现场调查t1'时间内温度变化及降水、光照数据在t1时间重现于试验箱，以使本装置土样可以在试验时间t1模拟现场土样t1'时间的环境变化，后进行试验测试；
(4)试验结果测量：多年冻土试样和季节冻土试样内部由下至上设置的多个可滑移传感器固定环中的插入式土壤温度水分盐分传感器，不仅可以测试试样不同点位的温度、水分、盐分迁移规律，还可以测量确定土壤热传导、水分传输、盐分传输公式的初始条件和四周边界条件，安放于季节冻土试样上表面与多年冻土试样下表面的插入式土壤温度水分盐分传感器可以分别测量确定土壤热传导、水分传输、盐分传输公式的上、下边界条件。
(三)有益效果
本发明提供了一种冻土模型试验用监测装置及其使用方法。具备以下有益效果：
(1)、该冻土模型试验用监测装置及其使用方法，本发明使用可滑移传感器固定环进行冻土模型温度水分盐分监测，利用滑动滚珠使传感器在试验过程中随土体的融化、冻胀自由移动，不仅可以测量土体固定点在冻融过程中发生的温度水分盐分变化，减小了在冻土试样不同点位、不同界面及冻土模型整体温度、水分、盐分迁移规律研究过程中的误差,还准确确定了土壤温度水分盐分传导公式的初始条件和边界条件。
(2)、该冻土模型试验用监测装置及其使用方法，利用相似准则将大型冻土试验原型模型化和简易化，模型试验结果可用于反推原型。根据建立的比例关系调整模型尺寸及试验时间，大大加速了试验进程，能在短时间内模拟现场长时间的环境变化，大大加速了监测试验进程，且本装置结构简单，使用方便。
(3)、该冻土模型试验用监测装置及其使用方法，试样槽可以通过调节底板高度来达到试验要求的高度，既避免了因为试样槽太高，致使土体试样距离试样槽上表面距离太大，而出现土体温度降水光照模拟误差，还可以避免出现因试样尺寸需求而要准备多个不同规格试样槽的情况。
(4)该冻土模型试验用监测装置及其使用方法，不仅适用于原状土，还能为了研究多因素对冻土上限的影响，室内根据拟研究的土质类型自行调配制备试样。
附图说明
图1为本发明试样槽的结构示意图；
图2为本发明可滑移传感器固定环的结构示意图；
图3为本发明可滑移传感器固定环安置于土样示意图。
图中：1试样槽外壁、2试样槽内壁、3试样槽底座、4保温层、5隔热层、6升降气缸、7升降气缸导气管孔、8升降气缸开关、9可移动滑板、10多年冻土试样、11季节冻土试样、12半导体制冷片、13可滑移传感器固定环、14固定环内壁、15插入式土壤温度水分盐分传感器、16传感器感应探针、17传感器固定卡槽、18滑动滚珠、19红外测距传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种冻土模型试验用监测装置，包括试样槽，试样槽包括试样槽外壁1、试样槽内壁2和试样槽底座3，试样槽底座3底部安装有升降气缸6，升降气缸6外侧设置有升降气缸导气管孔7和升降气缸开关8，升降气缸6顶部固定连接有可移动滑板9，试样槽内壁2固定连接有保温层4，可移动滑板9两侧与试样槽的保温层4内壁相接触，可移动滑板9上放置有多年冻土试样10，多年冻土试样10顶部放置有季节冻土试样11，多年冻土试样10和季节冻土试样11外表面设置有可滑移传感器固定环13，可滑移传感器固定环13设置有多个，且由下至上均匀设置，可滑移传感器固定环13包括固定环内壁14和固定环外壁，固定环内壁14表面设置有传感器固定卡槽17，传感器固定卡槽17均匀设置，传感器固定卡槽17内部安装有插入式土壤温度水分盐分传感器15，插入式土壤温度水分盐分传感器15内侧设置有传感器感应探针16，传感器感应探针16位于多年冻土试样10和季节冻土试样11内部，且传感器感应探针16设置为不同长度，固定环外壁表面设置有滑动滚珠18，滑动滚珠18设置有多个，且均匀设置。
固定环内壁14与多年冻土试样10和季节冻土试样11外表面相接触，滑动滚珠18与试样槽的保温层4内壁相接触。
多年冻土试样10的底部以及四周的位置均放置有半导体制冷片12，试样槽内壁2与保温层4之间的位置设置有隔热层5。
试样槽的顶端安装有红外测距传感器19。
一种冻土模型试验用监测装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)试样尺寸确定：根据相似理论进行试样尺寸计算，由具体试验要求确定试验时间t1及要模拟的现场时间t1'(t1远远小于t1')求得模型时间比例为Ct＝t1:t1'＝1:a2(a为常数)，所以可得模型几何比例为Cl＝1:a，再根据现场要模拟的季节冻土高度L与多年冻土高度L1求得模型的季节冻土试样11高度为
多年冻土试样10高度为
根据建立的比例关系调整模型尺寸及试验时间，大大加速了试验进程，能在短时间内模拟现场长时间的环境变化，大大加速了监测试验进程，并且本装置结构简单，使用方便；
(2)试验制样：试验制样可分两种情况：第一种原状土制样，将取自模拟现场的季节冻土与多年冻土按照试验计算尺寸进行切割制成试样；第二种室内制备土样，将取自现场的土样进行烘干洗盐，再根据模拟的土壤含水量含盐量数据进行室内重新制样，首先根据计算的试样高度调节试样槽底板，将试样槽调到合适高度，再结合试样槽内径d及土样干密度ρ计算出所需的经多次烘干洗盐后的季节冻土试样11干质量m1＝ρπ(d/2)2l和多年冻土试样10干质量m2＝ρπ(d/2)2l1，最后根据已知数据的冻土含水量θ、含盐量w准备相应质量的去离子水与NaCl、Na2SO4、NaHCO3，制成盐水溶液；
将盐水溶液分别与m1、m2混合均匀后，先分层装多年冻土，装入时分层安装可滑移传感器固定环13，土样底部以及四周的位置均放置半导体制冷片12，用压实装置对每层填土进行夯实至规定高度，调节半导体制冷片12至最低温冷冻12h以上，制成多年冻土试样10，再分层装放季节冻土，装入时也分层安装可滑移传感器固定环13，用压实装置分层夯实直至规定高度，制成季节冻土试样11；该装置和方法不仅适用于原状土，还能为了研究多因素对冻土上限的影响，室内根据拟研究的土质类型自行调配制备试样；
(3)试验进程：制样完成后试样槽置于试验箱，然后根据现场调查t1'时间内温度变化及降水、光照数据在t1时间重现于试验箱，以使本装置土样可以在试验时间t1模拟现场土样t1'时间的环境变化，后进行试验测试；
(4)试验结果测量：多年冻土试样10和季节冻土试样11外表面由下至上设置的多个可滑移传感器固定环13中的插入式土壤温度水分盐分传感器15，不仅可以测试试样不同点位的温度、水分、盐分迁移规律，还可以测量确定土壤热传导、水分传输、盐分传输公式的初始条件和四周边界条件，安放于季节冻土试样11上表面与多年冻土试样10下表面的插入式土壤温度水分盐分传感器15可以分别测量确定土壤热传导、水分传输、盐分传输公式的上、下边界条件。
由于现场冻土试验耗时较长，本发明为减少时间成本，达到在短时间模拟长时间环境变化的效果，基于相似原理，建立冻土模型尺寸与试验时间比例关系达到加速试验时间的目的。本发明依托三维热传导微分方程、水分传输微分方程、盐分传导微分方程进行冻土模型试验相似准则推导过程如下：
(1)热传导微分控制方程：
再由式子
原式化为
0≤x≤d，0≤y≤d，0≤z≤l+l1，t≥0
式中：c为土的比热容(J/(kg·℃))；ρ为土体密度(kg·m-3)；T为温度(℃)；t为时间(s)；λ为土的导热系数(W/(m·℃))；α为土体导温系数(m2/s)；x，y，z分别为土体x轴y轴z轴方向的尺寸分量(cm)，l为季节冻土试样高度(cm)，l1为多年冻土试样高度(cm)，d为试样槽内径(cm)。
初始条件为t＝0时，T(x,y,z,0)＝T1(x,y,z)；
边界条件为z＝0时，T(x,y,0,t)＝T2(x,y,t)；z＝l+l1时，T(x,y,l+l1,t)＝T3(x,y,t)；
x＝0，T(0,y,z,t)＝T4(y,z,t)；x＝d，T(d,y,z,t)＝T5(y,z,t)；
y＝0，T(x,0,z,t)＝T6(x,z,t)；y＝d，T(x,d,z,t)＝T7(x,z,t)；
根据相似理论可化简为
式中Cα、Ct、Cl分别为土体的导温系数、时间、几何的相似常数；Ti为传感器测试数据确定的温度函数。
(2)水分传输微分控制方程：
0≤x≤d，0≤y≤d，0≤z≤l+l1，t≥0
式中：θ为土壤体积含水率(cm3·cm-3)；D为土中水的扩散系数(cm3·s-1)；
初始条件为t＝0时，θ(x,y,z,0)＝θ1(x,y,z)；
边界条件为z＝0时，θ(x,y,0,t)＝θ2(x,y,t)；z＝l+l1时，θ(x,y,l+l1,t)＝θ3(x,y,t)；
x＝0，θ(0,y,z,t)＝θ4(y,z,t)；x＝d，θ(d,y,z,t)＝θ5(y,z,t)；
y＝0，θ(x,0,z,t)＝T6(x,z,t)；y＝d，θ(x,d,z,t)＝θ7(x,z,t)；
根据相似理论可以化简得：
式中CD、Ct、Cl分别为土体的土中水的扩散系数、时间、几何的相似常数；θi为传感器测试数据确定的含水率函数。
(3)盐分传输微分控制方程：
0≤x≤d，0≤y≤d，0≤z≤l+l1，t≥0
式中：w为土壤含盐率(g·cm-3)；Dsh为浓度梯度下盐分的水动力弥散系数(cm2·s-1)。
初始条件为t＝0时，w(x,y,z,0)＝w1(x,y,z)；
边界条件为z＝0时w(x,y,0,t)＝w2(x,y,t)，z＝l+l1时，w(x,y,l+l1,t)＝w3(x,y,t)；
x＝0，w(0,y,z,t)＝w4(y,z,t)；x＝d，w(d,y,z,t)＝w5(y,z,t)；
y＝0，w(x,0,z,t)＝w6(x,z,t)；y＝d，w(x,d,z,t)＝w7(x,z,t)；
根据相似理论可以化简得：
式中CDsh、Cθ、Ct、Cl分别为土体的浓度梯度下盐分的水动力弥散系数、体积含水量、时间、几何的相似常数；wi为传感器测试数据确定的含盐率函数。
公式③④⑤的上边界条件可以分别由季节冻土试样11最上表面的可滑移传感器固定环13中的插入式土壤温度水分盐分传感器15测得的土壤温度T、土壤含水率θ、土壤含盐率w数据求得的函数确定，公式③④⑤的下边界条件可以分别由多年冻土试样10最下表面可滑移传感器固定环13中的插入式土壤温度水分盐分传感器15测得的土壤温度T、土壤含水率θ、土壤含盐率w数据求得的函数确定，公式③④⑤的初始条件和四周边界条件由多年冻土试样10和季节冻土试样11内部由下至上设置的多个可滑移传感器固定环13中的插入式土壤温度水分盐分传感器15测得的土壤温度T、土壤含水率θ、土壤含盐率w数据求得的函数确定。
综上，当采用原状土为制作模型时，可得：
Cc＝Cρ＝Cλ＝Cα＝CD＝CDsh＝1
令：CT＝Cθ＝Cw＝1(即试验温度、水分、盐分浓度均采用与天然条件同样值，相似常数均为1)
当原状土作为试样模型材料时，试验温度、水分、盐分浓度与现场原型的相似比例为CT＝Cθ＝Cw＝1时，Cc＝Cρ＝Cλ＝Cα＝CD＝CDsh＝1，可得时间的比例系数为模型几何尺寸比例系数的平方，故假设试验模型与现场原型几何比例为Cl＝1:a(a为常数)时，则试验时间与现场比例为Ct＝1:a2，且试验所观测到的试样模型冻融变化量与现场原型冻土上限冻融变化量之比也为1:a。
通过以上公式推导，可以确定本装置冻土试样的比例和所需要加速试样的时间比例，方便使用者确定冻土试样的填装数据。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种冻土模型试验用监测装置，包括试样槽，其特征在于：所述试样槽包括试样槽外壁(1)、试样槽内壁(2)和试样槽底座(3)，所述试样槽底座(3)底部安装有升降气缸(6)，所述升降气缸(6)外侧设置有升降气缸导气管孔(7)和升降气缸开关(8)，所述升降气缸(6)顶部固定连接有可移动滑板(9)，所述试样槽内壁(2)固定连接有保温层(4)，所述可移动滑板(9)两侧与试样槽的保温层(4)内壁相接触，所述可移动滑板(9)上放置有多年冻土试样(10)，所述多年冻土试样(10)顶部放置有季节冻土试样(11)，所述多年冻土试样(10)和季节冻土试样(11)外表面设置有可滑移传感器固定环(13)，所述可滑移传感器固定环(13)设置有多个，且由下至上均匀设置，所述可滑移传感器固定环(13)包括固定环内壁(14)和固定环外壁，所述固定环内壁(14)表面设置有传感器固定卡槽(17)，所述传感器固定卡槽(17)均匀设置，所述传感器固定卡槽(17)内部安装有插入式土壤温度水分盐分传感器(15)，所述插入式土壤温度水分盐分传感器(15)内侧设置有传感器感应探针(16)，所述传感器感应探针(16)位于多年冻土试样(10)和季节冻土试样(11)内部，且传感器感应探针(16)设置为不同长度，所述固定环外壁表面设置有滑动滚珠(18)，所述滑动滚珠(18)设置有多个，且均匀设置；
基于冻土模型试验用监测装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)试样尺寸确定：根据相似理论进行试样尺寸计算，由具体试验要求确定试验时间t1及要模拟的现场时间t1'，t1远远小于t1'，求得模型时间比例为Ct＝t1:t1'＝1:a2，a为常数，所以可得模型几何比例为Cl＝1:a，再根据现场要模拟的季节冻土高度L与多年冻土高度L1求得模型的季节冻土试样(11)高度为
多年冻土试样(10)高度为
(2)试验制样：试验制样可分两种情况：第一种原状土制样，将取自模拟现场的季节冻土与多年冻土按照试验计算尺寸进行切割制成试样；第二种室内制备土样，将取自现场的土样进行烘干洗盐,再根据模拟的土壤含水量含盐量数据进行室内重新制样，首先根据计算的试样高度调节试样槽底板，将试样槽调到合适高度，再结合试样槽内径d及土样干密度ρ计算出所需的经多次烘干洗盐后的季节冻土试样(11)干质量m1＝ρπ(d/2)2l和多年冻土试样(10)干质量m2＝ρπ(d/2)2l1，最后根据已知数据的冻土含水量θ、含盐量w准备相应质量的去离子水与NaCl、Na2SO4、NaHCO3，制成盐水溶液；
将盐水溶液分别与m1、m2混合均匀后，先分层装多年冻土，用压实装置对每层填土进行夯实至规定高度，调节半导体制冷片(12)至最低温冷冻12h以上，制成多年冻土试样(10)，再分层装放季节冻土，用压实装置分层夯实直至规定高度，制成季节冻土试样(11)；
(3)试验进程：制样完成后试样槽置于试验箱，然后根据现场调查t1'时间内温度变化及降水、光照数据在t1时间重现于试验箱，以使本装置土样可以在试验时间t1模拟现场土样t1'时间的环境变化，后进行试验测试；
(4)试验结果测量：多年冻土试样(10)和季节冻土试样(11)内部由下至上设置的多个可滑移传感器固定环(13)中的插入式土壤温度水分盐分传感器(15)，不仅可以测试试样不同点位的温度、水分、盐分迁移规律，还可以测量确定土壤热传导、水分传输、盐分传输公式的初始条件和四周边界条件，安放于季节冻土试样(11)上表面与多年冻土试样(10)下表面的插入式土壤温度水分盐分传感器(15)可以分别测量确定土壤热传导、水分传输、盐分传输公式的上、下边界条件。
2.根据权利要求1所述的一种冻土模型试验用监测装置，其特征在于：所述固定环内壁(14)与多年冻土试样(10)和季节冻土试样(11)外表面相接触，所述滑动滚珠(18)与试样槽的保温层(4)内壁相接触。
3.根据权利要求1所述的一种冻土模型试验用监测装置，其特征在于：所述多年冻土试样(10)的底部以及四周的位置均放置有半导体制冷片(12)，所述试样槽内壁(2)与保温层(4)之间的位置设置有隔热层(5)。
4.根据权利要求1所述的一种冻土模型试验用监测装置，其特征在于：所述试样槽的顶端安装有红外测距传感器(19)。
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