鄔俊，高文華，張宗堂，唐驍宇，易梅輝

煤矸石路基填料強(qiáng)度與變形特性研究

鄔俊，高文華，張宗堂，唐驍宇，易梅輝

(湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

煤矸石作為高速公路路基填料已得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)煤矸石的研究遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。根據(jù)Talbot推廣的級(jí)配控制方程，采用人工級(jí)配的方法，通過大型三軸試驗(yàn)研究煤矸石路基填料在不同圍壓、不同級(jí)配和不同壓實(shí)度下的強(qiáng)度及變形特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：煤矸石路基填料的軸向應(yīng)變均隨軸向應(yīng)力的增加而增加，應(yīng)力?應(yīng)變曲線無明顯峰值，屬于應(yīng)變硬化型；當(dāng)圍壓不變時(shí)，隨著值即粗顆粒含量的增加，相同軸向應(yīng)變下的軸向應(yīng)力呈先增后減的趨勢(shì)變化；壓實(shí)度達(dá)93%以后，繼續(xù)提高壓實(shí)度對(duì)試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)作用效果不明顯；煤矸石應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以用鄧肯-張雙曲線本構(gòu)模型擬合，并獲得了雙曲線本構(gòu)模型的具體參數(shù)。

煤矸石；路基填料；應(yīng)變硬化；大型三軸試驗(yàn)；本構(gòu)模型

煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢棄物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石[1]。主要包括在巷道掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)矸石、采掘過程中從頂板、夾層以及底板中開采出來的矸石和洗煤過程中篩選出來的洗矸石，其巖性成分由所在的含煤巖系和煤層的開采方式共同決定[2]。煤矸石如果處置不當(dāng)，會(huì)對(duì)社會(huì)環(huán)境造成較大的危害，主要有以下幾個(gè)方面的影響：占?jí)和恋?、堆積的矸石山易引發(fā)礦山泥石流地質(zhì)災(zāi)害、污染大氣和地下水、破壞自然景觀、自燃危害、有毒重金屬污染、酸性水污染等方面，嚴(yán)重影響和危害人民群眾的生活與健康[3?5]。因此如何解決煤矸石帶來的社會(huì)環(huán)境問題，對(duì)其進(jìn)行綜合利用成了亟需解決的關(guān)鍵問題。隨著我國(guó)公路的大規(guī)模興建，煤矸石現(xiàn)已廣泛地用于路基填料。煤矸石路基填料有以下優(yōu)勢(shì)，第一：規(guī)范中對(duì)于煤矸石做路基填料的要求較少、對(duì)有害成分限制不嚴(yán)，絕大部分都可以直接作為路基填料使用；第二：在礦山地區(qū)，煤矸石做路基填料取材方便、消耗量大，可以有效減少礦區(qū)煤矸石堆積帶來的社會(huì)環(huán)境問題[6]。但煤矸石具有強(qiáng)度較低、容易破碎、耐水性差等特點(diǎn)，其粒徑分布跨度較大，既有粒徑大于60 mm的巨粒，也有粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒。由于煤矸石產(chǎn)出部位不同，其巖性特征不同；生產(chǎn)方式不同導(dǎo)致產(chǎn)出的煤矸石粒度分布也有差異，不同程度地存在某些粒組分布不連續(xù)，這些都會(huì)影響矸石路基的強(qiáng)度及變形特性。因此對(duì)煤矸石力學(xué)特性進(jìn)行深入研究很有必要。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)煤矸石路基填料進(jìn)行了大量研究。Michalski等[7?9]采用不同類型煤矸石做模擬現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤矸石的可壓密程度和顆粒分布密切相關(guān)，不均勻系數(shù)u越大，可壓密程度越高，得到的最大干密度也越大。姜振泉等[10]分別對(duì)摻黏土和粉煤灰的煤矸石進(jìn)行壓密和滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響煤矸石固結(jié)特性的主要級(jí)配缺陷是細(xì)小顆粒含量過低，認(rèn)為適當(dāng)提高細(xì)小顆粒的比例，能夠很好地改善煤矸石的固結(jié)特性，其水穩(wěn)性也有顯著提高。由此可見粒度分布對(duì)煤矸石路基填料的壓密性有著重要影響。鄧文杰等[11]通過中型三軸試驗(yàn)分析了煤矸石在不同顆粒級(jí)配下的強(qiáng)度和變形特性，發(fā)現(xiàn)良好級(jí)配的煤矸石峰值強(qiáng)度隨u和c的增加呈先減后增的拋物線變化。李永靖等[12]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)建立了考慮不同相對(duì)密度、動(dòng)荷載幅值的軸向累積殘余應(yīng)變和動(dòng)模量公式。賀建清等[13]通過小型三軸試驗(yàn)研究了摻土煤矸石路基的工程特性并認(rèn)為煤矸石做路基填料滿足要求。但以上關(guān)于煤矸石的三軸試驗(yàn)研究均是中、小型試驗(yàn)研究，其最大粒徑小于20 mm，與實(shí)際工程填料粒徑分布有較大區(qū)別。凌華等[14]通過大型三軸試驗(yàn)研究了級(jí)配對(duì)粗粒土顆粒破碎、強(qiáng)度與變形的影響，并得到了鄧肯模型的主要參數(shù)。LIU等[15]利用不排水三軸剪切試驗(yàn)，研究了貧黏土在凍融循環(huán)和熱固化循環(huán)下的力學(xué)性能。根據(jù)硬化應(yīng)力?應(yīng)變曲線，計(jì)算了考慮循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度的抗剪強(qiáng)度和Duncan-Chang模型參數(shù)，目前對(duì)于煤矸石路基填料大型三軸試驗(yàn)方面的研究鮮見報(bào)道。本文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，以湘潭唐家山煤礦的煤矸石作為試驗(yàn)材料，將天然煤矸石進(jìn)行烘干篩分，采用人工級(jí)配的方法，開展了6組不同條件下的大型三軸靜態(tài)加載試驗(yàn)。每組為3個(gè)不同圍壓的試樣，所對(duì)應(yīng)的圍壓分別為100，200和300 kPa，以研究不同圍壓、不同級(jí)配、不同壓實(shí)度下的煤矸石路基填料強(qiáng)度與變形特性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料的基本性質(zhì)

煤矸石試驗(yàn)材料源自湘潭唐家山煤礦，粒徑分布相對(duì)均勻，顆粒表面相對(duì)粗糙而無尖銳棱角，粗顆粒強(qiáng)度較低，易破碎。通過EDS能譜試驗(yàn)，獲取了煤矸石的元素含量，其主要成分組成如表1所示。由表1可以看出，煤矸石的主要組成元素是碳、氧、鎂、硅、鈣等。通過液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)得煤矸石細(xì)顆粒的液性指數(shù)L=31.64，塑性指數(shù)P=20.57。

表1 煤矸石顆粒主要組成元素

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用成都東華卓越科技有限公司的DJSZ- 150型大型動(dòng)、靜三軸試驗(yàn)機(jī)(圖1)，該儀器有穩(wěn)壓加載控制方式、等應(yīng)力加載控制方式、等應(yīng)變加載控制方式3種軸壓加載方式；最大軸向靜載1 500 kN，最大軸向動(dòng)荷載700 kN，周圍壓力0～3 MPa，振動(dòng)頻率0.01～5 Hz；實(shí)驗(yàn)過程中具有自動(dòng)采集試樣軸向載荷、軸向位移、圍壓、孔隙壓力、反向壓力、體積變化等多種參數(shù)的功能；試樣直徑300 mm、高度600 mm，儀器可以進(jìn)行固結(jié)排水(CD)、固結(jié)不排水(CU)、不固結(jié)不排水(UU)等多種剪切試驗(yàn)。

圖1 三軸試驗(yàn)機(jī)

1.3 試驗(yàn)方法

將煤矸石材料用托盤裝好放在烘箱內(nèi)，把矸石中水分充分烘干，然后再將烘干的煤矸石用一套標(biāo)準(zhǔn)篩在振動(dòng)篩分臺(tái)上進(jìn)行篩分，得到試驗(yàn)所需的不同粒組的試驗(yàn)材料。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)獲得的不同級(jí)配的最大干密度按照一定的壓實(shí)度和試樣尺寸求得試樣在不同級(jí)配下各粒組的質(zhì)量，將不同粒組的矸石分成5等份并使其均勻混合。試驗(yàn)前清洗試驗(yàn)機(jī)，用乳膠管將乳膠膜綁扎在底座上，裝上角柱后用螺栓把護(hù)筒固定在角柱上，將乳膠膜翻轉(zhuǎn)過來套在護(hù)筒上并使護(hù)筒內(nèi)乳膠膜平順，將配置好的試驗(yàn)材料分5次裝入護(hù)筒內(nèi)，分層擊實(shí)，控制每層擊實(shí)后的高度為12 cm，待5層均擊實(shí)后蓋上頂蓋、綁扎上端乳膠膜，用真空泵抽真空立樣，然后拆除護(hù)筒和角柱并把底座清洗干凈，制成直徑300 mm，高度為600 mm的圓柱形試樣，如圖2所示。試樣制好后蓋上壓力罩，將試樣推入反力架中放置在基座上，往壓力室內(nèi)注水。壓力室內(nèi)的水充當(dāng)圍壓傳遞媒介，圍壓是由圍壓控制器對(duì)水媒介進(jìn)行加壓施加在試樣上。采用真空飽和法使試樣完全飽和，待固結(jié)完成后，采用等應(yīng)變加載控制方式進(jìn)行靜態(tài)加載，位移剪切速率為1.5 mm/min。當(dāng)強(qiáng)度曲線驟降或軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，即認(rèn)為試樣達(dá)到剪切強(qiáng)度，發(fā)生剪切破壞。

圖2 煤矸石試樣

1.4 試驗(yàn)方案

三軸試樣直徑應(yīng)大于試樣材料顆粒最大粒徑的4～6倍，即max=(1/4～1/6)，為試樣直徑。取max=/5，可知max=60 mm，根據(jù)Talbot推廣的級(jí)配控制方程[16?19]：

式中：為小于粒徑的累計(jì)百分含量；最大粒徑max=60 mm；為級(jí)配指數(shù)。

由級(jí)配良好條件，u≥5，c=1～3，求得：0.369 = lg1.5/1g3≤≤lg6/1g5=1.113，采用等差值法取級(jí)配指數(shù)為：0.39，0.63，0.87和1.11。根據(jù)級(jí)配方程求得不同級(jí)配下各粒組的質(zhì)量百分比，級(jí)配曲線如圖3所示。用BZYS-4212型表面振動(dòng)壓實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，獲得4種不同級(jí)配下煤矸石的最大干密度，基本參數(shù)如表2所示。從表中可以看出最大干密度隨不均勻系數(shù)u和曲率系數(shù)c的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)變化。采用一組孔徑為60，40，20，10，5，2，0.5和0.075 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩將煤矸石在振動(dòng)篩分臺(tái)上進(jìn)行篩分，按不同級(jí)配下煤矸石試樣各粒組所占的質(zhì)量百分比進(jìn)行人工配比，進(jìn)行不同級(jí)配，不同圍壓，不同壓實(shí)度等條件下的6組大型三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。根據(jù)公路路基大多埋深較淺的特點(diǎn)和賀建清等[2]的已有研究，選取圍壓分別為100，200和300 kPa，試驗(yàn)條件如表3所示。

圖3 級(jí)配曲線

表2 煤矸石基本參數(shù)

表3 試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 圍壓、級(jí)配對(duì)煤矸石路基填料強(qiáng)度與變形特性的影響

圖4為4種不同級(jí)配、壓實(shí)度為93%，在圍壓分別為100，200和300 kPa試驗(yàn)條件下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，由圖可知，煤矸石的軸向應(yīng)變均隨軸向應(yīng)力的增加而增加，曲線均為上凸型，且無明顯的峰值，屬于應(yīng)變硬化型。當(dāng)圍壓不變時(shí)，隨著值即粗顆粒含量的增加，相同軸向應(yīng)變下的軸向應(yīng)力先增后減；當(dāng)值即粗顆粒含量不變時(shí)，相同軸向應(yīng)變下的軸向應(yīng)力隨著圍壓的增加而增加。這主要是因?yàn)槊喉肥诸w粒表面粗糙且無尖銳棱角，顆粒間的接觸面積較大，級(jí)配良好時(shí)細(xì)小顆粒很好地填充在粗顆粒之間的孔隙中，試樣初始孔隙率較小。試樣在加載初期的壓縮變形引起煤矸石顆粒位置發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而重新排列，孔隙被壓縮，顆粒間的排列變得更為緊密，咬合力和摩擦力也逐漸增大。此外，在剪切過程中，由于軸向應(yīng)力的增加，部分煤矸石粗顆粒被剪壞，剪壞破碎的顆粒進(jìn)一步填充孔隙使試樣更為密實(shí)，顆粒間的咬合力和摩擦力也持續(xù)增強(qiáng)，因此宏觀上表現(xiàn)為軸向應(yīng)變隨軸向應(yīng)力的增加而增加，應(yīng)力?應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型。且隨圍壓的增加，試樣強(qiáng)度大幅度增長(zhǎng)，這是因?yàn)閲鷫耗軌蚝芎玫募s束試樣的徑向變形。圍壓越大，約束試樣徑向變形的能力也越強(qiáng)，相同的軸應(yīng)力所引起的軸應(yīng)變?cè)叫。虼吮憩F(xiàn)出試樣的抗剪強(qiáng)度隨圍壓增大而增大。

顆粒級(jí)配的不同主要體現(xiàn)在不均勻系數(shù)u、曲率系數(shù)c和粗顆粒所占質(zhì)量百分比等參數(shù)的不同。由表2可知隨級(jí)配指數(shù)值增加，不均勻系數(shù)u和曲率系數(shù)c遞減，粗顆粒的百分比含量逐漸增加，4種級(jí)配均為良好級(jí)配。由圖4可知，圍壓相同時(shí)相同軸向應(yīng)變下的軸向應(yīng)力隨值增加呈先增后減的趨勢(shì)變化。級(jí)配=0.39時(shí)，細(xì)小顆粒含量最多而粗顆粒含量最少，顆粒間摩擦力、咬合力作用較小，表現(xiàn)出黏性土的某些特性。隨級(jí)配指數(shù)的變化，粗細(xì)顆粒趨近于最佳配比時(shí)，細(xì)顆粒能很好的填充在粗顆粒骨架中共同承受荷載，顆粒間的摩擦力、咬合力增大。當(dāng)值繼續(xù)增大時(shí)，因粗顆粒含量多而細(xì)顆粒含量少，粗顆粒間的孔隙不能得到很好的填充，粗顆粒更易破碎，強(qiáng)度反而降低。因此隨級(jí)配指數(shù)的增加，相同軸向應(yīng)變下的軸向應(yīng)力呈先增后減的趨勢(shì)變化。

圖4 不同圍壓、級(jí)配的煤矸石應(yīng)力?應(yīng)變曲線

圖5為4種不同級(jí)配、壓實(shí)度為93%，在圍壓分別為100，200和300 kPa試驗(yàn)條件下的軸應(yīng)變?體應(yīng)變曲線，由圖5可知，在加載初期，試樣體積應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率較快，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，軸向應(yīng)力逐漸增大，體應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率逐漸變慢并趨于平緩。究其原因，加載初期試樣的變形主要是在軸向應(yīng)力作用下煤矸石顆粒位置發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，孔隙被壓縮，該階段類似于巖石在加載變形過程中的孔隙壓密階段。當(dāng)孔隙減小到某一值時(shí)，由顆粒錯(cuò)動(dòng)引起的孔隙變化趨于穩(wěn)定。后期煤矸石體積應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)主要是因?yàn)樵谥饾u變大的軸向應(yīng)力作用下粗顆粒破碎，破碎顆粒進(jìn)一步填充孔隙。而由煤矸石顆粒破碎引起的體應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)要比由孔隙壓密引起的體應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)要難得多，因此表現(xiàn)為體應(yīng)變前期增長(zhǎng)速率快而后期增長(zhǎng)速率慢，并逐漸趨于平緩。

相同級(jí)配不同圍壓的試樣，軸向應(yīng)變相同時(shí)體應(yīng)變隨圍壓增大而增大；相同圍壓不同級(jí)配的試樣，軸向應(yīng)變相同時(shí)級(jí)配=0.39試樣的體應(yīng)變最小，主要是因?yàn)榇思?jí)配細(xì)顆粒含量最多，顆粒間的孔隙小，水很難透過顆粒間的孔隙，與黏性土類似。此外級(jí)配=0.87的試樣在圍壓為100 kPa時(shí)，試驗(yàn)初期為體縮，后期出現(xiàn)體脹，隨著圍壓增大，逐漸由體脹向體縮過渡；其他級(jí)配的試樣在試驗(yàn)過程中均為體縮，沒有體脹現(xiàn)象。

圖5 不同圍壓、級(jí)配的煤矸石軸應(yīng)變-體應(yīng)變曲線

圖6 不同圍壓、壓實(shí)度的煤矸石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 壓實(shí)度對(duì)煤矸石強(qiáng)度變形特性的影響

由表2可知，=0.63級(jí)配的最大干密度為4種級(jí)配的最大值，能獲得較好的可壓密實(shí)性，因此=0.63為4種級(jí)配的最優(yōu)級(jí)配，選取此級(jí)配做不同壓實(shí)度試驗(yàn)。圖6為級(jí)配=0.63時(shí)在壓實(shí)度分別為90%，93%和96%，圍壓分別為100，200和300 kPa試驗(yàn)條件下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線。由圖可知，相同壓實(shí)度下試樣強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大；相同圍壓下試樣強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增大而增大，且壓實(shí)度由90%增長(zhǎng)到93%時(shí)試樣強(qiáng)度明顯增長(zhǎng)，由93%增長(zhǎng)到96%時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯，二者的應(yīng)力?應(yīng)變曲線接近重合，因此煤矸石作為路基填料壓實(shí)度滿足不小于93%即可。

3 煤矸石路基填料本構(gòu)模型

在圖4和圖6的煤矸石三軸試驗(yàn)應(yīng)力?應(yīng)變曲線中，切線模量隨軸向應(yīng)變的增加而減小，近似雙曲線形態(tài)。鄧肯等人的雙曲線模型可以反映變形的非線性，且模型參數(shù)及材料常數(shù)少，物理意義明確。即：

式中：d為軸向偏差應(yīng)力；a為軸向剪切應(yīng)變；d max為初始變形模量；(1－3)ult為雙曲線的漸近線所對(duì)應(yīng)的極限偏差應(yīng)力。

由擬合結(jié)果可知，圍壓對(duì)煤矸石試樣初始變形模量d max的影響顯著，相同條件下d max隨圍壓增大而增大。曲線擬合后得到的煤矸石d max如表4所示。

表4 煤矸石試樣的最大變形模量Ed max

其他條件都相同時(shí)，在lg(d max/a)與lg(σ3/a)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)關(guān)系圖中，dmax和圍壓3之間有著很好地線性關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式：

式中：和均為試驗(yàn)擬合參數(shù)；a為大氣壓。各試樣初始變形模量d max與圍壓3在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中的關(guān)系曲線見圖7。鄧肯模型合參數(shù)見表5。試驗(yàn)結(jié)果可以用鄧肯?張模型進(jìn)行擬合。

圖7 lg(Ed max/Pa)?lg(σ3/Pa)關(guān)系曲線

表5 鄧肯模型參數(shù)

4 結(jié)論

1) 煤矸石路基填料的軸向應(yīng)變均隨著軸向應(yīng)力的增加而增加，曲線均為上凸型，且無明顯的峰值，屬于應(yīng)變硬化型，且隨圍壓的增加，試樣強(qiáng)度增大。

2) 在加載初期，試樣體積應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率較快，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，軸向應(yīng)力逐漸增大，體應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率逐漸變慢并趨于平緩。

3) 相同壓實(shí)度不同級(jí)配的試樣，當(dāng)圍壓不變時(shí)，隨著值即粗顆粒含量的增加，相同軸向應(yīng)變下的軸向應(yīng)力先增后減。

4) 壓實(shí)度由90%增長(zhǎng)到93%時(shí)試樣強(qiáng)度明顯增長(zhǎng)，由93%增長(zhǎng)到96%時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯，煤矸石作為路基填料壓實(shí)度應(yīng)滿足不小于93%。

5) 煤矸石應(yīng)力?應(yīng)變曲線可以用鄧肯?張雙曲線模型擬合，得出了煤矸石雙曲線模型的相關(guān) 參數(shù)。

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Study on strength and deformation characteristics of coal gangue subgrade filling

WU Jun, GAO Wenhua, ZHANG Zongtang, TANG Xiaoyu, YI Meihui

(Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

In recent years, with the rapid development of highway in China, coal gangue has been widely used as subgrade filler, but the study of coal gangue is far behind the engineering practice. In this paper, the strength and deformation characteristics of coal gangue subgrade fillings under different confining pressures, different gradations and different degree of compaction levels were studied by using artificial gradation method based on Talbot's generalized gradation control equation. The experimental results show that the axial strain of gangue subgrade filler increases with the increase of axial stress, and the stress-strain curve has no obvious peak value, which is a strain hardening type. When the confining pressure is unchanged, the axial stress under the coaxial strain increases first and then decreases with the increase ofvalue, i.e. the content of coarse particles. After the compacting degree reaches 93%, increasing the compacting degree has no obvious effect on the strength growth of the sample. The stress-strain curve of coal gangue can be fitted by Duncan-Zhang hyperbolic constitutive model, and the specific parameters of the hyperbolic constitutive model are obtained.

gangue; roadbed filling; strain hardening; large triaxial test; constitutive model

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200536

TU411

A

1672 ? 7029(2021)04 ? 0885 ? 07

2020?06?14

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2020JJ4019)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX20190790)

高文華(1962?)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，博士，從事巖土工程和地下結(jié)構(gòu)工程的研究；E?mail：wenhuagao@163.com

(編輯 涂鵬)