軟土區(qū)某地鐵深基坑施工過程數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測

徐 江 龔維明 穆保崗 劉博韜 張 琦 戴國亮

(東南大學混凝土及預應力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室, 南京 210096)(東南大學土木工程學院, 南京 210096)

軟土區(qū)某地鐵深基坑施工過程數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測

徐 江 龔維明 穆保崗 劉博韜 張 琦 戴國亮

(東南大學混凝土及預應力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室, 南京 210096)(東南大學土木工程學院, 南京 210096)

為研究軟土區(qū)地鐵深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形及周邊土體位移特性,運用ABAQUS軟件對軟土區(qū)某地鐵深基坑施工過程進行建模分析和安全監(jiān)測,并將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比分析．結(jié)果表明:采用摩爾庫倫模型模擬基坑施工過程得到的地連墻水平位移結(jié)果準確,墻體最大水平位移的平均計算誤差為實測值的15%,周邊土體沉降計算值與實測值相比偏小;開挖最后一層土體且開挖面附近無支撐作用時,墻體水平變形明顯增大,長邊中點斷面及端部斷面變形增量分別為9.1和10.5 mm,安全監(jiān)測應以開挖面附近地連墻水平位移變化速率為控制指標;狹長型深基坑長邊中點斷面及端部斷面地連墻變形差異較大,應針對不同位置分別制定變形監(jiān)測預警值;支撐軸力在開挖下一層土體時會出現(xiàn)較大突變,設計應充分考慮該突變對支撐安全儲備的影響,監(jiān)測應重點關(guān)注突變前后支撐軸力的變化．

軟土區(qū)地鐵深基坑;有限元分析;現(xiàn)場監(jiān)測;圍護結(jié)構(gòu)變形

目前,我國存在大量的在建地鐵或擬建地鐵項目,隨之而來的是地鐵車站深基坑工程,基坑的深度和規(guī)模逐漸向超深、超大的方向發(fā)展．由于城市建筑物密集,大多數(shù)基坑不具備放坡開挖的條件,因此深基坑在開挖過程中的安全問題始終是巖土工程領(lǐng)域的一個熱點問題．受地質(zhì)歷史時期的海侵和海退影響,沿海地區(qū)往往廣泛分布有深厚的海陸交互相沉積軟黏土．該類軟黏土抗剪強度低、承載力低、靈敏度大、含有較多貝殼及腐植物、孔隙比大、極易被擾動,且被擾動后土體性質(zhì)急劇降低難以恢復,易產(chǎn)生觸變、流變,容易引起地基變形和失穩(wěn),因此,這類地質(zhì)條件下的深基坑工程往往面臨著更大的挑戰(zhàn)．文獻[1-8]針對軟土地區(qū)多個深基坑的實測結(jié)果進行了研究和總結(jié),分析了軟土地區(qū)深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形特性及周邊地表變形性狀．王源等[9]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),研究了南京長江隧道浦口深基坑開挖時土體沉降與水平位移、坑底隆起、地下水位、支護樁內(nèi)力、支撐軸力和水土壓力的變化規(guī)律．馮虎等[10]建立了上海地區(qū)超深基坑工程數(shù)據(jù)庫,發(fā)現(xiàn)軟土層厚度與基坑變形有著密切的關(guān)系,對于軟弱土層的厚度不大于50%H(H為基坑圍護墻深度)的基坑,其最大變形不超過0.250%;對于軟土層厚度大于50%H的基坑,其平均最大變形達到0.303%．為了進一步研究軟土區(qū)地鐵深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形特性,本文以佛山市某地鐵深基坑工程項目為依托,運用ABAQUS軟件對基坑開挖—加支撐過程進行了全工況模擬．針對分析所得的危險區(qū)域制定了具有針對性的監(jiān)測方案,并結(jié)合后期現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了綜合對比和分析,為軟土區(qū)深基坑工程分析及設計提供了參考．

1 工程概況

1.1 基坑

車站為佛山市城市軌道交通二號線工程一期工程中間站,車站基坑長度為217.0 m,基坑標準段寬度為19.2 m,基坑兩端寬度為27.8 m,開挖深度為16.8 m．車站主體圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+支撐的支護結(jié)構(gòu)形式,地連墻厚800 mm,共設4層支撐:第1層采用C30鋼筋混凝土米字形支撐,標準段支撐截面尺寸為800 mm×1 000 mm,車站兩端擴大區(qū)域采用斜撐,截面尺寸為700 mm×1 000 mm;第2層標準段采用φ800 mm×16 mm鋼支撐,車站兩端為混凝土斜撐,截面尺寸為700 mm×1 000 mm;第3,4層標準段采用雙拼φ609 mm×16 mm鋼支撐,兩端為混凝土斜撐,截面尺寸分別為1 000 mm×1 000 mm 和700 mm×1 000 mm．基坑標準斷面支護結(jié)構(gòu)如圖1所示,其余各層支撐布設位置與第1層基本一致(見圖2)．基底及基底以上存在較大厚度的淤泥質(zhì)土及粉細砂,為保證地下連續(xù)墻成槽安全,在地連墻兩側(cè)設置了攪拌樁．基坑周邊環(huán)境簡單,無近鄰的大型建筑,沿基坑東北側(cè)有幾棟2層民宅,距離基坑較遠．

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:mm)

1.2 地質(zhì)條件

2 有限元分析

2.1 建模

建立三維1∶1有限元模型,模型尺寸為318 m×150 m×50 m．根據(jù)實際地層情況建立土體模型,土體共分9層,土體及地下連續(xù)墻模型為實體模型,支撐體系選用梁單元模型.地連墻、土體及支撐模型見圖3．實體單元網(wǎng)格類型為C3D8R八節(jié)點線性六面體單元,利用單精度輻射狀網(wǎng)格劃分方法,對地連墻及周圍15 m范圍內(nèi)的土體網(wǎng)格進行細化和加密處理．土體與墻體間的接觸采用面面接觸模型,每層土體土性不同使得各層土體與墻體的摩擦系數(shù)也不相同．接觸面建立過程中, 按照不同土層分別建立接觸面,其中墻體內(nèi)外表面為內(nèi)外接觸面對的主面,墻內(nèi)及外部的土體界面為從面．接觸屬性中限制法向剛度和切向剛度,法向剛度采用硬接觸,并允許接觸后分離．切向剛度選用罰函數(shù),各接觸面摩擦系數(shù)按照不同土體的內(nèi)摩擦角計算求得．地連墻與支撐體系之間選用嵌入接觸,支撐體系作為內(nèi)嵌體,地連墻為嵌固區(qū)域．基坑周邊無近鄰的大型建筑,東北側(cè)幾處民宅整體荷載小且距離基坑較遠,對基坑圍護結(jié)構(gòu)影響較小,因此在建模計算過程中未考慮其荷載對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響．

圖2 基坑支護結(jié)構(gòu)平面布置圖(單位:m)

表1 主要地層參數(shù)

(a) 地連墻及土體模型

(b) 支撐模型

2.2 計算參數(shù)

地連墻材料屬性為彈性模型,彈性模量取30 GPa．各層土體均采用以摩爾-庫倫屈服條件為破壞準則的理想彈塑性模型．內(nèi)支撐為梁單元,選用彈性模型,鋼支撐彈性模量為209 GPa,鋼筋混凝土支撐彈性模量為30 GPa．各土層計算參數(shù)值見表1．

2.3 計算步驟

按照施工過程進行分析步設計,通過設定網(wǎng)格單元的生死來模擬施工步驟．具體分析步驟為:① 平衡初始應力場;② 地連墻施工;③ 開挖第i(i=1,2,…,5)層土體,并布設第k(k=1,2,3,4)層支撐,其中開挖1～5層土體層厚分別為1.7,3.4,3.0,4.0,4.7 m．

2.4 計算結(jié)果

2.4.1 地連墻水平位移

圖4為基坑開挖過程中的地連墻水平位移云圖．圖中,U3表示地連墻沿水平方向(Z軸方向)位移．圖5給出了各工況地連墻長邊中點斷面和標準段端部斷面(圖4(b)中箭頭標識)墻體水平位移,圖中工況1～工況9依次表示:開挖第1層土體、布設第1層支撐、開挖第2層土體、布設第2層支撐、開挖第3層土體、布設第3層支撐、開挖第4層土體、布設第4層支撐、開挖第5層土體．由圖可知,每個工況下墻體水平位移最大值均位于基坑長邊的中點區(qū)域,基坑逐步開挖過程中,地連墻水平位移逐步增大,變形最大位置沿墻身逐漸向下移動．開挖至基底后,墻體最大水平位移為31.45 mm,標準段端部斷面最大水平位移為20.91 mm,最大水平位移位置都在墻頂以下14 m處．

(a) 開挖第1層土體

(b) 開挖第5層土體

(a) 長邊中點斷面

(b) 標準段端部斷面

2.4.2 基坑周邊土體沉降

圖6為基坑開挖過程中的周邊土體豎向位移云圖．圖中,U2表示基坑周邊土體沿豎直方向(Y軸方向)位移．圖7給出了各工況長邊中點斷面和標準段端部斷面(圖6中箭頭標識)土體沉降．由圖可知,每個計算工況周邊土體沉降最大值均位于基坑長邊中點區(qū)域,沿基坑長邊呈條形分布．隨著基坑逐步開挖,沉降影響范圍也逐漸擴大, 開挖至基底后,土體沉降最大值為15.45 mm,發(fā)生在距基坑邊緣7.54 m處,周邊土體沉降影響范圍約為35 m,主要影響范圍約為19 m．

圖6 周邊土體沉降云圖

2.4.3 支撐軸力

每個工況支撐軸力峰值都出現(xiàn)在基坑長邊中點區(qū)域,基坑端頭部分斜支撐軸力相對較?。?開挖第5層土體至基底時,各層支撐軸力峰值從大到小依次為第1層支撐、第4層支撐、第2層支撐、第3層支撐．

3 監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)

3.1 監(jiān)測點布設

監(jiān)測內(nèi)容包括圍護結(jié)構(gòu)變形(墻體測斜)、支撐軸力、周邊土體地表沉降、坑外地下水位等．適當增加了數(shù)值計算中受力及變形較大區(qū)域的監(jiān)測點數(shù)量:在基坑長邊中點區(qū)域,加密測斜管的布置;在基坑長邊中點區(qū)域及標準段兩端處增加土體沉降監(jiān)測點的數(shù)量,每個監(jiān)測斷面設置5個沉降監(jiān)測點(圖8(a)中方框標出區(qū)域),5個監(jiān)測點距基坑邊緣依次為1.5,5.0,11.0,21.0,35.0 m,其余斷面布設3個監(jiān)測點．基坑周邊共布設113個土體沉降點(編號DBC-001～DBC-113),地連墻內(nèi)共埋設32孔測斜管(編號ZQT01～ZQT32),第1層～第4層支撐每層布設12組軸力計(以第1層支撐為例,軸力計編號為ZCL-01-01～ZCL-12-01),4層支撐同一平面位置處的4組軸力計組成一個監(jiān)測斷面,共12個監(jiān)測斷面(監(jiān)測斷面編號為ZCL-01～ZCL-12,以監(jiān)測斷面ZCL-01為例,第1層～第4層基坑長邊中點區(qū)域及標準段兩端處增加土體沉降監(jiān)測點的數(shù)量,每個監(jiān)測斷面設置5個沉降監(jiān)測點(圖8(a)中方框標出區(qū)域),5個監(jiān)測點距基坑邊緣依次為1.5,5.0,11.0,21.0,35.0 m,其余斷面布設3個監(jiān)測點．基坑周邊共布設113個土體沉降點(編號DBC-001～DBC-113),地連墻內(nèi)共埋設32孔測斜管(編號ZQT01～ZQT32),第1層～第4層支撐每層布設12組軸力計(以第1層支撐為例,軸力計編號為ZCL-01-01～ZCL-12-01),4層支撐同一平面位置處的4組軸力計組成一個監(jiān)測斷面,共12個監(jiān)測斷面(監(jiān)測斷面編號為ZCL-01～ZCL-12,以監(jiān)測斷面ZCL-01為例,第1層～第4層軸力計編號為ZCL-01-01～ZCL-01-04)．圖8(a)為監(jiān)測點半平面布置圖,基坑標準斷面監(jiān)測點布置如圖8(b)所示．

(a) 長邊中點斷面土體沉降

(b) 標準段端部斷面土體沉降

圖7 各工況周邊土體沉降

(a) 半平面布置圖

(b) 標準斷面布置圖

3.2 地連墻測斜數(shù)據(jù)

圖9為ZQT25(位于基坑長邊中點)及ZQT30(位于標準段端部)的測斜數(shù)據(jù)．由圖可見,基坑在開挖過程中,ZQT25測斜管處地連墻最大水平位移為35.50 mm,最大位移發(fā)生在墻頂以下14.5 m處;ZQT30測斜管處連墻最大水平位移為25.89 mm,最大位移發(fā)生在墻頂以下12.0 m處．

(a) ZQT25

(b) ZQT30

3.3 周邊土體沉降

選取DBC-083～DBC-087(基坑長邊中點)及DBC-004～DBC-008(標準段端部)監(jiān)測點的沉降數(shù)據(jù)．如圖10所示,基坑開挖至基底時,DBC-083～DBC-087斷面內(nèi)DBC-085點沉降最大,最大沉降為42.88 mm,測點位置距基坑邊緣11.0 m;DBC-004～DBC-008斷面內(nèi)DBC-007點沉降最大,最大沉降為32.71 mm,測點位置距基坑邊緣5.0 m．

(a) DBC-083～DBC-087

(b) DBC-004～DBC-008

3.4 支撐軸力

圖11為第1層～第4層支撐軸力監(jiān)測值．由圖可知,第1層～第4層支撐軸力最大測值都位于監(jiān)測斷面ZCL-07內(nèi)．各層支撐軸力最大測值從大到小依次為第1層、第4層、第2層、第3層．圖12為ZCL-07斷面內(nèi)ZCL-07-01～ZCL-07-04軸力計在各工況下的測值曲線．由圖可知,上一層支撐軸力測值在開挖下一層土體時增大明顯,會出現(xiàn)較大突變,待下一層支撐安裝完成并發(fā)揮作用后,上一層支撐軸力測值減?。缘?層支撐ZCL-07-01為例,開挖第2層土體后,ZCL-07-01軸力測值增大,布設第2層支撐后,ZCL-07-01軸力測值減?。馏w開挖過程中,各層軸力測值多次出現(xiàn)增大—減小的過程,曲線整體呈折線形．第1層支撐軸力測值整體較大,最大測值1 734 kN．對于工況2～工況9,ZCL-07-01軸力測值依次為480,1 263,898,1 689,1 460,1 734,1 046,1 492 kN．第1層支撐軸力測值曲線的4個波谷點對應工況分別為布設第1層～第4層支撐,4個波峰點對應工況分別為開挖第2層～第5層土體．工況2的支撐軸力測值為480 kN,工況3則變?yōu)? 263 kN,增大了2.6倍．工況5的支撐軸力測值較工況4增大了1.9倍,工況7較工況6增大了1.9倍,工況9較工況8增大了1.4倍．因此,在設計中應充分考慮這種突變對支撐安全儲備的影響,在監(jiān)測過程中應重點監(jiān)測此過程中支撐軸力的變化．

圖11 各層支撐軸力監(jiān)測值

圖12 各工況下軸力計ZCL-07-01～ZCL-07-04的監(jiān)測值

4 有限元結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

4.1 地連墻水平位移

ZQT25,ZQT30的實測值和相應位置處的有限元計算結(jié)果對比見圖13．經(jīng)過對比分析可知,有限元分析得到的墻體變形規(guī)律與實測得到的墻體變形規(guī)律吻合,ZQT25和ZQT30處地連墻變形計算與實測的差值分別為4.07和4.98 mm(分別占實測值的11%和19%),平均計算誤差(約4.5 mm)為實測值的15%,數(shù)值差異較小,說明建模及土體參數(shù)取值合理,整體模擬精度較高．

(a) ZQT25

(b) ZQT30

開挖第5層土體至基底時引起的墻體變形顯著,計算和實測的變形增量分別為9.1和10.5 mm,呈明顯的非線性增長．主要原因是,坑底及以上部分位于淤泥質(zhì)土及粉細砂中,被動區(qū)土體性質(zhì)差,開挖面以上支撐剛度較大,導致水平變形向下發(fā)展,從而出現(xiàn)變形明顯且變形位置明顯下移現(xiàn)象,計算及實測得到地連墻最大水平位移位置距離墻頂分別為0.83he和0.86he(he為基坑開挖深度)．因此,在基坑開挖至基底過程中應重點關(guān)注開挖面附近圍護結(jié)構(gòu)水平位移的變化速率．

墻體水平位移的計算和實測最大值都超過設計規(guī)定的控制標準(≤0.25%he,且<30 mm),但圍護結(jié)構(gòu)仍能發(fā)揮其正常的作用,圍護結(jié)構(gòu)長邊中點斷面及端部斷面變形差異較大．目前,地鐵基坑大都為狹長型基坑．結(jié)合文獻[1-2,10]中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),對于軟土區(qū)的狹長型深基坑,基坑不同位置處的變形具有明顯差異,因此規(guī)范中的變形統(tǒng)一標準有待進一步細化．

4.2 周邊土體沉降

DBC-021～DBC-025,DBC083～DBC-087,DBC-004～DBC-008,DBC-100～DBC-104斷面實測值和對應位置處的有限元計算結(jié)果對比見圖14．

(a) DBC-021～DBC-025,DBC-083～DBC-087

(b) DBC-004～DBC-008,DBC-100～DBC-104

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,DBC-021～DBC-025和DBC-083～DBC-087斷面,DBC-004～DBC-008和DBC-100～DBC-104斷面沉降曲線的沉降最大值位置分別位于距基坑5和11 m處．由于監(jiān)測點數(shù)量有限,監(jiān)測結(jié)果具有離散性,因此,真正的沉降最大值位置位于距離基坑邊緣5～11 m處,即基坑長邊中點斷面和標準段端部斷面處沉降最大值位置都位于實測沉降曲線兩峰值之間,該結(jié)果與有限元計算結(jié)果一致．有限元計算得到的周邊土體沉降與后期現(xiàn)場實測規(guī)律吻合,最大沉降位置準確,能良好地反映基坑開挖過程中周邊土體的變形規(guī)律,但實測地表沉降值遠大于有限元計算結(jié)果,主要原因在于:

1) 建模中土體為摩爾-庫倫模型,為理想彈塑性模型,其實質(zhì)為線彈性模型加上摩爾庫倫破壞準則．它能夠描述土體的塑性變形并反映土體的破壞行為,但其在達到破壞之前的應力-應變關(guān)系是彈性的,因此在模擬非線性變形的過程中具有局限性．

2) 實際施工過程中,地連墻多處墻幅接頭位置出現(xiàn)過不同程度滲漏水情況,并導致坑外地下水位出現(xiàn)明顯變化,排水固結(jié)過程導致土體沉降明顯．

3) 實際施工過程中存在不同程度的機械擾動及超挖現(xiàn)象,而模擬過程中未能考慮機械擾動、超挖及時空效應對周邊土體沉降的影響．

4.3 支撐軸力

數(shù)值模擬的支撐軸力及變形規(guī)律與實測結(jié)果吻合,在數(shù)值上存在一定差異．主要原因在于,模擬基坑開挖是一種理想的整體開挖過程,而實際工程中開挖方式、支撐安裝時機等因素都會對支撐軸力產(chǎn)生較大影響．基坑開挖過程中,支撐軸力測值在開挖下一層土體時顯著增大,有明顯的突變現(xiàn)象,待下一層支撐安裝完成并發(fā)揮作用后,上一層支撐軸力測值明顯減小,曲線整體呈折線形．基坑開挖過程中第1層支撐軸力測值整體較大,最大軸力測值出現(xiàn)在第1層支撐ZCL-07監(jiān)測斷面內(nèi)．第4層支撐軸力測值也較大,原因在于開挖第5層土體后墻體變形較大且第4層支撐以下至基底范圍內(nèi)再無其他支撐作用．

5 結(jié)論

1) 采用摩爾庫倫模型對基坑開挖過程進行了模擬．計算結(jié)果表明,圍護結(jié)構(gòu)變算值較準確,平均計算誤差(約4.5 mm)約為實測值的15%,周邊土體沉降的計算值較實測值偏小,誤差較大．

2) 數(shù)值計算及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明,在基底及基底以上區(qū)域存在軟弱土層的軟土區(qū),開挖最后一層土體且開挖面附近無支撐作用的情況下,墻體水平變形明顯增大,被動區(qū)土體性質(zhì)差導致水平變形向下發(fā)展,從而出現(xiàn)變形位置明顯下移的現(xiàn)象．因此,在基坑開挖至基底的過程中,監(jiān)測工作應以開挖面附近圍護結(jié)構(gòu)水平位移變化速率為控制指標．

3) 狹長型深基坑長邊中點斷面及端部斷面圍護結(jié)構(gòu)變形差異較大,現(xiàn)有規(guī)范有待進一步細化．因此,在實際工程中,安全監(jiān)測方案應對基坑不同位置分別制定具有針對性的圍護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測預警值．

4) 計算及實測結(jié)果都表明,在基坑開挖過程中,支撐軸力在開挖下一層土體時測值明顯增大,會出現(xiàn)較大突變．因此,在設計中應充分考慮這種突變對支撐安全儲備的影響,在監(jiān)測過程中應重點監(jiān)測此過程中支撐軸力的變化．

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Numerical simulation and monitoring on construction process of deep pit of subway station in soft clay

Xu Jiang Gong Weiming Mu Baogang Liu Botao Zhang Qi Dai Guoliang

(Key of Laboratory for Concrete and Pre-Stressed Concrete Structure of Education of Ministry, Southeast University, Nanjing 210096, China)(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To study the deformation of deep pit and surrounding soil displacement in the soft soil area, the software ABAQUS was used for modeling analysis and safety monitoring of the construction process of a subway deep pit in soft soil area. The calculation results were compared with the measured data. The results show that when the Mohr Coulomb model is used to simulate the construction process of pit,the horizontal displacement of the wall calculated is accurate and the average calculation error of the maximum displacement of the wall is 15% of the measured value. The calculated settlement of the surrounding soil is smaller than the measured value. When the last layer of soil is excavated and there is no supporting action near the excavation surface, the horizontal deformation of the wall increases obviously. The increment of the deformation of the long-side mid-point section and that of the end section of the long-side are 9.1 and 10.5 mm, respectively. The change rate of the horizontal displacement of the diaphragm wall near the excavation surface should be taken as the control index of safety monitoring. The mid-point section of the long-side and the end section of the long-side have different wall deformation in long deep pits. The warning values of the deformation monitoring should be set for different positions. The axial force of the support exhibits a large mutation when the next layer soil is excavated. The impact of the mutation on the support safety reserve should be taken into account in the design, and the change of the axial force before and after mutation should be focused on during monitoring.

deep pit of subway station in soft clay; finite element analysis; monitoring; deformation of retaining structure

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.029

2016-09-25. 作者簡介: 徐江(1988— )，男，博士生；龔維明(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導師，wmgong@seu.edu.cn．

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX16_0238)、國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2013CB036304).

徐江,龔維明,穆保崗,等.軟土區(qū)某地鐵深基坑施工過程數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(3):590-598.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.029.

TU476.3

A

1001-0505(2017)03-0590-09