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【摘要】：南宁市某住宅小区桩基工程，采用了旋挖钻机造孔工艺，施工成果满足设计要求，实现了施工进度快，环境污染小，成本低的生产目标，解决了旋挖钻机在复杂地层尤其是砂卵石地层的造孔难题；通过对钻头进行技术改造，解决了旋挖钻机在弱风化岩层的快速施工，对类似工程尤其是南宁市砂卵石地层的桩基础工程施工有一定的借鉴作用。
【关键词】：砂卵石地层；旋挖钻机； 施工
Abstract: a residential area in Nanning pile foundation engineering, the use of a rotary drilling rig pore-forming process, the construction results meet the design requirements to achieve the construction schedule, environmental pollution, and low cost production goals and solve the rotary drilling rigcomplex formation, especially sand and gravel formation pore problems; drill technological innovation, to solve the rapid construction of a rotary drilling rig in the weak weathered rock, on similar projects, especially Nanning City, formation of sand and gravel pile foundation constructionreference.
Key words: sand and gravel formation; rotary drilling rig; construction
中图分类号: TU473.1 文献标识码：A文章编号：
1 工程概况
南宁市某住宅小区工程位于科园路西侧，南面为广西电力职业技术学院，北面为荷塘月色住宅小区。建有6栋18层的高层建筑，地面以上高度54.5m，设地下室1层，基坑开挖深约5.0m。场地南侧边坡长约225m，西侧长约35m，边坡高5.0m～6.5m，基坑采用抗滑桩支护。
2 地质条件
根据钻探与岩土取样分析鉴定，各岩土层分布及特征自上而下依次为素填土、杂填土、粉质粘土、圆砾夹砾砂、中砂、强风化泥岩。地下水有两种，上层滞水和潜水。上层滞水主要埋藏于填土层和耕（表）土层中，水位埋深与杂填土的厚度有关，地下水位高程为81.66m～81.88m。潜水主要埋藏于圆砾层中，地下水位高程约为72.58m～73.04m，受降雨及心圩江河水的渗漏补给。上层滞水埋藏较浅，主要受雨季大气降水下渗补给及边坡顶面现有的排水沟下渗补给，水量不大。
3 施工技术难点
3.1 工程位于人居密集区，粉尘和噪音处理给施工带来一定的困难。
3.2 地质条件比较复杂, 砂卵石层及流砂层造孔时孔壁易坍塌。
3.3 强风化、弱风化、微风化泥岩, 旋挖鉆机钻进难度大,必须将石块破碎方能钻进，所有桩基嵌岩进入微风化泥岩,嵌岩深度1m。
3.4 岩石层钻进时容易造成钻头损坏及钻杆扭断。
4 造孔工艺的选定
造孔工艺主要有两种，旋挖钻成孔和冲击钻成孔，冲击钻机施工进度慢，成本高，对周边环境污染比较大，但对地层的适应性较强。旋挖钻机施工进度快，对周边环境污染比较小，但对地层的适应性较差，碰到粒径超过30cm的卵石时钻进困难, 根据地层取样分析鉴定，没有发现粒径超过30cm的卵石埋存，桩基嵌岩进入微风化泥岩时，旋挖钻机可以克服。通过比选，最终确定旋挖钻施工方案。
5 施工设备的特点
5.1 可以根据不同的地质更换不同的操作方式。性能优越、操作方便、安全可靠。
5.2 全液压，低噪音，无粉尘污染，自动化程度高。但对地层的适应性较差。
5.3 箱型桅杆配有油缸自动组装、拆卸系统,组装运输便捷，拥有多项控制监控系统。
6 施工方法
6.1 施工流程
图1
6.2 平整场地
钻机就位前必须平整场地并压实,因旋挖钻机半干式钻进出土量大,应能用装载机及时处理挖出来的弃土。
6.3 桩孔定位
6.3.1 施工前必须对控制点及水准点进行导线闭合复核，控制点要求设置座落在坚固稳定地面。
6.3.2 在场地平整压实后，对控制点及水准点的精度进行检查，使用全站仪和钢尺进行桩位测量定位，使用水准仪测量桩基原地面标高，桩位原则上必须使用在木桩上打钉的方法进行确定以保证放样精度，桩位定位后用立即用水泥砂浆进行桩位保护，桩位放样完后必须进行复核。
6.4 钻机就位
在钻机对位时，先将钻机机座调整水平并用水平尺复核，再将钻塔调整垂直，然后根据立轴钻杆中心对位桩中心，检查两者中心是否重合，如果偏差较大，应调整钻机位置保证偏差不大于2cm。
6.5 护筒埋设
用比设计桩径大15cm的开孔钻头进行开孔，钻进深度不少于1.0m，然后用钻机下放钢护筒,钢护筒长度要求不少于1.5m。此后，在护筒周围对称地、均匀地回填土、分层夯实。最后，复测护筒顶部中心与桩位之间的偏差和护筒垂直偏差，要求不超出规范容许值。
护筒内贮存足够的泥浆，在钻杆提出桩孔时，可确保护筒内的水压，维护孔壁泥皮的稳定。同时避免回转斗升降过程碰撞、刮拉护筒，保护孔口的稳固。护筒离地应控制在15～30cm，除保护孔口防止坍塌外，还用以防止表面水或地面漏浆、杂物等滑落孔中。
6.6 成孔
6.6.1 泥浆池、泥浆沟设置
挖泥浆循环沟，设置泥浆池、储浆池，并循环连接，为了孔内返上来的泥渣能及时沉淀，提高成孔及清孔速度，根据现场场地情况，本工程设计泥浆池体积为12m3，泥浆沟长度为15m。
初次注入泥浆，尽量竖直向下冲击在桩孔中间，避免泥浆沿护筒侧壁下流冲塌护筒根部，造成护筒根部基土的松软，正式钻进前，再倒入3袋膨润土，启动钻机的高速甩土功能，进行充分搅拌，提高膨润土的含量，增大护筒底部同基土结合处护壁泥皮的厚度，防止钻进过程孔口渗漏坍塌。
6.6.2 钻斗选用
钻斗盛料桶选用圆锥式，底盘焊有齿刃，侧壁导流槽保持通畅，以有利于在桩孔内的导向及泥浆的导流，减小桩孔内的负压。
施工前根据地质情况选用合理的钻具，只有选择合适的钻斗齿刃前角，才能提高进尺效率。对于素填土、杂填土、粉质粘土，钻比较松软的地层时斗齿刃前角应稍大些；对于圆砾夹砾砂、中砂、弱风化泥岩，钻比较硬的地层时斗齿刃前角应稍小些。
6.6.3 成孔护壁
（1）泥浆的作用
在旋挖过程中泥浆主要起到压强、护壁、悬浮和润滑作用，泥浆采用澎润土制备而成。泥浆护壁是利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力，以确保孔壁的稳定，所以泥浆的比重则起到保持这种压力差的关键作用。如果钻孔中的泥浆比重过小，泥浆护壁就容易失去了阻挡孔壁坍塌的作用；如果泥浆的比重过大，则容易使泥浆泵产生堵塞。
（2）泥浆配制
1）泥浆的原材料
控制泥浆的澎润土应选择粘粒含量大于50%，塑性指标大于20，含砂量小于5%，二氧化硅与三氧化二铝含量的比值为3-4倍的澎润土为宜。
2）泥浆配比
应按地基土的状况、钻机和工程条件来定。一般100L的水需加8kg的膨润土，由于情况各异，泥浆的性能指标和配合比，必须根据地层特性、造孔方法、泥浆用途而有所变化。
3）泥浆指标
要充分发挥泥浆的作用，就根据工程地质具体情况，合理地控制不同地层中泥浆的指标，泥浆的主要性能指标如下表。
在钻进入砂卵石层后孔内泥浆高程必须保持在孔口高程，同时按设计配比投入适量膨胀土，增加泥浆的粘度。
6.6.4 钻机的钻进控制
钻进过程，回转斗的底盘斗门必须保证处于关闭状态，以防止回转斗内砂土、卵石或粘土落入护壁泥浆中，破坏泥浆的配比；每个工作循环严格控制钻进尺度，避免埋钻事故；同时应适当控制回转斗的提升速度。升降速度宜保持在0.75～0.85m／s，提升速度过快，泥浆在回转斗与孔壁之间高速流过，冲刷孔壁，破坏泥皮，对孔壁的稳定不利，容易引起坍塌。
6.6.5 不同地质情况操作作要点
（1） 阻力较小的素填土、杂填土、粉质粘土层“以刚克柔”，利用钻机大扭矩，重加压力快速钻进；
（2）磨阻力较强的砂层“刚柔并进”，阻力较高，钻机需大扭矩输出钻进，但不能蛮钻，钻机负荷升高时提升加压油缸来轻阻力；
（3）反作用较强的砂卵石地层则“以柔克刚”，钻输出的加压力和扭矩与所受到的震动和反作用力成正比，所以不能硬钻以免部件受损并影响生产；
（4）入岩石层则“以刚克刚”，在保证钻斗和操作无缺陷情况下，只能以钻机输出的大扭矩和重压力来钻入地质，克服旋挖切削的阻力。
6.6.6 钻斗的技术改造
（1）存在的问题
在钻进到砂卵石和弱风化岩石地层时，钻进阻力非常大，进尺较慢，钻斗磨损快甚至出现断齿等情况，经过对地层取样进行详细勘察，决定对钻斗进行技术改造。
（2）钻斗技术改造
造成施工进度慢及机具损坏的主要原因，是由于钻进时钻斗所受到的阻力引起的，如何减少各种阻力，成为技术改造钻斗的主要思路。旋挖钻进时负荷主要来源于三，一是正阻力，既旋挖切削地质的斗齿；二是侧阻力，既钻斗的钻筒与外侧地质摩擦；三是内阻力，既钻斗的筒体与钻进的渣土自重以及渣土与钻斗筒壁内侧摩擦。
由于泥浆的润滑功能，大大减少侧阻力和内阻力的作用，无论任何地质，钻进时泥浆都具有减阻的作用，故钻斗改造不考虑侧阻力和内阻力的影响，主要对产生正阻力的斗齿进行改造。
随机原配钻斗合金钻齿轴线与钻头轴线全部成450角，要减少正阻力，就要减小钻齿轴线与钻头轴线角度，经过多次试验，最后取定钻斗最底部两个合金钻齿轴线与钻头轴线的夹角为200，螺旋叶上的钻齿夹角不变（450），钻斗最底部和最顶部的螺旋叶加镶小合金粒，保护螺旋叶，减慢螺旋叶的磨损，改进后钻孔进度比原来提高了30%，同时降低了钻机的机械磨损及耗油，取得了很好的效果。
6.6.6 终孔验收
（1）终孔前每小时进尺不大于20cm。
（2）孔底下部四周用測绳下放能感觉到岩。
（3）岩样中基本上大部分捞上的为新鲜岩石样，岩样成片状颗粒较小。
（4）入岩深度达到设计要求。
7 第一次清孔
维持护壁泥浆在孔口高程，并测量泥浆的比重和含砂率，直至符合清孔标准为止。向孔内补入适量护壁泥浆，稳定孔内水头高度，防止坍孔，第一次清孔干净后，安放钢筋笼。
8 第二次清孔验收
钢筋笼安放就位后，进行第二次清孔，将孔底的沉渣清理干净，清孔完成后泥浆比重以1.10～1.15为宜，粘度18～26S为宜，含砂率<4%为宜；孔底沉渣厚度≤50mm。
验收合格后及时下达浇筑令送到混凝土搅拌站。为保证桩顶砼质量，混凝土要求灌注到超过设计桩顶标高1m。
9 特殊情况的处理
9.1 如遇到无物质搀杂的卵石层而出现漏浆现象时，应先把回转斗提起，向孔内输送性能符合要求的泥浆，保持水头压力以抑制继续坍孔；放下回转斗继续挖进。
9.2 如果遇到流砂地层，则用胶管全泵量清理出孔口，再向孔内投入片石和粘土，用片石和粘土充满溶洞，然后再钻进。
9.3 除膨胀土外，还储备一定量的黄泥，必要时加入泥浆内，加大泥浆粘度。
10 结语
10.1 解决了粉尘和噪音的污染问题，满足了市内施工的有关规定。
10.2 通过调整泥浆配比，解决了复杂地层尤其是砂卵石地层的造孔护壁难题。
10.3 通过对钻头进行技术改造，解决了旋挖钻机在弱风化岩层的快速施工。
10.4 通过控制流量和压力输出，结合不同地质更换不同操作方式，实现保护机械并高效率地施工生产。
10.5 总结了经验，对砂卵石地层的桩基础工程施工有一定的借鉴作用。
参考文献《旋挖钻机施工工法通用规程》
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】：砂卵石地层；旋挖钻机； 施工
Abstract: a residential area in Nanning pile foundation engineering, the use of a rotary drilling rig pore-forming process, the construction results meet the design requirements to achieve the construction schedule, environmental pollution, and low cost production goals and solve the rotary drilling rigcomplex formation, especially sand and gravel formation pore problems; drill technological innovation, to solve the rapid construction of a rotary drilling rig in the weak weathered rock, on similar projects, especially Nanning City, formation of sand and gravel pile foundation constructionreference.
Key words: sand and gravel formation; rotary drilling rig; construction
中图分类号: TU473.1 文献标识码：A文章编号：
1 工程概况
南宁市某住宅小区工程位于科园路西侧，南面为广西电力职业技术学院，北面为荷塘月色住宅小区。建有6栋18层的高层建筑，地面以上高度54.5m，设地下室1层，基坑开挖深约5.0m。场地南侧边坡长约225m，西侧长约35m，边坡高5.0m～6.5m，基坑采用抗滑桩支护。
2 地质条件
根据钻探与岩土取样分析鉴定，各岩土层分布及特征自上而下依次为素填土、杂填土、粉质粘土、圆砾夹砾砂、中砂、强风化泥岩。地下水有两种，上层滞水和潜水。上层滞水主要埋藏于填土层和耕（表）土层中，水位埋深与杂填土的厚度有关，地下水位高程为81.66m～81.88m。潜水主要埋藏于圆砾层中，地下水位高程约为72.58m～73.04m，受降雨及心圩江河水的渗漏补给。上层滞水埋藏较浅，主要受雨季大气降水下渗补给及边坡顶面现有的排水沟下渗补给，水量不大。
3 施工技术难点
3.1 工程位于人居密集区，粉尘和噪音处理给施工带来一定的困难。
3.2 地质条件比较复杂, 砂卵石层及流砂层造孔时孔壁易坍塌。
3.3 强风化、弱风化、微风化泥岩, 旋挖鉆机钻进难度大,必须将石块破碎方能钻进，所有桩基嵌岩进入微风化泥岩,嵌岩深度1m。
3.4 岩石层钻进时容易造成钻头损坏及钻杆扭断。
4 造孔工艺的选定
造孔工艺主要有两种，旋挖钻成孔和冲击钻成孔，冲击钻机施工进度慢，成本高，对周边环境污染比较大，但对地层的适应性较强。旋挖钻机施工进度快，对周边环境污染比较小，但对地层的适应性较差，碰到粒径超过30cm的卵石时钻进困难, 根据地层取样分析鉴定，没有发现粒径超过30cm的卵石埋存，桩基嵌岩进入微风化泥岩时，旋挖钻机可以克服。通过比选，最终确定旋挖钻施工方案。
5 施工设备的特点
5.1 可以根据不同的地质更换不同的操作方式。性能优越、操作方便、安全可靠。
5.2 全液压，低噪音，无粉尘污染，自动化程度高。但对地层的适应性较差。
5.3 箱型桅杆配有油缸自动组装、拆卸系统,组装运输便捷，拥有多项控制监控系统。
6 施工方法
6.1 施工流程
图1
6.2 平整场地
钻机就位前必须平整场地并压实,因旋挖钻机半干式钻进出土量大,应能用装载机及时处理挖出来的弃土。
6.3 桩孔定位
6.3.1 施工前必须对控制点及水准点进行导线闭合复核，控制点要求设置座落在坚固稳定地面。
6.3.2 在场地平整压实后，对控制点及水准点的精度进行检查，使用全站仪和钢尺进行桩位测量定位，使用水准仪测量桩基原地面标高，桩位原则上必须使用在木桩上打钉的方法进行确定以保证放样精度，桩位定位后用立即用水泥砂浆进行桩位保护，桩位放样完后必须进行复核。
6.4 钻机就位
在钻机对位时，先将钻机机座调整水平并用水平尺复核，再将钻塔调整垂直，然后根据立轴钻杆中心对位桩中心，检查两者中心是否重合，如果偏差较大，应调整钻机位置保证偏差不大于2cm。
6.5 护筒埋设
用比设计桩径大15cm的开孔钻头进行开孔，钻进深度不少于1.0m，然后用钻机下放钢护筒,钢护筒长度要求不少于1.5m。此后，在护筒周围对称地、均匀地回填土、分层夯实。最后，复测护筒顶部中心与桩位之间的偏差和护筒垂直偏差，要求不超出规范容许值。
护筒内贮存足够的泥浆，在钻杆提出桩孔时，可确保护筒内的水压，维护孔壁泥皮的稳定。同时避免回转斗升降过程碰撞、刮拉护筒，保护孔口的稳固。护筒离地应控制在15～30cm，除保护孔口防止坍塌外，还用以防止表面水或地面漏浆、杂物等滑落孔中。
6.6 成孔
6.6.1 泥浆池、泥浆沟设置
挖泥浆循环沟，设置泥浆池、储浆池，并循环连接，为了孔内返上来的泥渣能及时沉淀，提高成孔及清孔速度，根据现场场地情况，本工程设计泥浆池体积为12m3，泥浆沟长度为15m。
初次注入泥浆，尽量竖直向下冲击在桩孔中间，避免泥浆沿护筒侧壁下流冲塌护筒根部，造成护筒根部基土的松软，正式钻进前，再倒入3袋膨润土，启动钻机的高速甩土功能，进行充分搅拌，提高膨润土的含量，增大护筒底部同基土结合处护壁泥皮的厚度，防止钻进过程孔口渗漏坍塌。
6.6.2 钻斗选用
钻斗盛料桶选用圆锥式，底盘焊有齿刃，侧壁导流槽保持通畅，以有利于在桩孔内的导向及泥浆的导流，减小桩孔内的负压。
施工前根据地质情况选用合理的钻具，只有选择合适的钻斗齿刃前角，才能提高进尺效率。对于素填土、杂填土、粉质粘土，钻比较松软的地层时斗齿刃前角应稍大些；对于圆砾夹砾砂、中砂、弱风化泥岩，钻比较硬的地层时斗齿刃前角应稍小些。
6.6.3 成孔护壁
（1）泥浆的作用
在旋挖过程中泥浆主要起到压强、护壁、悬浮和润滑作用，泥浆采用澎润土制备而成。泥浆护壁是利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力，以确保孔壁的稳定，所以泥浆的比重则起到保持这种压力差的关键作用。如果钻孔中的泥浆比重过小，泥浆护壁就容易失去了阻挡孔壁坍塌的作用；如果泥浆的比重过大，则容易使泥浆泵产生堵塞。
（2）泥浆配制
1）泥浆的原材料
控制泥浆的澎润土应选择粘粒含量大于50%，塑性指标大于20，含砂量小于5%，二氧化硅与三氧化二铝含量的比值为3-4倍的澎润土为宜。
2）泥浆配比
应按地基土的状况、钻机和工程条件来定。一般100L的水需加8kg的膨润土，由于情况各异，泥浆的性能指标和配合比，必须根据地层特性、造孔方法、泥浆用途而有所变化。
3）泥浆指标
要充分发挥泥浆的作用，就根据工程地质具体情况，合理地控制不同地层中泥浆的指标，泥浆的主要性能指标如下表。
在钻进入砂卵石层后孔内泥浆高程必须保持在孔口高程，同时按设计配比投入适量膨胀土，增加泥浆的粘度。
6.6.4 钻机的钻进控制
钻进过程，回转斗的底盘斗门必须保证处于关闭状态，以防止回转斗内砂土、卵石或粘土落入护壁泥浆中，破坏泥浆的配比；每个工作循环严格控制钻进尺度，避免埋钻事故；同时应适当控制回转斗的提升速度。升降速度宜保持在0.75～0.85m／s，提升速度过快，泥浆在回转斗与孔壁之间高速流过，冲刷孔壁，破坏泥皮，对孔壁的稳定不利，容易引起坍塌。
6.6.5 不同地质情况操作作要点
（1） 阻力较小的素填土、杂填土、粉质粘土层“以刚克柔”，利用钻机大扭矩，重加压力快速钻进；
（2）磨阻力较强的砂层“刚柔并进”，阻力较高，钻机需大扭矩输出钻进，但不能蛮钻，钻机负荷升高时提升加压油缸来轻阻力；
（3）反作用较强的砂卵石地层则“以柔克刚”，钻输出的加压力和扭矩与所受到的震动和反作用力成正比，所以不能硬钻以免部件受损并影响生产；
（4）入岩石层则“以刚克刚”，在保证钻斗和操作无缺陷情况下，只能以钻机输出的大扭矩和重压力来钻入地质，克服旋挖切削的阻力。
6.6.6 钻斗的技术改造
（1）存在的问题
在钻进到砂卵石和弱风化岩石地层时，钻进阻力非常大，进尺较慢，钻斗磨损快甚至出现断齿等情况，经过对地层取样进行详细勘察，决定对钻斗进行技术改造。
（2）钻斗技术改造
造成施工进度慢及机具损坏的主要原因，是由于钻进时钻斗所受到的阻力引起的，如何减少各种阻力，成为技术改造钻斗的主要思路。旋挖钻进时负荷主要来源于三，一是正阻力，既旋挖切削地质的斗齿；二是侧阻力，既钻斗的钻筒与外侧地质摩擦；三是内阻力，既钻斗的筒体与钻进的渣土自重以及渣土与钻斗筒壁内侧摩擦。
由于泥浆的润滑功能，大大减少侧阻力和内阻力的作用，无论任何地质，钻进时泥浆都具有减阻的作用，故钻斗改造不考虑侧阻力和内阻力的影响，主要对产生正阻力的斗齿进行改造。
随机原配钻斗合金钻齿轴线与钻头轴线全部成450角，要减少正阻力，就要减小钻齿轴线与钻头轴线角度，经过多次试验，最后取定钻斗最底部两个合金钻齿轴线与钻头轴线的夹角为200，螺旋叶上的钻齿夹角不变（450），钻斗最底部和最顶部的螺旋叶加镶小合金粒，保护螺旋叶，减慢螺旋叶的磨损，改进后钻孔进度比原来提高了30%，同时降低了钻机的机械磨损及耗油，取得了很好的效果。
6.6.6 终孔验收
（1）终孔前每小时进尺不大于20cm。
（2）孔底下部四周用測绳下放能感觉到岩。
（3）岩样中基本上大部分捞上的为新鲜岩石样，岩样成片状颗粒较小。
（4）入岩深度达到设计要求。
7 第一次清孔
维持护壁泥浆在孔口高程，并测量泥浆的比重和含砂率，直至符合清孔标准为止。向孔内补入适量护壁泥浆，稳定孔内水头高度，防止坍孔，第一次清孔干净后，安放钢筋笼。
8 第二次清孔验收
钢筋笼安放就位后，进行第二次清孔，将孔底的沉渣清理干净，清孔完成后泥浆比重以1.10～1.15为宜，粘度18～26S为宜，含砂率<4%为宜；孔底沉渣厚度≤50mm。
验收合格后及时下达浇筑令送到混凝土搅拌站。为保证桩顶砼质量，混凝土要求灌注到超过设计桩顶标高1m。
9 特殊情况的处理
9.1 如遇到无物质搀杂的卵石层而出现漏浆现象时，应先把回转斗提起，向孔内输送性能符合要求的泥浆，保持水头压力以抑制继续坍孔；放下回转斗继续挖进。
9.2 如果遇到流砂地层，则用胶管全泵量清理出孔口，再向孔内投入片石和粘土，用片石和粘土充满溶洞，然后再钻进。
9.3 除膨胀土外，还储备一定量的黄泥，必要时加入泥浆内，加大泥浆粘度。
10 结语
10.1 解决了粉尘和噪音的污染问题，满足了市内施工的有关规定。
10.2 通过调整泥浆配比，解决了复杂地层尤其是砂卵石地层的造孔护壁难题。
10.3 通过对钻头进行技术改造，解决了旋挖钻机在弱风化岩层的快速施工。
10.4 通过控制流量和压力输出，结合不同地质更换不同操作方式，实现保护机械并高效率地施工生产。
10.5 总结了经验，对砂卵石地层的桩基础工程施工有一定的借鉴作用。
参考文献《旋挖钻机施工工法通用规程》
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。