土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
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課題名稱：預(yù)處理動(dòng)力固結(jié)法在明達(dá)工業(yè)(太倉(cāng))有限公司軟基處理工程中的應(yīng)用
一、選題依據(jù)
軟粘土是軟弱性粘土的簡(jiǎn)稱, 又稱軟土, 其特點(diǎn)是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性差。在荷載作用下, 軟粘土的地基承載能力低, 地基沉降變形大, 且存在較嚴(yán)重的沉降差異問(wèn)題。為保證工程質(zhì)量, 在實(shí)際工程中軟粘土地基應(yīng)采取合理有效的方法進(jìn)行處理。我國(guó)的軟土主要分布在東南沿海及各大江大河的入海三角洲沖積平原地區(qū)，從北至南有天津塘沽、連云港、上海、寧波、溫州、福州、珠海、深圳等地。內(nèi)陸主要是湖沼或者山谷沖積而成，分布范圍較小，不成片分布。因此，軟基處理一直是人們十分關(guān)注的課題。
明達(dá)工業(yè)(太倉(cāng))有限公司軟基處理工程為江蘇省重點(diǎn)項(xiàng)目。明達(dá)工業(yè)(太倉(cāng))有限公司新建廠區(qū)位于太倉(cāng)市浮橋鎮(zhèn)，為通港路以北，濱江路以西的地塊，擬建的一期工程，占地面積為447畝，平面為長(zhǎng)方形。本工程為工業(yè)工廠，設(shè)施包括廠房、倉(cāng)庫(kù)、辦公樓、宿舍樓、輔助建筑物等。
該擬建場(chǎng)地位于長(zhǎng)江三角洲前緣，其地貌屬于沖擊平原類型。場(chǎng)地地勢(shì)平坦，場(chǎng)地內(nèi)分布有河網(wǎng)密布;場(chǎng)區(qū)地面標(biāo)高在1.52～2.93m之間。地表淺層為軟弱的淤泥質(zhì)土，含水量大，孔隙比大，承載力低，變形量大。如果不對(duì)其進(jìn)行處理，地基承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而且會(huì)產(chǎn)生較大的不均勻沉降，影響將來(lái)場(chǎng)區(qū)的正常運(yùn)營(yíng)，必須采取合理有效的地基處理方法對(duì)其進(jìn)行加固處理。
對(duì)于本工程，采用預(yù)處理動(dòng)力固結(jié)法進(jìn)行加固處理，預(yù)處理工藝采用真空降水，強(qiáng)夯法又稱為動(dòng)力固結(jié)法，故本次預(yù)處理動(dòng)力固結(jié)法即為真空降水聯(lián)合低能級(jí)強(qiáng)夯，可簡(jiǎn)稱為“降水強(qiáng)夯法”。場(chǎng)區(qū)軟土在真空降水下，一方面使地下水位下降，造成對(duì)土體的預(yù)壓加固，使軟土中的部分空隙水排出，空隙減小;另一方面又降低了軟土的含水量，為后續(xù)的低能量強(qiáng)夯創(chuàng)造不發(fā)生“橡皮土”的條件。強(qiáng)夯法是一種經(jīng)濟(jì)高效的地基處理方法，利用夯錘自由落下的動(dòng)能在土體中轉(zhuǎn)化成很大的沖擊波和高應(yīng)力，從而提高地基承載力，降低壓縮性，提高均勻性，改善起抵抗震動(dòng)液化的能力等。
本項(xiàng)目為國(guó)家建設(shè)部科研攻關(guān)基金資助項(xiàng)目“高能級(jí)強(qiáng)夯地基加固機(jī)理工法研究與專用機(jī)械研制”(編號(hào)：04-2-016);現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)基金項(xiàng)目“高能級(jí)強(qiáng)夯與預(yù)處理動(dòng)力固結(jié)法研究”(編號(hào)：2004-結(jié)-地-03)的一部分。
二、文獻(xiàn)綜述
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析
1 強(qiáng)夯法
強(qiáng)力夯實(shí)法(簡(jiǎn)稱強(qiáng)夯法)亦名動(dòng)力固結(jié)法，是一種快速加固地基的方法。這種方法是60年代末法國(guó)梅那技術(shù)公司(Louis Menard Technique)首先開(kāi)創(chuàng)的。它是將很重的錘一般為100~400kN)提起從高處自由落下(落距一般為6~40m) ，以沖擊荷載夯實(shí)軟弱土層，使地基受沖擊力和振動(dòng)，土層被強(qiáng)制壓密，從而提高地基土強(qiáng)度，降低土層的壓縮性，改善土的振動(dòng)液化條件，以達(dá)到地基加固的目的。
強(qiáng)夯法自70 年代開(kāi)始工程應(yīng)用以來(lái),以其機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單、施工組織管理方便、加固效果顯著、工程投資少等優(yōu)點(diǎn),很快引起世界各國(guó)工程界的注意。如今強(qiáng)夯法加固地基的應(yīng)用范圍已由最初的砂性土和碎石土發(fā)展到處理各種雜填土、濕陷性黃土、一般粘性土、軟土以及工業(yè)生活垃圾等各種地基,成為常用的經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的地基加固方法之一。
我國(guó)于1978年首次由交通部一航局科研所進(jìn)行了強(qiáng)夯法試驗(yàn)研究; 1979年8月又在秦皇島碼頭堆煤場(chǎng)細(xì)砂地基進(jìn)行了試驗(yàn)和強(qiáng)夯加固施工,效果顯著;同年,中國(guó)建筑科學(xué)院在河北廊坊機(jī)械化研究所宿舍工程中也進(jìn)行強(qiáng)夯法處理可液化砂土和輕亞粘土地基的野外試驗(yàn)研究,也取得了較好的加固效果。通過(guò)上述試驗(yàn)研究及實(shí)際工程應(yīng)用,初步總結(jié)出一套適合我國(guó)情況的強(qiáng)夯工藝,在我國(guó)地基加固領(lǐng)域里填補(bǔ)了一項(xiàng)空白,促使了強(qiáng)夯法在我國(guó)的廣泛應(yīng)用。
強(qiáng)夯法的基本特征表現(xiàn)為: ①?gòu)?qiáng)夯法處理后的地基可使土的壓縮性明顯降低,不同程度地提高了地基土承載力; ②強(qiáng)夯處理能使地基強(qiáng)度趨向均勻,有效消除不均勻沉降; ③與其他夯擊法相比,強(qiáng)夯法夯擊能量大,可根據(jù)地基處理要求來(lái)確定夯點(diǎn)間距、夯擊能量及夯擊方法,特別使地基深處土體性能得到改善; ④施工中必要的夯擊能量可以分幾遍完成強(qiáng)夯法施工設(shè)備簡(jiǎn)單,無(wú)需加固材料,費(fèi)用低,周期短,具有廣闊的應(yīng)用前景。值得注意的是強(qiáng)夯法的適用范圍與其土質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造均有關(guān),條件適當(dāng)時(shí)可以有效加固軟基。由于對(duì)強(qiáng)夯加固軟基的機(jī)理、效果、設(shè)計(jì)計(jì)算方法與工藝措施的研究仍不全面和透徹,故強(qiáng)夯工程實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)分析是必要的。
2 真空降水
真空堆載預(yù)壓法是一種新型的地基處理方法，最早是瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院Kjellmen 于1952年提出的。國(guó)內(nèi)1958年天津大學(xué)就開(kāi)始進(jìn)行真空排水固結(jié)的室內(nèi)試驗(yàn)研究。在早期，由于工藝上存在問(wèn)題，導(dǎo)致真空預(yù)壓未能在工程中應(yīng)用。直到80年代，交通部一航局、天津大學(xué)和南京水利科學(xué)院等單位對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，取得了成功經(jīng)驗(yàn)，膜下真空度可以達(dá)到85~92kPa，并成功地將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于天津新港軟基加固工程中。此后，真空預(yù)壓法在工程中得到了推廣應(yīng)用。
目前，我國(guó)在抽真空設(shè)備的研制、真空預(yù)壓施工工藝的改進(jìn)、真空度和預(yù)壓時(shí)間的控制、設(shè)計(jì)計(jì)算理論的發(fā)展等方面均取得了進(jìn)步，解決了很多技術(shù)難題。真空預(yù)壓已作為較成熟的技術(shù)在港口、公路、鐵路、能源、房屋建筑工程中得到了成功應(yīng)用。
3 真空降水聯(lián)合低能級(jí)強(qiáng)夯法
真空降水聯(lián)合低能級(jí)強(qiáng)夯法是采用由真空降水和低能級(jí)強(qiáng)夯兩道工序組成的施工工藝，其中：真空降水是由改進(jìn)后的真空井點(diǎn)對(duì)加固范圍內(nèi)的地基進(jìn)行強(qiáng)排水，這種設(shè)備功率比常用輕型井點(diǎn)大得多，可產(chǎn)生較大排氣量和較高的真空度，即使在滲透系數(shù)較低的粘土中，也能通過(guò)形成的新水頭梯度來(lái)加快地下水的滲流;低能級(jí)強(qiáng)夯主要采用錘擊，即通常的強(qiáng)夯法。通過(guò)對(duì)上述兩道工序的多遍循環(huán)，可達(dá)到加固地基的目的。真空降水聯(lián)合低能級(jí)強(qiáng)夯法的特點(diǎn)：一是夯擊前采用真空降水，可降低地下水位、減小被處理土體的含水量和飽和度等，使地基受擊后，地下水位以上土體可產(chǎn)生較大的壓縮變形，地下水位以下土體可減小土體中的超孔隙水壓力;二是夯擊后采用真空排水，以加快超孔隙水壓力消散，此外，結(jié)合每遍夯擊的間隔時(shí)間，可盡量避免“彈簧土”的形成;三是通過(guò)調(diào)整夯擊力等參數(shù)，使淺層地基達(dá)到較高的密實(shí)度;四是大面積加固，對(duì)地基有一定的降水預(yù)壓作用。
真空降水聯(lián)合低能級(jí)強(qiáng)夯法的加固機(jī)理是以不完全破壞土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為前提，根據(jù)土體強(qiáng)度提高情況，逐步增加能量的動(dòng)力固結(jié)。通過(guò)設(shè)置豎向排水和表面水層排水等主動(dòng)排水法，使之在土體中形成微裂縫排水。因此，強(qiáng)夯能量的控制應(yīng)掌握以下原則：激發(fā)土體孔壓，并使土體產(chǎn)生微裂縫，但又不完全破壞土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不形成“橡皮土”;先輕后重，少擊多遍，從上至下，逐步增大加固深度與范圍。
4 強(qiáng)夯處理地基的檢測(cè)
4.1 靜力觸探試驗(yàn)
靜力觸探(cone penetration test)自1917年雅典正式以來(lái)，至今已有80年的歷史。靜力觸探是通過(guò)一定的機(jī)械裝備，將一定規(guī)格的金屬探頭用靜力壓入土層中，同時(shí)用傳感器或直接量測(cè)儀表測(cè)試土層對(duì)觸探頭的貫入阻力，以此來(lái)判斷、分析、確定地基土的物理力學(xué)性質(zhì)。
靜力觸探的主要優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)、快速、精確;可以在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)得各土層的貫入阻力指標(biāo);掌握各土層原始狀態(tài)(相對(duì)于土層被擾動(dòng)和應(yīng)力狀態(tài)改變而言)下有關(guān)物理力學(xué)的性質(zhì)，這對(duì)于地基在豎向變化比較復(fù)雜，而用其他常規(guī)勘探手段不可能，能大密度取土或測(cè)試來(lái)查明土的變化;對(duì)于飽和砂土、砂質(zhì)粉土以及高靈敏度軟粘土層中鉆探取樣往往不易達(dá)到技術(shù)要求，或者無(wú)法取樣的情況;用靜力觸探連續(xù)壓入測(cè)試，則顯出其獨(dú)特的優(yōu)越性。但是，靜力觸探也有不足之處：不能對(duì)土層進(jìn)行直接的觀測(cè)、鑒別;由于穩(wěn)固的反力問(wèn)題沒(méi)有解決，測(cè)試深度不能超過(guò)80m;對(duì)于含碎石、礫石的土層和很密實(shí)的`沙層一般不適合應(yīng)用等。
4.2 瑞雷波檢測(cè)技術(shù)
瑞雷波(面波)檢測(cè)是一種新型的無(wú)損檢測(cè)方法,通過(guò)在地表進(jìn)行地層波速測(cè)試,瑞雷波在地面表層傳播,頻率不同,影響的地層深度也不同。因此,在同一地段測(cè)出一系列不同頻率的波,就可得到一條頻散曲線,通過(guò)頻散曲線的分析、反演優(yōu)化,可對(duì)地下構(gòu)造進(jìn)行解釋。利用瑞雷波檢測(cè)是基于瑞雷波的兩個(gè)特性:一是在分層介質(zhì)中傳播時(shí)的頻散特性;二是傳播速度與介質(zhì)物理性質(zhì)的密切關(guān)聯(lián)性。
4.3平板載荷試驗(yàn)
載荷試驗(yàn)是一種最古老的地基土原位測(cè)試技術(shù),它實(shí)際上是模擬建筑物基礎(chǔ)受荷條件的現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)。該方法是在剛性承壓板上加荷,測(cè)定天然埋藏條件下地基土的變形,可測(cè)定地基土的變形模量、評(píng)定地基土的承載力及預(yù)估實(shí)體基礎(chǔ)的沉降。對(duì)于不能用小試樣試驗(yàn)的各種填土、含碎石的土等,最適宜于用載荷試驗(yàn)確定壓力與沉降的關(guān)系。但載荷試驗(yàn)一般受荷面積較小,加荷影響深度不超過(guò)承壓板邊長(zhǎng)(或直徑)的2倍。試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)量≮3點(diǎn),當(dāng)其極差不超過(guò)平均值的30 %時(shí),可取平均值作為地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值。平板載荷試驗(yàn)( PLT)只反映承壓板下1. 5～2. 0倍承壓板直徑或?qū)挾确秶鷥?nèi)地基土強(qiáng)度、變形的綜合性狀,但它是最直接、最可靠的試驗(yàn)方法,其他試驗(yàn)手段的結(jié)果均以載荷試驗(yàn)的結(jié)果為參考依據(jù)。
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三、設(shè)計(jì)(論文)內(nèi)容
1 軟基處理技術(shù)的比選
軟弱地基的加固處理，按其原理和作法的不同，可分為以下九類：換(填) 墊層法、預(yù)壓法、強(qiáng)夯法、振沖法、擠密樁法、砂石樁法、深層攪拌法、高壓噴射注漿法、托換法。適合本工程地基處理的方法有預(yù)壓法、強(qiáng)夯法、碎(砂)石樁法、深層攪拌法等。
在同樣滿足地基設(shè)計(jì)要求的情況下，真空降水聯(lián)合低能級(jí)強(qiáng)夯在造價(jià)上比其它常規(guī)軟基處理方法要來(lái)的經(jīng)濟(jì)的多。并且真空降水聯(lián)合低能級(jí)強(qiáng)夯具有工期短、加固效果好、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
2 方案設(shè)計(jì)
擬通過(guò)本次地基加固處理達(dá)到的目標(biāo)是：
(1)地基承載力不小于120KPa，6m以內(nèi)軟弱層地基承載力提高30%以上，有效加固深度6m，影響深度8m。
(2)在50KPa均布荷載作用下，長(zhǎng)期總沉降量小于30cm，不均勻沉降控制在1‰以內(nèi)。
(3)處理過(guò)程消除沉降量不小于70cm。
在以上加固要求下，根據(jù)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)夯工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)。
3 施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
3.1 地面沉降觀測(cè)
布置15m×15m的地面沉降測(cè)點(diǎn)方格網(wǎng)，測(cè)量強(qiáng)夯前、第一遍強(qiáng)夯后、第二遍強(qiáng)夯后和滿夯后的地面平均沉降情況。以動(dòng)態(tài)了解土體加固效果，及時(shí)調(diào)整施工工藝和參數(shù)。
3.2 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)
強(qiáng)夯時(shí)地基土體受到?jīng)_擊荷載發(fā)生瞬時(shí)的壓縮和擠密，孔隙減少，孔壓升高，隨著孔壓消散，土的有效應(yīng)力增加。若土體的滲透性較差時(shí)，沖擊產(chǎn)生的超孔隙水壓力不易消散，就會(huì)在飽和細(xì)粒土中產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力，對(duì)地基構(gòu)成潛在的不穩(wěn)定因素，也降低了夯擊的效率。通過(guò)孔隙水壓力觀測(cè)，以便及時(shí)了解強(qiáng)夯加固效果，調(diào)整確定最大夯擊能，兩個(gè)夯擊點(diǎn)之間的間距以及前后兩夯擊遍數(shù)之間的間隔時(shí)間，確定最佳夯擊擊數(shù)等施工參數(shù)。
3.3 地下水位監(jiān)測(cè)
對(duì)降水及強(qiáng)夯過(guò)程中的地下水位變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，了解降水效果，根據(jù)實(shí)際情況確定最優(yōu)降水方案。
4 夯后地基的檢測(cè)
強(qiáng)夯處理的地基,其強(qiáng)度是隨著時(shí)間增長(zhǎng)而逐步恢復(fù)和提高的,因此在強(qiáng)夯施工結(jié)束后,應(yīng)間隔一定時(shí)間方能對(duì)地基質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。其間隔時(shí)間可根據(jù)土的性質(zhì)而定,時(shí)間越長(zhǎng),強(qiáng)度增長(zhǎng)越高,對(duì)于碎石土和砂土地基,其間隔時(shí)間可取1～2 周;對(duì)低飽和度的粉土和粘性土地基,可取2～4 周。
在對(duì)強(qiáng)夯法加固后地基的檢測(cè),要求一般性工程場(chǎng)地采用兩種或兩種以上手段檢測(cè),對(duì)大型工程應(yīng)進(jìn)行大壓板載荷試驗(yàn)。在檢測(cè)數(shù)量方面,對(duì)于簡(jiǎn)單場(chǎng)地上的一般建筑物,每個(gè)建筑物地基的檢測(cè)點(diǎn)不少于3 處;對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)地或重要建筑物,應(yīng)增加檢測(cè)點(diǎn)數(shù)。檢測(cè)深度應(yīng)不小于設(shè)計(jì)處理深度。
4.1鉆孔取樣及室內(nèi)土工試驗(yàn)
4.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>
取得土的含水量、孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮模量、滲透系數(shù)等指標(biāo)。
4.2靜力觸探試驗(yàn)
4.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>
通過(guò)貫入阻力的變化，達(dá)到了解土層工程性質(zhì)的目的。
4.2.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)時(shí)，用靜力將探頭以一定的速率壓入土中，利用探頭的傳感器，通過(guò)儀器將探頭的貫入阻力記錄下來(lái)。
4.3瑞雷波(Rayleigh)測(cè)試
4.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>
通過(guò)夯前、夯后瑞雷波測(cè)試，對(duì)比前后頻散曲線變化，判定強(qiáng)夯有效加固深度和影響深度。
4.3.2 試驗(yàn)方法
根據(jù)檢測(cè)方案和測(cè)試內(nèi)容布置激震器,在震源同一側(cè)以一定間距布置檢波器以接收波,在整個(gè)場(chǎng)區(qū)布置多條測(cè)線,根據(jù)DZ/T 0170—1997《淺層地震勘查技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)。瑞雷波現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作于夯前、夯后分別進(jìn)場(chǎng)1次,采集數(shù)據(jù)進(jìn)行前后對(duì)比,比較夯前、夯后的不同。
4.4 平板載荷板試驗(yàn)
4.4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>
通過(guò)試驗(yàn)確定地基承載力、壓縮模量是否滿足設(shè)計(jì)要求。
4.4.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)時(shí)，用一定面積的承載板向地基施加豎向荷載，觀察地基變形和破壞現(xiàn)象。本次夯后共進(jìn)行3組平板載荷試驗(yàn)，分夯間、夯點(diǎn)進(jìn)行，試點(diǎn)編號(hào)分別為(夯間)、(一遍夯點(diǎn))、(二遍夯點(diǎn))，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)附錄。載荷板面積為0.7m×0.7m，最大加載量按設(shè)計(jì)要求地基承載力特征值的2倍加載，即為240kN。
載荷試驗(yàn)要求如下：
a. 試驗(yàn)在夯后地面以下20～30cm處進(jìn)行，保持試驗(yàn)土層的原狀結(jié)構(gòu)和天然濕度，在擬試壓表面用超過(guò)10mm厚的中粗砂找平。
b. 加荷等級(jí)為10級(jí)，最大加荷量為2倍設(shè)計(jì)荷載。每級(jí)加荷后按間隔5min、5min、10min、10min、15min、15min，以后為每隔半小時(shí)讀一次沉降，連續(xù)兩小時(shí)內(nèi)，每小時(shí)的沉降量小于0.1mm時(shí)，可加下一級(jí)荷載。
c. 在試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)承壓板周圍的土明顯的側(cè)向擠出或出現(xiàn)裂縫和隆起，沉降急劇增大，荷載～沉降曲線出現(xiàn)陡降段;或在某一荷載下，24h內(nèi)沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn);或s/b大于等于0.06(b為承壓板寬度或直徑)，可以終止加載。滿足其中一條時(shí)，其對(duì)應(yīng)的前一級(jí)荷載定為極限荷載。卸載時(shí)按三倍加載分級(jí)進(jìn)行，并測(cè)讀殘余沉降量。
d. 承載力確定可按p～s曲線上有明確的比例界線所對(duì)應(yīng)的荷載值，或取s=0.01b、0.02b、0.03b所對(duì)應(yīng)的荷載值。
4.5 檢測(cè)結(jié)果分析
根據(jù)上述檢測(cè)得出強(qiáng)夯后的各項(xiàng)指標(biāo)，在加固深度、地基承載力等方面驗(yàn)算本次地基加固處理是否達(dá)到預(yù)期效果。
5施工工藝與技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化
根據(jù)夯后的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及施工期間的檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行施工工藝以及技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化。
四、工作計(jì)劃
20xx.4.16至20xx.4.22 參考資料清單
20xx.4.23至20xx.4.29 文獻(xiàn)綜述，英文參考文獻(xiàn)翻譯
20xx.4.30至20xx.5.7 開(kāi)題報(bào)告
20xx.5.8至20xx.6.10 數(shù)據(jù)圖表及結(jié)果分析
20xx.6.11至20xx.6.17 論文初稿
20xx.6.18至20xx.7.1 論文修改稿
20xx.7.2至20xx.7.6 論文答辯
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