桥梁基础工程之桩基础施工讲解(大学课件)_第1页
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第3章桩桩基础础3.1概述述优点点:承载力力高,,沉降降小,,稳定定性好好。不不需大大范围围的开开挖,,减少少了支支护、、降水水工作作。3.1.1桩基础础及其其应用用缺点点:施工较较为复复杂,,造价价较高高。组成成:桩群和和承台台。适用范范围::(1)荷载载大,,软弱弱土层层厚时时。(2)河床床冲刷刷较大大时。。(3)对地地基沉沉降及及不均均匀沉沉降控控制有有较高高要求求时。。(4)水平平荷载载较大大时。。(5)河水水位较较高时时。(6)地震震区需需抗砂砂土液液化时时。3.1.2桩和桩桩基的的分类类钢管桩H型钢桩木桩基础1.桩的分类材料钢桩基础材料类类型木桩混凝土土桩钢筋混混凝土土桩钢桩(已少少用))(较少少)(主力力)(价高高)1.桩的分分类优点点:桩身质质量容容易保保证;;水上上施工工方便便;施施工工工效高高。缺点点:单价较较灌注注桩高高;锤锤击、、振动动法下下沉时时噪音音大;;属挤挤土桩桩,易易导致致地面面的隆隆起;;桩接接头是是薄弱弱环节节;不不易穿穿透坚坚硬地地层。。优点点::适用于于各种种地层层;可可采用用大直直径,,以获获得高高承载载力;;与预预制桩桩相比比,钢钢筋用用量较较少,,更为为经济济。(1)预制制桩缺点点:桩身质质量不不易保保证;;孔底底沉积积物不不易清清净((挖孔孔桩除除外)),影影响承承载力力;一一般不不宜用用于水水下施施工。。(2)灌注注桩施工方方法::打入、、振入入、压压入等等。施工方方法(钢筋混混凝土土桩)施工方方法::钻孔、、冲孔孔、沉沉管成成孔、、人工工挖孔孔等。。(3)管柱柱基础础施工方方法::先下沉沉预制制钢筋筋混凝凝土管管,内内部钻钻挖后后,再再填钢钢筋混混凝土土。特点点:承载力力高,,适合合于深深水施施工。。打入桩桩(房房建))钻孔桩桩冲孔桩桩直桩和和斜桩桩斜桩::可抵抵抗较较大的的水平平荷载载。桩的设设置效效应挤土桩桩非挤土土桩部分挤挤土桩桩根据对对周围围土的的扰动动程度度实心预预制桩桩、下下端封封闭的的管桩桩等冲孔灌灌注桩桩、钢钢桩等等钻(挖挖)孔孔灌注注桩等等扰动后后的土土影响响桩的的承载载力及及沉降降。直桩桩斜桩桩按(轴轴向))承载载性状状的分分类(1)桩的的轴向向受力力特征征轴向荷荷载=侧阻力力+端阻力力极限荷荷载=极限侧侧阻力力+极限端端阻力力主要取取决于于桩侧侧与桩桩底以以下土土(岩岩)层层的性性质的的刚度、强度以及桩桩所受受荷载的的大小小。(2)桩侧侧、桩桩端阻阻力的的分担担比例例(3)《铁路桥桥基规规范》(规范中中没有有?)摩擦桩桩:在承载载力极极限状状态下下,轴轴向荷荷载由由侧阻阻和端端阻承承担。。轴向向荷载载几乎乎完全全由侧侧阻承承担时时,称称为纯摩擦擦桩。。柱桩桩::在承载载力极极限状状态下下,轴轴向荷荷载几几乎全全由桩桩端阻阻力承承担。。端承型型桩::在承载载力极极限状状态下下,轴轴向荷荷载主主要由由桩端阻阻力承承担。。全部部由端端阻承承担时时,称称为端承桩;桩侧承承担少少部分分时,,为摩擦端端承桩桩。摩擦型型桩::在承载载力极极限状状态下下,轴轴向荷荷载主主要由由桩侧阻阻力承承担。。全部部由侧侧阻承承担时时,称称为摩擦桩桩;桩底承承担少少部分分时,,为端承摩摩擦桩桩。(5)《建筑桩桩基技技术规规范》(4)《公路桥桥基规规范》端承桩桩:(在承承载力力极限限状态态下)),轴轴向荷荷载主主要由由桩端阻阻力承承担。。摩擦桩桩:(在承载载力极极限状状态下下),,轴向向荷载载主要要由桩侧阻阻力承承担。。端承型型桩::(在承承载力力极限限状态态下)),轴轴向荷荷载主主要由由桩端阻阻力承承担。。摩擦型型桩::(在承载载力极极限状状态下下),,轴向向荷载载主要要由桩侧阻阻力承承担。。(6)《建筑地地基基基础规规范》低承台台桩基基:承台底底面低低于地地面或或局部部冲刷刷线的的桩基基础。。低承台台高承台台桩基基:承台底底面高高于地地面或或局部部冲刷刷线的的桩基基础。。高承台台2.桩基础础的分分类3.2桩基设设计计计算的的主要要内容容1.设计内内容桩的类类型((施工工方法法)承台底底面的的标高高桩截面面形状状及尺尺寸、、桩长长桩的根根数及及平面面布置置方式式桩的材材料类类型桩及承承台的的配筋筋2.验算内内容单桩轴轴向承承载力力(岩岩土阻阻力))桩基础础的承承载力力桩基础础的沉沉降墩台顶顶的水水平位位移桩身材材料强强度承台强强度3.3单桩轴轴向容容许承承载力力3.3.1轴向荷荷载传传递的的方式式和特特点通过建建立微微单元元平衡衡方程程(竖竖向))1.轴向荷荷载和和侧摩摩阻力力得到侧摩阻阻力与与轴力力的关关系侧摩阻阻力的的直接接量测测很困困难,,应用用上式式,可可通过过量测测轴力力得到到摩阻阻力的的分布布形式式。轴力摩阻力2.桩身沉沉降确确定桩顶沉沉降桩身沉沉降桩身压压缩量量振弦式式应变变计3.荷载传传递的的一般般规律律(1)加载载过程程中,,侧阻阻发挥挥先于于端阻阻,并并先于于端阻阻达到到极限限。(2)与桩桩土间间的相相对位位移有有关。。通常常,端端阻达达到极极限状状态所所需的的位移移高于于侧阻阻所需需位移移。(3)与桩桩的长径比比及桩端端土((岩))与桩桩侧土土的相对刚刚度等有关关。长长径比比越大大,端端阻力力越小小。端端/侧相对对刚度度越大大,端端阻力力越大大。侧阻-荷载关关系端阻-荷载关关系深度4.桩侧负负摩阻阻力条件件:桩周土土的下下沉量量大于于桩的的下沉沉量。。危害害:降低桩桩的承承载力力,增增大位位移。。负摩擦擦力::与轴向向压力力方向向相同同的侧侧摩阻阻力。。摩阻力力沉降降轴力力中性点点持力层土类黏性土、粉土中密以上砂砾石、卵石基岩ln/l00.5~0.60.7~0.80.91.0中性点点的位位置(1)大范范围降降水。。产生负负摩阻阻力的的原因因(2)桩侧侧地面面大范范围堆堆载。。(3)欠固固结土土或新新填土土。(4)湿陷陷性黄黄土湿湿陷。。(5)冻土土融陷陷。(软土土或中中等强强度粘粘性土土)(砂土土)总的负负摩擦擦力减小负负摩擦擦力的的措施施(1)改善善土层层性质质,降降低其其沉降降。(2)桩--土隔隔离。。(1)(2)负摩阻阻力的的确定定(经经验公公式))桩周土土摩擦擦力系系数标准贯贯入数数侧压力力系数数桩的周周长3.3.2单桩的的破坏坏模式式压屈破破坏整体剪剪切破破坏刺入破破坏小直径径柱桩桩、嵌嵌岩桩桩、超长桩桩打入式式短桩桩、钻钻孔短短桩钻孔灌灌注桩桩柱桩桩摩擦桩桩静(动)载试验理论公式经验公式3.3.3单桩竖竖向承承载力力确定定单桩承承载力力轴向向横向向受压((抗压压)受拉((抗拔拔)单桩抗抗压承承载力力材料强强度岩土的的支承承力1.按静载载试验验确定定抗压压承载载力试验装装备反力系系统::锚桩((或堆堆重))、主梁等等加载载:千斤顶顶、油压表表沉降量量测::百分表表、基准梁梁等试验方方法慢速维维持荷荷载法法(1)试验装装置及及方法法单桩静静载试试验((堆载载)千斤顶顶主梁次梁支墩试桩锚桩锚索单桩静静载试试验((锚桩桩)千斤顶顶试桩((帽))基准梁梁百分表表陡变型型:曲线明明显发发生下下降的的起始始点。。缓变型型:取s=40或0.05D(大直径径桩,,桩端端直径径)所所对应应的荷荷载。。P-s曲线法确定定极限限荷载载陡变型型缓变型型(2)确定定单桩桩承载载力《铁路基基桩检检测技技术规规程》(TB10218-2008)方法法P-s曲线s-logt曲线(1)所有试桩桩的极差不不超过平均均值的30%时,取平平均值为单单桩竖向抗抗压极限承承载力。。(2)极差超过过平均值的的30%,应分析析极差过大大的原因,,结合工程程具体情况况综合确定定,必要时时增加试桩桩数量;(3)对桩数为为3根或3根以下的柱柱下承台,,或工程桩桩抽检数量量少于3根时,应取取低值。极限承载力力容许承载力力极限承载力力平均值安全系数2.按经验法确确定抗压承承载力《铁路桥基》打入、振动动下沉、桩桩尖爆扩桩桩钻(挖)孔孔灌注桩(1)摩擦桩振动沉桩对对端阻的影影响系数桩端极限承承载力爆扩桩端阻阻修正系数数极限侧阻力力振动沉桩对对侧阻的影影响系数安全系数安全系数桩身周长承台底面或或局部冲刷线线以下各土层厚度度桩底支撑力力折减系数数桩底面积桩底土容许许承载力,,按桩底埋深修正极限侧阻力力(2)柱桩桩底面积单轴抗压强强度修正系数支承于岩石石上的打入入、震动下下沉桩(包包括管柱))支承于岩石石层上与嵌嵌人岩石层层内的钻(挖)孔灌注桩及及管桩桩或管柱的的周长岩石及清底底情况系数数嵌岩深度岩石及清底底情况系数数2.抗拔承载力力的确定(1)单桩抗拔拔试验承受较大的的水平荷载载的桩基、、抗浮桩、锚桩等。桩承受竖向向拉拔荷载载的能力。。主要针对::(2)《桥规》公式轴向受拉容容许承载力力符号意义同同前3.3.4单桩轴向容容许承载力力检算摩擦桩轴向压力桩的自重被置换的土土重承载力计算算值柱桩受拉桩主+附(特)时时主力时主力+附加力作用用时,[P]可提高20%;主力+特殊荷载((除地震力力外)时柱柱桩可提高高40%,摩擦桩20%~40%。3.3.5按桩身强度度确定抗压压容许承载载力通常,摩擦擦桩的承载载力主要取取决于土((岩)的阻阻力,柱桩桩则主要取取决于桩身身的强度。。(1)按轴心受压压构件计算算普通箍筋螺旋式或焊焊接环式间间接钢筋结构重要性性系数轴向力组合合设计值轴压杆件稳稳定系数混凝土抗压压强度桩的截面积积钢筋抗压强强度纵筋截面积积(2)按偏心受压压构件计算算(见“结构构设计原理理”课程))3.4单桩横向承承载力工作特点(1)竖直单桩桩的水平承承载力远小小于竖向承承载力。(2)单桩水水平承载力力的大小主主要取决于于桩身的强强度、刚度度、桩周土土的性质、、桩的入土土深度及桩桩顶约束条条件等。3.4.1工作特点及及破坏模式式2种破坏模式式(1)桩侧土体体失稳破坏坏。桩的相对刚刚度(与周周围土相比比)较大时时(2)桩身材料料破坏。桩的相对刚刚度较小时时要求(1)桩侧土体体不破坏,,桩身不断断裂。(2)桩顶水平平位移及转转角不超过过容许值。。3.4.2单桩水平静静载试验1.试验装置2.试验加载方方法3.终止加载条条件单向多循环环加卸载法法慢速连续加加载法(长期承受受水平荷载载时)(与桥梁桩桩基水平荷荷载作用特特点相符))或:(1)桩身折断断;(2)水平位移移达到30~40mm或设计容许许值。4.水平承载力力的确定临界荷载Hcr:桩身开裂裂、受拉区区混凝土退退出工作时时的桩顶水水平力。极限荷载Hu:桩身应力力达到极限限强度时的的桩顶水平平力。水平承载力力特征值桩身强度控控制时,取取临界荷载载。位移控制时时,取设计计要求位移移对应的荷荷载。长期水平荷荷载作用且且控制开裂裂时,取0.8倍临界荷载载。临界荷载极限荷载H0tx0H0x0/H0H0σg单桩水平荷荷载试验试桩(帽))千斤顶反力梁反力桩3.5横向荷载作作用下单桩桩内力和位位移计算作用土的横向地地基系数计算宽度是计算桩基基础的水平平位移、内内力、桩侧侧土体横向向抗力的基基础。3.5.1桩侧土的横横向抗力横向抗力:基础在外力力作用下发发生侧移挤挤压土体时时,侧面土土体对基础础的抗力。。(1)概念(2)计算公式式假设:横向抗力的的大小与桩桩的水平位位移成正比比。kN/m3横向位移深度或(3)计算宽度度b0桩侧横向抗抗力的分布布宽度大于于实际宽度度b,为b0。单桩(包括括其他形式式的基础))时根据基础截截面(侧面面)形状查查表确定。。多排桩时考虑桩之间间的相互影影响,通过过系数k确定。两桩之间的的净间距与桩数有关关的系数计算深度计算深度度h0桩(其他他形式的的基础))局部冲冲刷线以以下的计计算深度度。且不大于于入土全全长h。(4)横向地基基系数常数法k法m法c法(5)比例系数数m“m法”我国铁路路、公路路、建筑筑规范中中采用的的方法。。多层土时时的m(对所围围面积的的加权平平均)计算深度度hm:刚性桩桩,hm=h;弹性桩桩,hm=2(d+1)多层土时m的计算图式1.单桩的挠挠曲方程程(m法)方程3.5.2横向荷载载作用下下单桩的的内力及及位移计计算(转角::逆时针方向为正正)刚性桩弹性桩桩的抗弯弯刚度,,通常取取为0.8EhI,Eh为混凝土土的抗压压弹性模模量(单位::m-1)横向变形形系数解答l所反映的的是桩-土之间的的相对刚刚度水平位移移转角角弯矩矩剪力力横向抗力力y的函数桩顶水平平位移、、转角、、弯矩、、横向荷荷载2.桩顶横向向位移X0和转角0的确定根据桩底底边界条条件确定定。(1)桩底支支承于土土层或岩岩面时竖向地基基系数桩底截面面的惯性性矩弯矩正向向与转角角正向相相反桩底截面面桩底边界界条件1:桩底边界界条件2:将y=l代入y、My、Qy的计算公公式,并并应用上上述边界界条件,,可得到到MMMQMMQMMQaEIMEIaQddddj000200-=+=-柔度系数数柔度系数数AB:桩顶B方向作用用单位荷荷载时,,在A方向产生生的位移移。弯矩:顺时针方向为正正。转角:逆时针方向为正正。柔度系数数计算公公式桩底端支支承于一一般土层层且l≥2.5时桩底端支支承于岩岩面且l≥3.5时可近似地地取Kh=02)下标l表示A、B、C、D取y=l时的值。。1)式中A、B、C、D是αy的函数。。3)说明::(2)桩下端端嵌固于于岩层内内时(3)当l≥4.0时,桩底底约束((边界条条件)对对桩受力力变形的的影响可可以忽略略。(4)桩身内内力及位位移的简简捷算法法MMyBMAaQM00+=将X0、0的表达式式直接代代入桩的的变形及及内力计计算公式式,可得得到式中的A、B是αy、αl、Kh的函数,,当查表表计算时时,为便便于制表表,需忽忽略Kh的影响,,为此应应满足::1)桩底端端支承于于一般土土层时,,l≥2.5;2)桩底端端支承于于岩面时时,l≥3.5。(桩侧土土横向抗抗力)3.5.3高承台桩桩的变形形及内力力计算桩顶荷载载桩顶的位位移及转转角地上段按按悬臂梁梁计算,,由外荷荷载产生生的桩顶顶位移和和转角地面处荷荷载将X0、0的表达式式代入及可得桩顶柔度度系数3.5.4刚性桩的的简化计计算方法法(下章介介绍)3.6多排桩桩桩基的平平面分析析3.6.1单桩刚度度系数桩顶位移移(B)轴向位移移横向位移移截面转角角桩顶作用用力(A)轴力N剪力Q弯矩M单桩刚度度系数ρAB:桩顶(地地面处))B方向且仅在该该方向产生单位位位移时时,在该该处A方向引起起的力。。ρAB转角和弯弯矩逆时针旋旋转为正。1.单桩刚度度系数1计算桩顶沉降降=桩身身压缩量量(弹性性)+桩桩底土层层压缩量量柱桩::侧摩阻力力f(z)为0。摩擦型钻钻、挖孔孔灌注桩桩:f(z)均匀分布布且端阻阻为0。摩擦型预预制桩::f(z)正三角形形分布且端阻为为0。桩身压缩缩量计算算计算时假假设:侧摩阻力力积分后,,得柱桩::1.0摩擦型钻钻、挖孔孔灌注桩桩:0.5摩擦型预预制桩::2/31:承台沿桩的轴线方向向产生单单位位移移时所引引起的顶面处的的轴力。桩底土层压缩缩量桩的沉降刚度系数1竖向地基系数数(取l10m)取l10m2.刚度系数2、3、42:承台沿桩的横向产生单位位移移(且无转角)时在顶面处引起的剪力。3承台沿桩的横向产生单位位移移(且无转角)时在顶面处引起的弯矩。承台产生单位位转角(且无横向位移移)时在顶面处引起的剪力。4:承台产生单位位转角(且无横向位移移)时在顶面处引起的弯矩。转角及弯矩的的方向规定以逆时针方向为正。因为当当桩顶发生单单位位移时,,所引起的弯弯矩(3)是逆时针的的,同样,桩桩顶逆时针方方向产生单位位转角时,引引起正向的横横向力(3)。即逆时针规定定可保证3始终为正。定义计算公式由解得根据定义,刚刚度系数为最终,刚度系系数可表达为为其中3.6.2高承台桩基的的平面分析(1)桩基础具有一一个竖向方向向的结构对称称平面。作为平面问题题计算的条件件(2)外荷载可简简化为作用在在该平面内的的力。承台位移及桩桩顶位移承台水平a竖向b转角桩顶轴向转角横向(顺时针为正正)(i逆时针为正))1.桩为竖直桩时时yx1122333344xi1xib=1a=1=1yxyx(由于对称性性)承台的刚度系系数每一排的桩数数承台平衡方程程(位移法)承台的位移桩顶的作用力力(逆时针为正正)方程求解后得得到3.6.4低承台桩基承台的平衡方方程承台侧面土体体产生的水平平抗力承台侧面土体体产生的抵抗抗弯矩只考虑承台侧侧面土的抗力力,不考虑承承台底面土的的作用。求解方程承台的计算宽宽度桩侧土抗力的的计算承台侧土的水水平地基系数数水平力弯矩承台y处的水平位移移3.6.5低承台桩基桩顶作用用力的简化计计算方法1.假设时,假设:(1)水平荷载由由承台侧土承承担;(2)忽略水平位移和转角角的影响。此此时有当水平荷载较较小,埋深较较大,即gjBHh)245tan(-°³本式主要在基基桩竖向承载载力验算时使使用。群桩基础中的的一根桩3.7.1群桩的工作特特点3.7群桩基础的承承载力和沉降降检算结论1.柱桩基础(1)群桩基础承载载力为各单桩桩承载力之和和。(2)群桩基础的沉沉降与各单桩桩沉降量相等等。桩底压应力不不叠加。特点(1)桩底压应力力的叠加效应应2.摩擦桩群桩基基础桩间距较大((sa>6d)时,应力不不叠加;较小小(sa>6d)时叠加。(2)群桩影响桩桩间土性质间距较大时单桩间距较小时3.7.2群桩基础竖向向承载力验算算将群桩基础视视为实体基础础进行验算。。作用在桩基底底面的竖向力力对承台底面桩桩基重心的弯弯矩桩底处的地基基承载力(按按浅基计算))实体基础底面面的面积、截截面模量《铁路桥规》计算公式的计算公式(所穿土层厚厚度的加权平平均值)有软弱下卧层层时软弱下卧层的的验算方法同同浅基础。3.7.3群桩基础沉降降验算承载力验算沉降验算(1)采用恒载。(2)按作为实体基基础按浅埋基基础的方法计计算。3.8板式承台的设设计承台类型板式承台(常常用)沉井式承台要求强度刚度沉井式承台构造要求(1)承台厚度不不小于1.5m。(2)承台上、下下面布置钢筋筋。板内钢筋布置置桩-板联结方式预制桩管柱桩(3)桩进入承台台足够深度。。(4)外排桩与承承台边缘的净净距满足要求求。桩的平面布置置方式及桩间间距要求布桩方式行列式梅花式桥梁承台3.2桩基础设计计计算设计资料的综合分析研究确定桩基础持力层的几种方案验算群桩基础承载力和必要时验算群桩基础沉降验算单桩承载力桩顶作用力计算,地面处位移x0验算,桩身内力计算确定桩数和平面布置计算和确定参数确定桩基础形式及承台尺寸、标高和计算承台底面作用力确定单桩容许承载力桩身强度设计(配筋)确定基桩类型的几种方案和桩的尺寸、构造及施工工艺几种方案的技术经济比较,能否作出最优选择验算承台强度必要的调整,绘制施工图验算桩身强度、稳定性、裂缝宽度、及桩顶或墩台顶水平位移ftftftftftft3.2.1设计流程3.2.2方案设计1.桩的类型选择择材料钢桩混凝土桩施工方法预制现场灌注承载特性摩擦桩柱桩岩层埋深土层情况施工技术单桩承载力原则同一基础中,,桩型及承载载特性相同,,桩径相等,,桩长之差尽尽可能小。2.板式承台底面面标高的确定定(1)低承台桩基基的承载力通通常高于高承承台桩基。(2)在水中,高高承台桩基的的施工较低承承台桩基方便便。(3)承台底面标标高的确定应应考虑冲刷、、水位、通航航、流冰等因因素的影响。。(4)水位较高、、冲刷较深时时可采用高承承台,甚至底底面置于施工工水位之上((无航船、流流冰影响时))。(5)陆地、季节节性河流、冲冲刷深度较小小时,可采用用低承台。((冻土中应考考虑冻胀影响响。)3.桩径及桩长的的拟定土(岩)层情情况施工技术及水水平对单桩承载力力的要求4.桩数及其平面面布置(1)根数竖向荷载单桩承载力经验系数(2)桩间距(桩桩的中心距))1)桩间过大时时,承台所需需的尺寸过大大,造价提高高。2)桩间过小时时,桩-桩相互影响影影响,承载力力不能充分发发挥。施工困困难。3)合理的桩间间距取决于桩桩径、施工方方法、承载特特性等因素。。(3)平面面布置置方式式布桩方方式行列式式:施施工方方便。。梅花式式:布布置方方式紧紧凑。。行列式式梅花式式此外,,还应应使群群桩的的重心心尽可可能与与合力力作用用点接接近。。3.2.3设计荷荷载的的确定定主力组组合主力+附加力力主力+特殊荷荷载荷载组组合(仅考考虑分分别与与一个个方向向即顺顺桥或或横桥桥的附附加力力的组组合))3.2.4桩基础础的承承载力力及沉沉降验验算3.2.5基桩的的位移移、内内力计计算及及设计计(1)计算算外荷荷载作作用下下,各各基桩桩顶部部的位位移及及内力力。(2)计算算基桩桩各截截面的的位移移及内内力。。(3)根据据内力力计算算结果果配筋筋(钢钢筋混混凝土土桩))。3.2.6承台设设计确定承承台尺尺寸并并配筋筋。3.9桩基础础施工工3.9.1施工前前的调调查和和准备备1.施工前前的调调查地质勘勘察施工场场地情情况桩基设设计情情况2.编制施施工组组织设设计施工方方法施工机机械设设备设备和和材料料供应应计划划沉桩方方法各种技技术措措施施工平平面图图作业计计划及及劳动动力组组织3.9.2预制桩桩的施施工1.主要工工序和和沉桩桩方法法沉桩方方法锤击沉沉桩((打入入)震动沉沉桩((震入入)锤击与与射水水配合合静力压压桩((压入入)2.沉桩设设备(1)打桩桩锤坠锤单动汽汽锤双动汽汽锤柴油锤锤震

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