第04章岩土体工程地基稳定问题Word文档格式.docx
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从1949年到1972年成功地建成了高15m以上的各类坝一万二千多座,如果包括一些更小的,则达70多万座,有力地促进了工农业的发展。
但是由于种种原因,其中特别是由于经验不足,也发生了一些垮坝事故,截至1973年九月止,全国中小型水库垮坝共有570座。
从世界上坝的破坏情况来看,原因是多种多样的。
地质方面的原因造成的破坏事故约占30~40%,其中,从具体的破坏原因和形式来看,又可详分如下类型:
(1)由于坝基的强度较低,运行期间又遭到进一步恶化所造成的破坏。
例如美国的奥斯订坝,高仅20.7m,坝基为岩溶化的石灰岩,裂隙发育并有断层。
在勘察和修建过程中对这些问题没有进行过任何研究,也没有采取任何措施。
坝建成于1892年,1893年就产生了裂缝,但并未引起重视,只进行了局部处理。
到1900年,一场大雨,坝就完全毁坏了。
究其原因,主要是岩溶化地基强度较低,运行期间地下水的渗流又使其进一步恶化,以致坝基承受不了坝的压力和溢出水流的冲刷而导致破坏。
(2)由于坝基(肩)的抗滑稳定性较低,运行期间又遭到进一步恶化所造成的滑动破坏。
应该指出,坝基(肩)不均匀变形使坝体因基础的不均匀沉陷而断裂,防渗措施失效使空隙水压力增高以及泥、页岩在地下水的作用下软化或泥化等,都可能造成坝基抗滑稳定性的进一步恶化。
例如法国的马尔帕塞坝的破坏(见11.3.2)就是这类实例。
(3)因坝基中存在有抗剪强度低的土层而造成的土坝或堆石坝坝基和坝坡的坍滑。
例如四川的团结水库,设计坝型为均质土坝,高28m,因坝基中有抗剪强度低的软弱土层(由于对地质工作不够重视,事前并末发现),结果修至22m高时下游坝坡就发生了坍滑,使下游坡脚水平位移达23m,坝顶下沉7m多,下沉速度达每日0.5m。
(4)因坝下渗透水流将坝基岩石中的细颗粒物质带走,使坝基被构空而造成的破坏。
例如四川永川县陈食水库的条石连拱坝,由8跨拱组成,坝高23m,坝基为侏罗系沙溪庙组的泥岩,砂岩。
由于清基不彻底,有的拱砌置在裂隙发育且风化的泥岩上,又末设必要的防渗措施,当水库蓄水至23m高时,三号拱基发生渗透变形,随后扩大成洞,库水突破坝体迅猛下泄成灾,十几分钟内将近百万方蓄水放空,外泄水流将坝基冲蚀了7m多深,形成一个高13m、宽8m的冲蚀洞。
(5)由于坝肩岩体的稳定性较低,运行期间空隙水压力增大又使其稳定性进一步恶化所造成的坝肩滑动破坏。
安徽梅山水库大坝的事故就是这样造成的。
(6)坝下游岩体冲刷(溢流冲刷)淘空,也可造成大坝的破坏。
(7)由地震和水库地震所造成的破坏或损害。
虽然地震的破坏力很强,但由地震直接造成的大坝彻底破坏的事例还是不多的。
1925年美国米费里德坝的破坏是其中一例。
而水库诱发地震使大坝遭受不同程度损害的实例则有印度的科因纳坝、希腊的科列马斯塔坝和我国的新丰江坝。
应该指出,许多坝的破坏是由多种原因综合造成的。
但坝基的渗透变形和抗滑条件恶化常在多数坝的破坏中起主要作用。
当然,与修建成功的坝的数量相比,失事坝所占的比例毕竟还是很小的。
但是,必须看到,水坝失事所造成的损失通常是十分巨大的,例如1889年美国苏佛尔坝的破坏既使2500余人丧生。
所以对于水坝的勘察、设计和施工绝不能稍有疏忽,否则就可能招致严重后果。
而对于一个工程地质工作者来说,重要的则是了解和掌握坝基岩体的变形、破坏机制和稳定性的分析、评价原理,以便能够正确地进行工程地质勘察工作,从而为坝基稳定性的评价提供充分的地质依据。
第二节 地基岩体内的应力分布特征
一、垂更荷载作用下地基内的应力分布
地基内的应力分布,取决于荷载特点和地基岩体的结构特征。
为了说明岩体结构对应力分布的影响,本节拟重点说明均质的、层状结构的以及碎裂结构(块体堆砌式的)三类地基内的应力分布规律。
关于均质地基的应力分布,已在土力学课程中进行过详细讨论。
这里,为了与非均质、各向异性地基内的应力分布情况进行对比,仅以条形均布荷裁作用下地基内的应力分布为例,说明其一般特征。
根据弹性理论得知,在条形均布荷裁作用下,地基内任一点的附加主应力可按下述公式求得,即:
式中:
1
3——分别为最大与最小主应力;
p——荷载强度;
h——基础的砌置深度;
Y——岩石的容重;
由上述公式所反映的地基内最大主应力等值线的分布如图所示。
从图中可以看出,每一条等值线都是一个以基础底边为弦的圆弧,这正是公式(11—1)所代表的情况。
层状结构地基内的应力分布与前述的均质地基的情况截然不同,实验研究表明,由相互平行的软弱结构面发育而成的层状结构,通常使地基内的庄力分布具有明显的各向异性特征。
图11—6(b)、(G)所示的,就是条形荷载作用下层状结构地基内最大主应力等值线的分布情况,它表明以下两点:
(1)分割岩体的软弱结构面(如节理、层面裂隙等),由于其抗剪强度低,限制着应力向两侧传递、扩展,致使附加应力在所限岩体内集中。
在这种情况下,附加应力可以顺沿“层理”方向延展到很大的深度。
分割岩体的软弱结构面的抗剪强度愈低,上述效应愈明显。
(2)层状结构地基内应力分布的特点,与软弱结构面的产状有密切关系(如图11一7)。
当分割岩体的软弱结构面直立时,基础下岩体内的应力集中程度最高,应力与形变区延展的深度也最大[如图11—7(a)]。
当软弱结构面倾斜产出时,地基内往往有两个高值最大主应力方向,顺沿软弱结构面的方向,应力集中程度较高;
垂直软弱结构面的方向次之,且两者相对大小随软弱结构面的陡缓而异[见图11—7(b)]。
当软弱结构面近水平分布时,基础下的应力集中程度则相对较低,如图11—7(c)所示。
碎块体(碎裂结构)地基内的应力分布,是由克尔斯曼诺维奇和米利奇两人根据块体节理模型试验的结果而阐明的。
该试验所用模型是以粘土与石膏混合物制成的柱状六面体(4X4x16cm)按图11—8所示的方式堆砌而成的,然后以水压机通过传压钢板对模型逐级施加垂直荷载,同时测量各测点处的正应力和位移值。
图11—9所示是模型试验的结果。
它表明,碎块体地基内的应力分布,与基础的刚性、块体间缝隙的充填胶结情况、块体堆砌的紧密度以及现行的受力状态等有密切的关系。
图11—9(a)所示的是块体间未加充填、堆砌后不进行预压以及通过柔性传压板加荷的极端情况。
在这种情况下,地基内应力分布的主要特点是沿基础中心线产生极高的应力集个,以致在地基上部的较大范围内出现垂直应力大于表面荷载强度的情况,例如在深度为0.667b(b为基础的宽度)处垂直应力竞高达表面荷载的2.6倍以上。
图11—9(b)则表明,基础刚性的加强使应力集中线移至两侧近基础边缘处,垂直应力等值线也随之而呈驼峰型;
同时,予压的施加又使应力集中程度为之减弱,地基内可能出现的垂直应力大干表面荷载的范围大为减小,仅局限在基础边缘的浅部地带。
模型试验结果还表明[图11一9(c)],块体间缝隙的充填胶结会使地基内的应力集中程度进一步降低,使地基范围内不再出现垂直应力高于表面荷载的区域。
二、斜向荷载作用下地基内的应力分布
如前所述,各类挡水建筑物的地基所承受的都是斜向荷载。
它实际上是垂直荷载与水平荷载两者合成的结果。
一般认为,坝基所承受的垂直荷载呈三角形分布,即在上游坝踵处垂直荷载为零,后线性增大,至下游坝趾处达最大值[如图11—10(a)]。
垂宣荷载的这种三角形分布,是坝重及库水推力所造成的力偶共同作用的结果。
坝基所承受的水平荷载,是由库水推力作用在坝体上,然后通过坝底面的摩擦力而传至地基的。
由于垂直荷载为三角形分布,故由底面摩擦力而传给地基的水平荷裁也必然呈类似的三角形分布[如图II一10(b)]。
如果我们可以像这样地把坝基所承受的斜向荷载分解为三角形分布的垂直荷裁与水平荷载,那么我们就能用弹性理论分别求出由垂直荷载和水平荷载在地基(均质的)内任意点所造成的各种应力成分,然后再将相同成分的应力相迭加,即可得出地基内任意点处的总附加应力。
………………
对于岩石坝基来说,由于岩体的抗压强度通常都很高,一般不会出现因压力过大而感强度不足的问题,但对拉应力的作用则特别敏感。
所以,我们对地基内水平应力中的拉应力的分布情况,远比对垂直压应力的分布情况更感兴趣。
通过计算发现,在坝上游面附近的坝基上部,存在一个水平拉应力分布区。
必须指出,此水平拉应力区的存在对坝基变形、破坏的发展有很大的影响。
有关这方面的问题,我们将在后面的相应部分加以讨论。
第三节 坝基岩体的变形与破坏
一、松软土地基的变形与破坏
1.垂直荷载作用下松软土坝基的变形与破坏
松软土地基在垂直荷载作用下变形破坏的过程和特点,已在土力学课程中进行过详尽的讨论,这里拟重点说明的是松软土坝基在垂直荷载作用下发生的局部滑动以及与之相联系的坝坡坍滑问题。
如前所述,在土坝或堆石坝的建筑实践中常可遇到像团结水库土坝那样的坝坡坍滑问题。
根据实地观察,坝坡坍滑通常有两种类型。
一种是滑动的速度相对比较缓慢,所涉及的地基滑动部分的范围相对较小。
团结水库土坝和美国的拉法依特土坝的坝坡坍滑就是这种类型。
后者高36m,长150m,坝顶在三天之内坍滑下陷了4.5m[图ll一14(a)]。
另一种类型是坍滑的速度很快,坍滑所涉及的地基的范围可以很大,例如美国另一个高仅9m的土堤,在不到一分钟的时间内300m长的堤顶下陷了4.5m,坍滑所涉及的地基土水平方向的范围扩展到距堤脚约45m的地方。
实地观察表明,第一类坍滑一般是发生在地基土层中存在有饱水的塑性软粘土或淤泥夹层的情况下[田11一14(a)],而且地基中的滑动面都是通过这一软粘土层的中部;
第二类坍滑通常发生在地基土层中发育有软粘土,且其中部夹有砂或粉砂之类的薄层或透镜体[如图lI一14(b)],滑动面就通过这种部位。
显然,坝坡坍滑问题取决于促使坝坡滑动的力与阻止其滑动的力之间的对比。
当阻滑力大于滑动力时坝坡将是稳定的,否则就会发生滑动。
由上述可见,地基中存在有饱水且透水性小的土层,如塑性软粘土或淤泥等,特别是当其中夹有砂或粉砂的薄层或透镜体时,地基的抗坍滑能力通常是很低的,在设计土坝或堆石坝时必须充分注意这个问题。
当遇到这种情况时,为了保证坝坡的稳定,可采取如下措施:
(1)当这类土层埋藏较浅时.最好将这类土层挖除,然后将基础砌置在不易引起坍滑的土层上;
(2)当这类土层埋藏较深而无法挖除时,可采取相应的排水措施,以便较快地减小该层中的超孔隙水压;
(3)在有些情况下也可采用予压法或放缓施工进度的办法,使土层予先沉陷或逐渐排水压实,以提高地基的抗滑能力。
2.倾斜荷载作用下松软土地基的滑动破坏及抗滑稳定性问题
理论计算和实验研究的结果表明,当作用在松软坝基上的斜向荷载增大到一定的临界值之后,地基土即将沿着一定的深部弧形面发生滑动破坏(如图11—17)。
有关这类弧形滑动破坏的极限荷载条件,已在土力学课程中进行过详细讨论。
二、岩石坝基的变形及其对大坝稳定性的影响
坚硬岩石地基的变形性常远较松软土地基为小,故对于一般的水工建筑物,研究其基础沉陷的绝对值往往没有多大实际意义。
但是,由于建筑在岩基上的坝大多数是具有较大刚性的,它们对不均匀沉陷非常敏感,因此研究因岩石地基的不均匀变形所造成的不均匀沉陷,对于保证这类大坝的稳定有很大的实际意义。
岩石地基的不均匀变形通常是由下列因素造成的。
(1)岩石地基内应力分布的不均匀性。
如前所述,当坝基内有成组出现的陡倾软弱结构面发育时(如图11—18),地基内的附加应力将在软弱结构面所限岩体内产生高度的集中。
由于这种原因,在具有三角形或梯形断面的重力坝自重作用下,地基内不同条形岩体中附加应力的大小及延展深度各不相同,因而其变形量也就彼此不等。
通常坝体高、因而荷裁强度大的部分变形量大;
坝体低、因面荷载强度小的部分变形量就相对较小(如图11—18),于是在不同条形体的交界处就会产生明显的差异沉陷,其结果往往使刚性坝体在这些部位发生断裂(如图11—18)。
(2)地基不同部分岩体变形性质的差异也往往是造成坝体不均匀沉陷的重要原因。
这可能有两种情况:
一是坝体砌置在软硬差别较大的岩层上,这种情况下,易于产生不均匀沉陷;
二是坝基岩体内开口裂隙(如河床下的水平卸荷裂隙等)发育的不均匀,例如坝基一例张口裂隙较发育,而另一侧则不发育,在坝体压力作用下开口裂隙发育的一侧由裂隙闭合所造成的压缩变形大于不发育的一侧,其结果势必造成不均匀沉陷(如图11—19)。
应该指出,对于砌置在坚硬岩体上的大坝,尤应特别注意后一情况。
因为这类岩体本身的变形性通常较低,而开口裂隙在压力作用下产生闭合所造成的压缩变形往往可以达到很大的数值。
所以开口裂隙发育不均常是造成这类岩体不均匀变形的重要原因。
鉴于不均匀沉陷能对坝体稳定性造成较大的危害,在初勘阶段应尽可能地将坝基选择在不致产生过大不均匀沉陷的部位。
如果不能完全避开,也应采取相应的措施(例如予留沉陷缝等)以减少或消除不均匀沉陷对坝体稳定的影响。
除上述之外,还应强调指出的是,在坝基或坝肩范围内岩体变形性能于局部地带的突变(增大),对于拱坝的稳定性往往有很大的影响。
模型试验表明,在外荷载的作用下,拱坝的破坏总是先从局部软弱岩体发育部位开始,产生如图11—20所示的各种破裂,然后导致整体破坏的。
因此,在拱坝的勘察和设计过程中,对于这个问题必须予以充分的注意。
三、岩石坝基的滑动破坏及抗滑稳定拴问题
(一) 岩石坝基滑动破坏的形式、特点和发生条件
试验研究的资料表明,由于坝基岩体特征不同,重力坝在库水推力作用下的滑动破坏可能有三种不同类型,即:
表面滑动、浅部滑动和深部滑动。
1.表面滑动
表面滑动是沿混凝土基础与基岩接触面发生的剪切滑动,如图11—21。
主要发生在坝基岩体的强度远大于坝体混凝土强度,且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面的条件下。
此时,混凝土基础与基岩接触面的摩擦系数值,是控制重力坝设计的主要指标。
坝体必须具有足够的重量,以便使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总水平推力。
这个接触面的摩擦系数通常是根据现场剪切试验资料,考虑到坝区的工程地质、水文地质条件的特点,并参照国内外已建的类似工程的经验数据确定的。
当基岩面由不同岩石组成时,接触面的摩擦系数的综合指标值,一般按面积加权平均法或应力加权平均法求得。
2.浅层滑动
当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土时,剪切破坏往往发生在浅部岩体之内,造成浅层滑动。
从产生条件来看,这种浅层滑动可能有三种主要类型。
一是坝基岩体的岩性软弱,岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面,故在库水推力作用下,易于沿表层岩体的内部发生如图11—22所示的剪切破坏。
二是由近水平产出的薄层状岩层(特别是夹有软弱层者)组成的坝基。
在库水推力作用下,产生如图11—23所示的滑移弯曲。
这类变形破坏的产生主要是因为薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很低,在平行于层理方向的荷载作用下,易于产生突向临空面方向的弯曲变形,故在水平荷载作用下,坝趾下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱层滑动的抗力,于是促进了坝基整体滑动的发生。
在平行于层理方向的荷载作用下,层状岩体的抗弯曲能力称为弯曲阻抗,通常可根据Euler所提出的下述公式进行计算:
E——岩层的弹性模量;
lb——岩层弯曲段的长度
D——弯曲岩层的厚度;
由上式可见,岩层的抗弯曲能力与弯曲所涉及的层厚的三次方成正比,故下游岩层的抗弯曲能力随所涉及的岩层厚度的增加而迅速增大,所以这类变形破坏通常总是发生在浅部地层内。
我国葛洲坝工程抗力体试验的结果充分地反映出这类岩体的上述变形破坏机制。
该工程的坝基由白垩纪的粘土质粉砂岩和中细粒砂岩互层组成。
岩层以4~8º
的倾角倾向左岸偏下游,其中202夹层在二江分布较浅,夹泥厚1到数mm。
为了研究这类坝基的变形破坏方式及下游抗力体的作用,于现场进行了抗力体试验。
结果表明,地层受推力后首先因发生弯曲变形而隆起,使下游护坦板向上供起,最大量达5mm左右。
随着隆起变形的发展,沿夹层发生了层间错动。
第三种类型是碎裂结构岩体组成的坝基在坝体推力作用下发生如图11—24所示的剪动滑移破坏。
因此,较大型的混凝土坝的修建,对于选址、清基和对表部断层、裂隙破碎带等的处理,均有较为严格的要求,对此必须认真对待,严格执行,否则往往造成严重后果。
3.深层滑动
在工程应力条件下岩体的深层滑动主要是沿已有的软弱结构面发生。
因此,只有当地基岩体内存在有软弱结构面,且按一定组合能构成危险滑移体时,才有发生深层滑动的可能。
能够构成危险滑移体的软弱结构面,通常可分为滑移控制面和切割面两类。
它们与一定的临空面组合就构成了深部滑移的边界条件。
按照目前通用的观点(没有考虑岩体的天然应力状态),典型的切割面通常是由陡立的断裂面构成的,只起将滑移体与周围岩体割裂开来的作用,不起抗滑作用。
与作用力方向垂直的陡立结构面构成横向切割面,平行于作用力方向的陡立面则构成侧向切割面。
沿移控制面通常是由平缓的软弱结构面构成的,它与切割面不同,除了一定的切割、削弱的作用之外,还能对沿移体起抗滑的作用。
因此这类面上的抗剪指标是控制设计的重要数据。
滑移控制面的确定,应考虑如下两种情况:
(1)坝基内存在有方位有利于滑动的软弱结构面,且其实际抗滑能力低于坝体混凝土与基岩接触面的抗剪能力。
这类结构面就是坝基的滑移控制面。
假定坝基内有一缓倾上游的软弱结构面,其内摩擦角为φd,它与基岩表面的夹角为I。
如果再假定接触面的内摩擦角为φc,则当φd>φc-i时,该软弱结构面对于水平推力的实际抗滑能力将大于接触面。
在这种情况下,此软弱结构面显然不能成为滑移控制面,因为只要按“不使发生表面滑动”的条件进行设计,就不会沿此结构面发生深层滑动。
相反,当φd<φc-i时,该软弱结构面对于水平推力的实际抗滑能力将小于接触面。
此时,控制设计的显然不是表面滑动而是深层滑动,该结构面就是滑移控制面。
同理,当坝基内的软弱结构面倾向下游[如图11—25(b)],且当结构面与接触面的内摩擦角满足φd<φc+i的条件时,该结构面就将成为滑移控制面。
(2)另一种情况是坝基岩体内软弱结构面的发育没有明显的分异,而是不同方向的裂隙普遍有所发育。
此时深部滑移控制面往往是由坝基内最大剪应力带的分布所决定。
设计过程中有时需要根据这个带的综合抗剪指标(即裂隙段的抗剪指标和完整岩石段的抗剪指标的面积加权平均值)沿这个带校核坝基的抗滑稳定性。
应该指出,在有些情况下滑移控制面和切割面的区分并不像上述那样明确。
例如有些陡立的、与滑动力方向斜交的裂隙面,既起切割作用同时又有一部分抗滑的作用;
又如有些危险滑移体的滑移控制面是由两组倾向相反的断裂面组成的复合滑移控制面,它们同时起侧向切割作用而不具备单独的侧向切割面。
岩体滑移临空面主要是地形表面。
河床地面为水平临空面,而河床深潭、深槽、溢流冲刷坑、下游厂房及其它建筑物基坑等,皆能构成陡立的临空面。
这些陡立临空面的存在对岩休的抗滑稳定极为不利。
由上述成分特定组合构成的危险滑移结构,通常有两种类型。
一类是不具备抗力体的滑移结构,当滑移控制面倾向上游,或滑移控制面倾向下游但被下游陡立临空面切切割时,就构成这类滑移结构(如图11—28、图ll一29)。
另一类是具有抗力体的滑移结构,当滑移控制面近于水平或倾向下游时,就是这种情况(见图11—30)。
从图11—30中可见,坝基岩体沿滑移控制面a—b的滑移将首先受到坝下游岩体的抵抗,只有当下游岩体沿着其一个面例如bc面被剪破之后,坝基岩体才有可能发生沿滑移控制面a—b的滑动。
通常将坝下游这部分能起抵抗坝基滑移作用的岩体称为抗力体,它所能提供的抗力的大小对坝基抗滑稳定的评价有重要意义。
研究抗力体首先应查明抗力体是否已遭到破坏。
当坝下游岩体中存在有与滑移方向接近正交的张性裂隙密集带、大断层破碎带、软弱岩层、深风化破碎带或潜伏溶洞等时,由于这类地带强度低、变形大,因而实际上能起陡立临空面的作用,则应认为抗力体已遭破坏,稳定计算时不应再考虑抗力体的作用。
应该指出,由于抗力体的作用.滑移控制面的分布高程在抗滑稳定分析中有很大的意义。
滑移控制面分布的高程越低,滑动遭受的抗力就越大。
所以,具有相同抗剪强度的软弱结构面,当其出现在不同高程时,其对坝基抗滑稳定的影响不同。
(二) 降低坝基抗滑稳定性的作用与坝基滑动破坏的发展
在大坝施工及运行期间,通常有一系列的作用能不断地降低坝基抗滑稳定性。
如果在设计与施工中不采取措施.任这些作用自由发展,最终必将导致坝基整体破坏,造成严重后果。
这类作用很多,但概括起来可分为如下方面。
(1)基坑开挖过程中卸荷回弹与应力释放所造成的岩体的变形和破坏。
如前所述,在高地应力区,施工期间所进行的岩体开挖工作往往能在基坑的底部及两壁引起一系列与卸荷回弹和应力释放作用相联系的变形和破坏现象,例如葛洲坝水电站厂房基坑开挖过程中所发生的情况就非常典型(参见图3—21)。
这些现象的产生,通常会使坝基或边坡岩体的工程地质条件严重恶化,对于这个问题认识不足,有时也会造成严重后果。
(2)在附加应力作用下坝基岩体变形、破裂的逐渐发展以及与之相联系的空隙水压力(或扬压力)的增高。
属于这类作用的主要有两方面:
一是坝基在附加压应力作用下产生不均匀变形,使坝体因不均匀沉陷而断裂,丧失其整体性。
除此之外,有时还会使防渗排水设施遭到破坏,引起基础底面扬压力的提高,所有这些显然都会使坝基岩体的抗滑稳定性遭到削弱。
二是坝基上游拉应力分布区内的岩体,在水平拉应力作用下产生近垂宜方向的张裂,且这种张裂的发展通常是与其中的空隙水压的增大相互促进地进行,最终可使近垂直方向的张裂向深处发展到与已有的缓倾角软弱结构面相连,从而导致横向切割面的形成和岩体
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