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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第5期

混凝土預(yù)制樁軟土地基沉樁施工技術(shù)研究

呂琳，李宏強(qiáng)，李國(guó)輝，齊瑞寧，張成良

［摘要］混凝土預(yù)制樁因施工便捷、污染小、質(zhì)量控制較容易，在軟土地區(qū)復(fù)合地基和建筑下部結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。但其混凝土預(yù)制樁在沉樁過(guò)程會(huì)對(duì)樁體周圍的土體產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，該效應(yīng)會(huì)對(duì)臨近的建筑物產(chǎn)生不利影響，因此，研究混凝土預(yù)制樁沉樁對(duì)土體的擾動(dòng)效應(yīng)來(lái)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。本文利用大型有限元軟件對(duì)混凝土預(yù)制樁的沉樁擾動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行深入的分析，為混凝土預(yù)制樁在沉樁的設(shè)計(jì)、施工以及施工組織的設(shè)計(jì)上提供一定的參考和指導(dǎo)。

［關(guān)鍵詞］混凝土預(yù)制樁；數(shù)值模擬；擠土效應(yīng)

隨著我國(guó)大城市、超大城市不斷發(fā)展，吸引了大量外來(lái)人口前來(lái)安家落戶，也直接推動(dòng)著城市向外圍不斷擴(kuò)張。很多城市，尤其是沿海、沿湖城市，土質(zhì)較差，很多高層建筑的基礎(chǔ)均是采用樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，混凝土預(yù)制樁就是其中的一種，該結(jié)構(gòu)因質(zhì)量可控、對(duì)環(huán)境污染少并且對(duì)底層的穿透效果好而備受青睞。然而，由于混凝土預(yù)制樁在沉樁過(guò)程中對(duì)周圍土體的擠壓可能會(huì)帶來(lái)的安全隱患問(wèn)題也不得不重視。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)擠土效應(yīng)進(jìn)行了研究，但這一領(lǐng)域尚未完全成熟。本文將對(duì)混凝土預(yù)制樁軟土地基沉樁施工技術(shù)進(jìn)行深入研究，分析混凝土預(yù)制樁的沉樁對(duì)周圍土體的擾動(dòng)效應(yīng)，旨在為軟土地區(qū)鋼筋混凝土預(yù)制樁沉樁的施工提供有價(jià)值的參考。

工程概況

本文選取某市新建商業(yè)住宅配套區(qū)地下工程作為研究對(duì)象。該區(qū)域最高樓層20層，地下層，建筑總高75m，基礎(chǔ)埋深最大15m。經(jīng)過(guò)初步嘗試多種方法后，我們發(fā)現(xiàn)采用CELControlled Elastoplasticity）方法進(jìn)行建模時(shí)，計(jì)算過(guò)程更容易收斂，并且結(jié)果相對(duì)精確。因此，本文決定采用CEL方法進(jìn)行后續(xù)研究。

模型尺寸的確定

在根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行有限元分析時(shí)，選擇合適的尺寸可以起到事半功倍的作用，若模型尺寸沒(méi)有達(dá)到要求，則會(huì)影響結(jié)果的可靠度，造成不必要的時(shí)間和成本的浪費(fèi)。本論文在研究時(shí)，主要關(guān)注混凝土預(yù)制樁在沉樁的過(guò)程中對(duì)周圍土體的影響，對(duì)于樁體本身則可以不予關(guān)注，對(duì)于樁體的變形不作考慮，因此將其視為剛性結(jié)構(gòu)。通過(guò)既有的大量文獻(xiàn)，確定本研究的項(xiàng)目模型采用原本結(jié)構(gòu)的1/4作為研究對(duì)象，這樣既能保證準(zhǔn)確度，又能提高計(jì)算效率。同時(shí)相關(guān)研究也指出，當(dāng)土體的深度是樁長(zhǎng)的倍以上時(shí)，由于土體深度不足導(dǎo)致的影響邊界條件設(shè)定的問(wèn)題也會(huì)迎刃而解。因此，選取樁體半徑的10倍、20倍、30倍及40倍進(jìn)行分別對(duì)比研究，通過(guò)對(duì)圖和圖的研究發(fā)現(xiàn)，40倍樁體半徑范圍對(duì)于模型的邊界效應(yīng)影響基本上已經(jīng)不復(fù)存在，因此，水平范圍內(nèi)的模型尺寸選擇40倍樁體半徑。

混凝土預(yù)制樁沉樁對(duì)周圍土體的擾動(dòng)分析

3.1沉樁過(guò)程中土體位移變化規(guī)律

詳細(xì)描繪了在進(jìn)行沉樁作業(yè)的過(guò)程中，位于6.5m深度的土體位移變化情況。通過(guò)仔細(xì)觀察圖 a)可以發(fā)現(xiàn)，在沉樁深度尚未超過(guò)4.5m的階段，4.5m深處的土體在水平方向上沒(méi)有任何變化，但是隨著混凝土預(yù)制樁的沉樁不斷加深達(dá)到6.5m深度時(shí)，土體的水平位移達(dá)到了約0.1m1R10R中，1R2R位移發(fā)展排在前兩位，并且水平位移達(dá)到最大值后迅速降低，然后穩(wěn)定在0.09m0.05m附近。

圖3 b)，在沉樁深度尚未超過(guò)4.5m的階段，4.5m深處的土體在豎直方向上同樣沒(méi)有任何變化，但是隨著混凝土預(yù)制樁的沉樁不斷加深達(dá)到6.0m深度時(shí)，土體的豎直位移最大達(dá)到了約0.2m1R10R中，1R2R位移發(fā)展同樣排在前兩位，并且豎直位移達(dá)到最大值后迅速降低一定程度，然后穩(wěn)定在0.2m0.07m附近。

3.2沉樁過(guò)程中土體應(yīng)力變化的規(guī)律

詳細(xì)描繪了沉樁作業(yè)過(guò)程中，位于6.5m深度處的樁周土體應(yīng)力變化情況。具體而言，圖 a)部分顯示，1R曲線在沉樁深度小于3.3m的階段，6.5m深處的土體并沒(méi)有因?yàn)榛炷令A(yù)制樁的沉樁而受到任何影響；然而，當(dāng)混凝土預(yù)制樁沉樁深度達(dá)到4.5m時(shí)，該位置處的土體徑向位移在一定程度上發(fā)生位移，而此時(shí)應(yīng)力也達(dá)到了曲線發(fā)展的最低點(diǎn)。隨著繼續(xù)沉樁施工，深度進(jìn)一步加大，混凝土預(yù)制樁對(duì)周圍土體的擠壓效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)，徑向應(yīng)力也在6.5m處達(dá)到了最大值的800kPa。隨著深度的繼續(xù)加深，土體的徑向應(yīng)力迅速降低，隨后趨于穩(wěn)定，其他幾條曲線發(fā)展趨勢(shì)和1R基本相似，不再贅述。

b)部分則展示了各種樁徑在沉樁豎向應(yīng)力曲線圖，1R在沉樁深度小于4.5m的階段，各種樁徑的沉樁過(guò)程對(duì)于周圍土體的豎向應(yīng)力幾乎無(wú)影響，但是隨著沉樁深度的不斷加深，周圍土體的豎向應(yīng)力急劇增加，在1R曲線中達(dá)到了最大值的600ka，隨后隨著樁身的不斷加深迅速降低到一定程度，曲線形態(tài)保持穩(wěn)定不變。

3.3沉樁結(jié)束后的土體位移分布規(guī)律

從圖 a)中可以觀察到，距離樁周的距離越遠(yuǎn)，其水平位移也就越小。圖 b)顯示，在H=0的曲線中，地表一定范圍內(nèi)表現(xiàn)為向上突起，其他四條曲線一致出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。

展示了沉樁作業(yè)完成后土體位移的垂直分布規(guī)律，選取了距離樁中心3R6R9R處的土體作為示例。觀察可知，在樁周3R處，土體水平為先小幅度降低，然后急劇增長(zhǎng)，達(dá)到4m深時(shí)呈現(xiàn)穩(wěn)定性，此時(shí)水平位移0.03m左右，而后達(dá)到12m深度開(kāi)始急劇下降。而該處的豎直位移從0.05m呈拋物線狀急劇減少，到達(dá)-0.04m左右開(kāi)始反彈直至達(dá)到0m。距離樁中心的其他兩條曲線和3R曲線大致相似，本文不再贅述。

經(jīng)過(guò)細(xì)致觀察和分析圖與圖所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)，我們可以明確地識(shí)別出，在混凝土預(yù)制樁沉樁作業(yè)期間，樁體周圍的土體經(jīng)歷了顯著的位移變化。這些變化主要體現(xiàn)在土體的垂直位移和水平位移兩個(gè)方面。具體來(lái)說(shuō)，在樁體附近的土體區(qū)域，可以觀察到垂直和水平方向的位移同時(shí)發(fā)生，且兩者之間的差異相當(dāng)顯著。然而，將觀察焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到距離樁體較遠(yuǎn)的區(qū)域時(shí)，情況則呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。在這些區(qū)域，土體位移主要以水平方向?yàn)橹鳎怪狈较虻奈灰苿t相對(duì)微弱。為了更精確地闡釋這一點(diǎn)，可以參考特定測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)距離樁中心大約2m時(shí)，土體的垂直位移明顯小于水平位移。這一現(xiàn)象揭示了在距離樁體較遠(yuǎn)的區(qū)域，土體的移動(dòng)主要傾向于水平方向，而垂直方向的位移則相對(duì)較小。

3.4沉樁結(jié)束后土體應(yīng)力分布規(guī)律

詳盡展示了混凝土預(yù)制樁沉樁作業(yè)完成后，樁周土體內(nèi)部應(yīng)力分布的詳細(xì)情況。仔細(xì)審視這張圖，可以清楚地觀察到，在整個(gè)沉樁過(guò)程中，徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力有一個(gè)共同之處，即樁端處達(dá)到應(yīng)力最大值。樁端的應(yīng)力向外四周進(jìn)行輻射，并且在輻射的過(guò)程中不斷減弱。可以觀察兩張應(yīng)力分布圖，在樁端位置處的徑向應(yīng)力輻射范圍要大于豎向應(yīng)力的輻射范圍，這說(shuō)明，徑向應(yīng)力的影響要顯著大于豎向應(yīng)力。

為了深入探討這兩種應(yīng)力的影響范圍，將圖和圖進(jìn)行結(jié)合來(lái)看，可以得出結(jié)論：徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力的影響范圍差距較大，徑向應(yīng)力的輻射范圍約是豎向應(yīng)力的倍。值得一提的是，樁端位置處，豎向應(yīng)力在豎向上影響范圍要比徑向在豎向上的影響范圍更廣。

詳細(xì)展示了在沉樁作業(yè)完成后，樁周土體在不同深度處的附加應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，在H=12m處，徑向應(yīng)力隨著距離樁中心線距離不斷加大而迅速降低。在H=12m處的豎向應(yīng)力也呈現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)，但其在距離樁中心線0.8m左右時(shí)，出現(xiàn)了負(fù)值，約20kPa，這說(shuō)明，在H=12m，且距離樁中心0.8m處出現(xiàn)了拉應(yīng)力，隨后拉應(yīng)力逐漸減少，直到歸零。徑向應(yīng)力在其他位置處的曲線也和H=12m處的曲線類似。這種現(xiàn)象主要是由于在混凝土預(yù)制樁沉樁過(guò)程中，樁體對(duì)周圍土體的拖拽產(chǎn)生的。豎向應(yīng)力大體出現(xiàn)的規(guī)律是，隨著樁體的不斷深入，豎向應(yīng)力先出現(xiàn)減少，而后短暫的上升，緊接著再次減少直至消失。這些應(yīng)力變化揭示了土體在沉樁過(guò)程中的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，對(duì)于掌握樁土相互作用的機(jī)制至關(guān)重要。

展示了沉樁作業(yè)完成后，距離樁中心不同距離的應(yīng)力分布情況，根據(jù)圖中的信息可知，在樁端處的徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力最大，并且可以看出，在同一深度處，豎向應(yīng)力要遠(yuǎn)小于徑向應(yīng)力。在距離樁中心3R的位置，土體的徑向應(yīng)力在4.5m的深度區(qū)間內(nèi)急劇上升；隨后在4.511.5m的深度區(qū)間內(nèi)緩慢增長(zhǎng)；在大約12.2m的深度處，徑向應(yīng)力迅速上升后又迅速下降；并在大約14m的深度處接近于零。距離樁中心6R9R的位置，土體的徑向應(yīng)力垂直分布趨勢(shì)與距離樁中心3R處相似。而在距離樁中心 1R 的位置，土體的徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力表現(xiàn)出較大的波動(dòng)，分析原因可能是該區(qū)域靠近樁身，屬于強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)，因此受到樁側(cè)摩擦力的影響較為顯著。

如圖和圖所明確展示，混凝土預(yù)制樁沉樁作業(yè)不僅僅影響樁體周圍的一定區(qū)域，同時(shí)也對(duì)樁端下方的一定區(qū)域產(chǎn)生影響。圖10詳細(xì)描繪了沉樁作業(yè)結(jié)束后，樁端下方應(yīng)力分布格局的演變過(guò)程。從圖中可清晰觀察到，在樁端相鄰的一定區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)了應(yīng)力的最大值，徑向和豎向均出現(xiàn)在土體深度約13m處，隨著土體深度的加深應(yīng)力迅速降低，跌至沉樁前的應(yīng)力水平。

深入分析此現(xiàn)象背后的原因，當(dāng)沉樁深度達(dá)到12.2m時(shí)，介于12.213.7m深度區(qū)間的土體被擠壓的程度較大，致使該范圍的應(yīng)力水平發(fā)生較大的變化。然后沉樁深度從13.7m繼續(xù)加深時(shí)，會(huì)在大約3m左右的區(qū)域存在應(yīng)力的釋放過(guò)程，因此會(huì)造成應(yīng)力值低于初始應(yīng)力。而當(dāng)沉樁深度超過(guò)16.2m時(shí)，土體應(yīng)力狀態(tài)則維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，不會(huì)受沉樁深度的增加而變化。

總結(jié)

本文基于沉樁的擠土機(jī)理相關(guān)理論基礎(chǔ)，對(duì)混凝土預(yù)制樁沉樁對(duì)周圍土體的變形影響進(jìn)行了深入研究，采用CELControlled Elastoplasticity）方法進(jìn)行建模，對(duì)實(shí)際的工程項(xiàng)目進(jìn)行真實(shí)的模擬，得出如下結(jié)論：

）在進(jìn)行混凝土預(yù)制樁的沉樁作業(yè)時(shí)，可以觀察到樁周圍的土體位移呈現(xiàn)出一個(gè)特定的變化趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，在沉樁的初始階段，樁周圍的土體位移會(huì)逐漸增加，這是因?yàn)闃扼w的進(jìn)入對(duì)周圍土體產(chǎn)生了擠壓和擾動(dòng)。然而，這種位移的增加并不會(huì)持續(xù)太久，隨著沉樁作業(yè)的繼續(xù)進(jìn)行，土體位移會(huì)迅速減少。這一現(xiàn)象的原因在于樁身對(duì)周圍土體的拖拽效應(yīng)隨著沉樁深度的增加而逐漸減弱。換句話說(shuō)，樁體在進(jìn)入土層的過(guò)程中，其對(duì)周圍土體的牽引力會(huì)逐漸減小，導(dǎo)致土體位移的減少。此外，隨著距離樁體的距離不斷加大，土體位移會(huì)進(jìn)一步減少。這是因?yàn)闃扼w對(duì)土體的擾動(dòng)影響隨著距離的增加而逐漸減弱，土體的穩(wěn)定性逐漸恢復(fù)。因此，可以得出結(jié)論，混凝土預(yù)制樁在沉樁過(guò)程中，樁周圍的土體位移會(huì)先增加，然后迅速減少，而隨著距離樁體的距離不斷加大，位移會(huì)逐漸減少，這主要是由于樁身對(duì)周圍土體的拖拽效應(yīng)在減弱所致。

）在進(jìn)行沉樁作業(yè)的過(guò)程中，可觀察到樁體在豎直方向上的應(yīng)力波動(dòng)幅度顯著地超過(guò)了其豎向位移的變化。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)樁體在沉入過(guò)程中穿越某些特定的深度時(shí)，樁體的徑向應(yīng)力與豎向應(yīng)力在樁尖的位置會(huì)發(fā)生明顯的突變現(xiàn)象。這種突變表現(xiàn)為應(yīng)力值的急劇增加或減少，隨后這種應(yīng)力變化逐漸減弱，直至趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這一現(xiàn)象在土木工程領(lǐng)域中具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)樗苯佑绊懙綐痘某休d能力和穩(wěn)定性。

）在完成沉樁施工之后，可以明顯觀察到樁周的水平位移顯著減少。具體來(lái)說(shuō)，在樁周的各個(gè)位置，豎向位移的數(shù)值逐漸增大，而水平位移則相對(duì)較小。這種現(xiàn)象表明，隨著沉樁施工的結(jié)束，樁體周圍的土體結(jié)構(gòu)得到了一定程度的穩(wěn)定，從而使得水平位移得到了有效的控制。尤其是在樁周的近處，豎向位移的增加更為顯著，這可能是因?yàn)闃扼w的插入對(duì)周圍土體產(chǎn)生了較大的垂直壓力，導(dǎo)致豎向位移相對(duì)較大?？傮w而言，沉樁施工結(jié)束后，樁周的水平位移大幅度減少，而在越靠近樁周的地方，豎向位移則大于水平位移。

）在進(jìn)行沉樁作業(yè)的過(guò)程中，樁體周圍的土體會(huì)在樁尖區(qū)域形成一個(gè)應(yīng)力集中的區(qū)域。這種應(yīng)力集中區(qū)域是指在樁尖附近的土體中，由于樁體的插入和壓力傳遞，導(dǎo)致應(yīng)力在該區(qū)域高度集中。應(yīng)力以樁尖為起點(diǎn)，向四周逐漸擴(kuò)散并逐漸減弱。在這個(gè)過(guò)程中，徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力在樁尖位置達(dá)到最高點(diǎn)，隨后迅速降低。隨著距離樁尖的增加，應(yīng)力值會(huì)逐漸減小，直至在一定距離后趨于穩(wěn)定。這種應(yīng)力分布的特性對(duì)于沉樁過(guò)程中的土體穩(wěn)定性、樁體承載力以及周圍環(huán)境的影響評(píng)估具有重要意義。

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供稿人：呂琳，李宏強(qiáng)等

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說(shuō)明書》團(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團(tuán)標(biāo)

【會(huì)議培訓(xùn)】

2025全國(guó)混凝土行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與廢棄物資源再生技術(shù)交流大會(huì)

第十屆全國(guó)建筑固廢和尾礦泥漿處理及資源化利用大會(huì)暨中國(guó)砂石協(xié)會(huì)建筑固廢利用分會(huì)年會(huì)

2025第二十一屆全國(guó)商品混凝土可持續(xù)發(fā)展論壇暨2025中國(guó)商品混凝土年會(huì)

預(yù)拌（商品）混凝土應(yīng)用技術(shù)和工藝技能線上培訓(xùn)

混凝土（砂漿）試驗(yàn)檢測(cè)方法實(shí)操教學(xué)線上培訓(xùn)

【咨詢服務(wù)】

科技成果評(píng)價(jià)

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高速公路及橋涵高性能混凝土技術(shù)咨詢

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[綠滿庭院]《HJ建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自保溫技術(shù)體系》推廣等

【建材“雙碳”業(yè)務(wù)】

低碳膠凝材料研發(fā)與制備

復(fù)合摻合料和再生復(fù)合摻合料研發(fā)與制備

建筑垃圾處置與資源化利用

建筑垃圾再生砂粉應(yīng)用技術(shù)

建筑垃圾再生輕粗骨料技術(shù)

碳化再生骨料制備技術(shù)

【期刊著作】

《新技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用》圖書

《常見(jiàn)預(yù)拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書

《預(yù)拌混凝土企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)室建設(shè)指南》圖書

混凝土技術(shù)發(fā)展中心（以下簡(jiǎn)稱“中心”）隸屬建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，主要職能是跟蹤分析和研究國(guó)內(nèi)外混凝土行業(yè)科技前沿動(dòng)態(tài)，為全國(guó)混凝土行業(yè)開(kāi)展技術(shù)服務(wù)工作，包括出版技術(shù)期刊、研究制定標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)展技術(shù)咨詢、舉辦技術(shù)會(huì)議、承擔(dān)行業(yè)培訓(xùn)、從事認(rèn)證評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)研究等，中心是建材情報(bào)所主要業(yè)務(wù)部門之一。中心擁有員工10人，其中博士3人，正高職稱3人，副高職稱4人。中心掛靠的行業(yè)協(xié)會(huì)分支機(jī)構(gòu)包括中國(guó)散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會(huì)混凝土專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會(huì)預(yù)制建筑產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)砂石協(xié)會(huì)建筑固廢利用分會(huì)、建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺(tái)有預(yù)拌混凝土質(zhì)量追溯公共服務(wù)平臺(tái)、混凝土行業(yè)數(shù)字化服務(wù)平臺(tái)、中國(guó)商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會(huì)（擁有200余名行業(yè)一線專家）、北京砼享未來(lái)工程技術(shù)研究院（會(huì)員制技術(shù)和管理服務(wù)）。

中心每年參與多個(gè)混凝土技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目，包括雄安新區(qū)混凝土項(xiàng)目咨詢、河北省多個(gè)高速公路高性能混凝土技術(shù)咨詢、固廢基膠凝材料和再生復(fù)合摻合料研發(fā)和制備技術(shù)，以及數(shù)十個(gè)混凝土企業(yè)的技術(shù)服務(wù)工作。開(kāi)展預(yù)拌混凝土綠色產(chǎn)品認(rèn)證和科技成果評(píng)價(jià)工作。

咨詢電話：孫繼成 焦素芳 李海亮 13520073698 13521286915

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