巖土工程專題課程論文

1、工程中散體材料研究淺析ResearchStatusonGranularMaterialInGeotechnicalEngineering專業(yè)：水工結(jié)構(gòu)工程姓名：喻江學(xué)號(hào)：150202020013課程老師：高玉峰河海大學(xué)水利水電學(xué)院201睇12月25日工程中散體材料研究淺析喻江*(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)摘要：散體材料不同于連續(xù)介質(zhì)材料，當(dāng)散體材料所組成的結(jié)構(gòu)受到外界干擾時(shí)，其結(jié)構(gòu)形式將會(huì)被改變，影響結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性能。文中在閱讀和分析文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，以散體材料為背景,從散體顆粒材料結(jié)構(gòu)特性、動(dòng)荷載下其性能研究，以及散體材料樁復(fù)合地基研究幾個(gè)方面，對(duì)其在工程中的運(yùn)用以

2、及運(yùn)用研究進(jìn)行了淺析。關(guān)鍵詞：散體材料；顆粒特性；動(dòng)荷載；工程運(yùn)用1引言由諸多大致相同的顆粒所組成的物體稱為“散體結(jié)構(gòu)”。松散礦巖、砂土漿體、碎煤、水泥和谷物等，都被認(rèn)為是“散體結(jié)構(gòu)”。其中，松散礦巖、砂土則是研究較多的散體I散體材料的結(jié)構(gòu)性能是研究這種材料的重要參數(shù)，結(jié)構(gòu)性能的強(qiáng)弱表示散體材料對(duì)于力學(xué)特性影響的強(qiáng)烈程度。由于散體材料在漫長的沉積過程及隨后的各種地質(zhì)作用過程中，顆粒在外界干擾力和顆粒自身重力下產(chǎn)生蠕變，使得顆粒間的排列、孔隙的填充和相鄰顆粒間的相互作用力發(fā)生改變，形成新的自平衡狀態(tài)。單相散體材組分是否含液體多相散體材圖1散體材料種類濕顆粒材料稀薄散體材料干顆粒材料密相散體材料廣

3、松散散體材料按照組分，可將散體材料分為單相散體材料和多相散體材料。單相散體材料是由一種物理屬性的顆粒組成的干顆粒組合體，而多相散體材料則是由不同物理屬性的干顆粒和含間隙(E-mail:yzyzyz322).作者簡介：喻江(1989),男，重慶,陽人，博士研究生，從事水工組合結(jié)構(gòu)研究流體的顆粒組成的集合體。根據(jù)固體顆粒的濃度或者孔隙度，又可將散體材料分為密相散體材料、松散散體材料與稀薄散體材料。最后，根據(jù)是否含有液體可以把散體材料分為干顆粒材料與濕顆粒材料，如圖1所示。散體材料顆粒系統(tǒng)的變形由體積和形狀的改變表現(xiàn)出來，其變形由結(jié)構(gòu)變形和顆粒自身變形兩種基本形態(tài)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)變形是由顆粒系統(tǒng)的可變性引

4、起的，為顆粒之間位置相互轉(zhuǎn)移的結(jié)果，是不可恢復(fù)的，但與連續(xù)介質(zhì)的塑性變形不同，它可以在體積不變的情況下發(fā)生。顆粒自身變形是指顆粒自身的可恢復(fù)或不可恢復(fù)的變形，顆粒系統(tǒng)中顆粒與顆粒之間沒有變形協(xié)調(diào)的約束，只是通過表面的接觸傳遞作用力。2散體顆粒材料研究2.1國外研究現(xiàn)狀有關(guān)散體顆粒材料結(jié)構(gòu)的研究歷史在物理學(xué)中至少可以追溯到十八、十九世紀(jì)。Coulomb最早提出了靜摩擦力的概念，幾條關(guān)于固體摩擦的規(guī)律后來被稱為“coulomb定律”3。Janssen提出了谷倉效應(yīng)的模型，并給出了一個(gè)解析公式，指出顆粒之間以及顆粒與容器之間存在著摩擦力，使容器壁支撐了顆粒的一部分重量4。近年來，國外力學(xué)、物理及工程

5、界進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)和理論研究：MiguelDaSilva&JeanRajehenbaeh旨出在集中力P作用下，散體材料顆粒堆中呈現(xiàn)出力點(diǎn)的分布為拋物線型，其頂點(diǎn)就是受力點(diǎn)。典型研究之一是，Coppersmith等將應(yīng)力看作標(biāo)量，引進(jìn)一個(gè)隨機(jī)數(shù)q,建立了一個(gè)簡單的力傳遞的隨機(jī)模型一q0模型，每一個(gè)顆粒將承受的力傳遞給下面的n個(gè)臨近顆粒，但n個(gè)下面臨近顆粒所分擔(dān)的壓力比例不同，其值是由一個(gè)隨機(jī)權(quán)值數(shù)q決定的，即在第j個(gè)位置上的顆粒傳遞給下面一層臨近顆粒i上壓力權(quán)重值為qij,且滿足歸一條件:nqij,(ji2,n)工qij-1j土根據(jù)H.P.zhuandA.B.Yu理論6:顆粒的移動(dòng)是平動(dòng)加

6、滾動(dòng)共同構(gòu)成塑性變形，因此運(yùn)(2)動(dòng)可以描述為：2n平動(dòng)：(miXi)八,邛-fjb-migd2tjJj2n轉(zhuǎn)動(dòng)：(ji；)='mj-mbdtjT把散體材料的力學(xué)特性研究透徹以便更好地研究，這種材料的變形，為工程提供理論依據(jù)。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀馬建勛等7在散體增量型內(nèi)時(shí)本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用小參數(shù)攝動(dòng)法，探討了散粒體材料參數(shù)的隨機(jī)性對(duì)應(yīng)力的影響程度。對(duì)顆粒堆中力傳遞特性、力的分布規(guī)律，擴(kuò)散范圍等進(jìn)行了初步的定性與定量分析，還對(duì)其在巖土工程中的應(yīng)用做了深入的研究，得出碎石樁加固的應(yīng)用方法8-10。陳順和黃庭芳在巖石物理學(xué)中用粘滑理論來解釋顆粒材料的運(yùn)動(dòng)圖2給出了力與位移之間的關(guān)系。A點(diǎn)的

7、位移B點(diǎn)的位移圖2粘滑運(yùn)動(dòng)的理論模型國內(nèi)一些學(xué)者提出了理想鋼球顆粒的側(cè)限壓縮模型，有N次“自組織”，每次崩塌應(yīng)變程度為隨機(jī)變量，得到自組織強(qiáng)度隨著密實(shí)程度的增強(qiáng)而減弱，隨應(yīng)變的增加而減弱的特性。其次，王煥友、曹曉平、李朝輝、蔡紹紅、楊慶華、姚令侃等12-14對(duì)散體材料的本構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行了研究和分析。3動(dòng)荷載下散體材料研究3.1 散體材料結(jié)構(gòu)力學(xué)特性散體材料結(jié)構(gòu)的研究己經(jīng)受到越來越多科學(xué)家的關(guān)注，他們的研究主要是為了反映顆粒系統(tǒng)的主要力學(xué)特性。為更好的了解散體材料結(jié)構(gòu)的傳力特性，及變形機(jī)理打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。目前，人們對(duì)固體和氣體的理論研究已經(jīng)較成熟了，而對(duì)液體和固液混合的系統(tǒng)中的許多問題還很不

8、清晰，以顆粒物質(zhì)為代表的復(fù)雜體系正成為人們關(guān)注的研究領(lǐng)域。散體材料系統(tǒng)內(nèi)的碰撞通常是非彈性碰撞，每次碰撞都伴隨著能量的損失，當(dāng)外界干擾超過一個(gè)臨界值時(shí)，顆粒物就會(huì)象流體一樣行動(dòng)，而顆粒之間的非彈性碰撞使外界輸入的能量消耗后，顆粒物又會(huì)立刻停止行動(dòng)。因此，散體材料堆是個(gè)耗散系統(tǒng)，它使得基于彈性的相互作用和能量守恒的一些理論不再適用。對(duì)于散體材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度構(gòu)成，散體材料的抗剪強(qiáng)度可由兩部分組成，一部分是顆粒的滑動(dòng)和滾動(dòng)提供的剪阻力一摩擦分量，與顆粒的粗糙程度有關(guān)；另一部分是由顆粒間的咬合作用引起的剪阻力一剪脹分量，這與散體材料結(jié)構(gòu)的松緊程度和顆粒的形狀有關(guān)。對(duì)于強(qiáng)結(jié)構(gòu)性的散體材料，剪脹分量在它的強(qiáng)

9、度中將占很大的比例，但對(duì)于弱結(jié)構(gòu)性的散體材料，剪脹并不發(fā)生，內(nèi)摩擦角主要取決于顆粒表面的粗糙度。若散體材料為剛性的，在軸向荷載作用下，散體材料宏觀變形過程可描述為：(1)初始階段：壓密作用使體積減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線未出現(xiàn)峰值；(2)峰值階段：散體材料由剪縮迅即轉(zhuǎn)為剪脹，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值；(3)應(yīng)變?cè)龃笾惦A段：峰值后由于顆粒結(jié)構(gòu)逐漸松散，阻及咬合作用削弱。對(duì)于同樣大小的均勻顆粒結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)從松散到密實(shí)的過程是顆粒的重排列過程，也是顆粒集合從不穩(wěn)定排列向穩(wěn)定排列的轉(zhuǎn)變，散體材料堆的密實(shí)程度也是顆粒排列緊湊程度的一個(gè)度量，如圖3所示。顆粒的重排列導(dǎo)致孔隙體積和整體體積的減少，這種體積的變化是不可

10、恢復(fù)的，是塑性變形。在壓實(shí)過程中，顆粒排列不斷地由松散趨向緊湊，孔隙體積不斷的減小。-X松散,密實(shí)圖3散體材料結(jié)構(gòu)組成變化疏松或緊密狀態(tài)有關(guān)，對(duì)于密實(shí)礫、碎石結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度主要來源于摩擦與咬合阻力，變形主要是剪脹效應(yīng)，這是由于峰值強(qiáng)度可在顆粒發(fā)生顯著移動(dòng)之前到達(dá)。因此，重新排列的可能性不大。對(duì)于密實(shí)度差的礫石結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度主要來源于摩擦阻力，變形主要是顆粒重新排列。在同一種礫石結(jié)構(gòu)中，當(dāng)側(cè)壓力相同時(shí)，密度大的礫石結(jié)構(gòu)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變軟化型。松散的礫、碎石結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變硬化型。應(yīng)變軟化型曲線強(qiáng)度高，有明顯的峰值強(qiáng)度，在峰值點(diǎn)后，強(qiáng)度隨應(yīng)變的增大而減小，應(yīng)變硬化型曲線沒有明顯的峰值強(qiáng)度

11、,且強(qiáng)度隨應(yīng)變的增大略有增大。兩者的最終值趨于接近，此值為通常所說的殘余強(qiáng)度。把粒徑大小不同的兩種石塊混和置于容器內(nèi)，放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)。當(dāng)頻率較小時(shí)，小顆粒運(yùn)動(dòng)起來，大顆粒沒有大的運(yùn)動(dòng)跡象；當(dāng)頻率太大時(shí)，大小顆粒都運(yùn)動(dòng)起來由于散體散體材料之間的碰撞屬非彈性碰撞，它們會(huì)導(dǎo)致顆粒的分離和簇聚現(xiàn)象，顆粒物質(zhì)的研究者們發(fā)現(xiàn)顆粒氣體中也存在一個(gè)類似麥克斯韋妖的積聚現(xiàn)象151603.2 豎向荷載下的響應(yīng)分析散體材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征可概括為“散”和“動(dòng)”兩種特性，前者指顆粒物性、粒度和形狀的分散性，后者指運(yùn)動(dòng)的瞬態(tài)、波動(dòng)、碰撞、顆粒凝聚以及團(tuán)聚破裂和粉碎。由于系統(tǒng)由大量的個(gè)體顆粒組成，散體材料的物理性質(zhì)介于固

12、體和液體之間，它的行為在二者之間轉(zhuǎn)變。在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，它的行為像固體，有一定的形狀，可以承受較大的剪切力；在流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它的行為像流體。因此，散體材料結(jié)構(gòu)也具有液態(tài)物質(zhì)的特性，具有流動(dòng)性，但比液態(tài)物質(zhì)的流動(dòng)性差。顆粒之間只是在接觸時(shí)，才有力的作用，顆粒之間存在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，但其規(guī)律性比固態(tài)物質(zhì)復(fù)雜的多，具有對(duì)邊界面產(chǎn)生壓力的性質(zhì)，難以抵抗拉力，抗剪強(qiáng)度取決于圍壓的大小。無圍壓時(shí)，光滑的、無棱角的顆粒堆無抗剪強(qiáng)度，粗糙的、帶棱角的顆粒堆有一定的無抗剪強(qiáng)度。理想的連續(xù)介質(zhì)材料在常規(guī)靜水壓力作用下只產(chǎn)生彈性變形而不產(chǎn)生不可恢復(fù)的體積變形，而散體材料結(jié)構(gòu)恰恰相反；理想的線性連續(xù)介質(zhì)材料的靜水壓力與剪應(yīng)

13、變以及剪應(yīng)力與體應(yīng)變之間無藕合關(guān)系，散體材料結(jié)構(gòu)則具有壓硬性和剪脹性；散體材料結(jié)構(gòu)在不同初始密度情況下可表現(xiàn)出硬化特性或軟化特性，具軟化特性是一種結(jié)構(gòu)軟化;理想的連續(xù)介質(zhì)材料的彈塑性有明顯的分界面，散體材料結(jié)構(gòu)則沒有明顯的彈塑性階段。因此，散體材料結(jié)構(gòu)的散、動(dòng)特征常與均勻連續(xù)等假定沖突，導(dǎo)致理論與實(shí)際的偏離。諸多學(xué)者通過金屬材料“鋼球”，來模擬散體材料結(jié)構(gòu)，研究豎向變化荷載作用下的散體材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，取得了一定的成果。對(duì)于理想的金屬材料，其整體結(jié)構(gòu)與單個(gè)材料都與現(xiàn)實(shí)的散體材料結(jié)構(gòu)有一定的差異，本實(shí)驗(yàn)將通過對(duì)不同粒徑的碎石材料進(jìn)行豎向加壓，分析其在勻速加載作用下的力學(xué)特性。3.3 水平荷載下

14、的響應(yīng)分析由于自然和人為因素，建筑物經(jīng)常遭受動(dòng)荷載的作用，如眾所周知的地震就是最重要的自然動(dòng)荷。隨著人類的進(jìn)步和科技！社會(huì)的發(fā)展，各種動(dòng)荷載相繼出現(xiàn)，動(dòng)荷載對(duì)地基和上部建筑物的影響也越來越引起人們的關(guān)注。建筑物是由上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)，及地基三者所組成的共同工作體系。在正常情況下，上部結(jié)構(gòu)荷載通過基礎(chǔ)傳遞至地基，地基土產(chǎn)生附加應(yīng)力和應(yīng)變。如果地基土能夠經(jīng)受住這種應(yīng)力應(yīng)變，即不發(fā)生強(qiáng)度破壞或過大沉降，則建筑物能正常工作。如果建筑物遭受突如其來的動(dòng)荷載，地基土的形狀將發(fā)生很大的變化，可能導(dǎo)致地基失穩(wěn)，乃至破壞?，F(xiàn)今許多學(xué)者研究振動(dòng)作用下土的動(dòng)變形，包括振動(dòng)壓密和震陷；也有許多學(xué)者在研究顆粒的在振動(dòng)作用下

15、的分離現(xiàn)象，包括巴西果效應(yīng)，反巴西果效應(yīng)以及三明治效應(yīng)等等。文獻(xiàn)17研究了振動(dòng)混合顆粒形成的反巴西果分層，苗田德在顆粒介質(zhì)的Maxwell實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)垂直振動(dòng)作用下兩種顆?；旌衔锏膭?dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。姜澤輝研究了垂直振動(dòng)顆粒物厚層中對(duì)容器底部的壓力分布。所有這些散體材料結(jié)構(gòu)在振動(dòng)作用下的試驗(yàn)研究都可以對(duì)建筑物地基遭受動(dòng)荷載的響應(yīng)提供理論依據(jù)。目前國內(nèi)外對(duì)動(dòng)荷載作用下散體材料結(jié)構(gòu)作用下的研究比較少，而水平振動(dòng)作用下的研究更少，主要研究的是通過模擬水平地震力作用，分析散體材料結(jié)構(gòu)在水平振動(dòng)作用下的沉降和顆粒分離現(xiàn)象。4散體材料樁復(fù)合地基研究4.1 復(fù)合地基固結(jié)理論研究相對(duì)于砂井的工程應(yīng)用

16、和理論研究的發(fā)展，散體材料樁因其自身具有的優(yōu)勢(shì)，甚至更早地被人們意識(shí)到并應(yīng)用于工程實(shí)踐。復(fù)合地基的理論研究甚至更晚一些，直到最近20多年,這方面的工作才有了快速發(fā)展。而散體材料樁是砂樁、碎石樁以及粗顆粒土柱等豎向增強(qiáng)體的統(tǒng)稱。散體材料樁復(fù)合地基固結(jié)理論的發(fā)展和豎井地基固結(jié)理論的日臻完善有著密切的關(guān)系。由于豎井地基固結(jié)理論研究起步時(shí)間較早，其理論研究成果非常豐碩，這就為散體材料樁復(fù)合地基固結(jié)理論研究提供了一些理論支持和經(jīng)驗(yàn)方面的借鑒，以避免走不必要的彎路。目前,在理論研究方面，復(fù)合地基固結(jié)計(jì)算中的基本假設(shè)和基本固結(jié)方程均利用了豎井地基固結(jié)理論研究的一些成果。因此，為了更好地理解復(fù)合地基固結(jié)理論發(fā)

17、展?fàn)顩r，需要對(duì)豎井地基固結(jié)方面的研究現(xiàn)狀有所了解。散體材料樁復(fù)合地基固結(jié)研究始于上世紀(jì)七十年代。三十多年來，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的室內(nèi)外試驗(yàn)。解析理論和數(shù)值計(jì)算（如FEM）等研究工作，使復(fù)合地基固結(jié)理論和數(shù)值計(jì)算有了很大發(fā)展。時(shí)至今日，復(fù)合地基固結(jié)理論和計(jì)算方法的研究己不再滯后于豎井地基，而是基本保持同步發(fā)展。上面只限于打穿軟土層的散體材料樁復(fù)合地基，尚未涉及到在實(shí)際工程中常見的未打穿散體材料樁復(fù)合地基。實(shí)際工程中，采用未打穿軟土層的散體材料樁復(fù)合地基嗎，通常是出于軟粘土層較厚，或受施工機(jī)械所限，或是由于工程需要等原因。此時(shí)，固結(jié)計(jì)算分為兩部分：樁體長度范圍內(nèi)的土層的固結(jié)以及樁端以下土層（下臥

18、層）的固結(jié)。因此，如何確定這兩部分土層的固結(jié)度，對(duì)整個(gè)未打穿復(fù)合地基固結(jié)計(jì)算結(jié)果的合理性有著重要影響。國內(nèi)外學(xué)者在未打穿砂井地基研究方面已取得了不少成果，這同樣為未打穿復(fù)合地基固結(jié)問題的研究提供了借鑒作用。4.2 散體材料樁復(fù)合地基的應(yīng)用砂石樁法最早出現(xiàn)在19世紀(jì)的歐洲，最初用于處理松散的砂上地基，后來逐步發(fā)展到處理軟弱粘性上地基。1835年，法國用擠密碎石樁來加固海灣相沉積的軟土地基，工程設(shè)計(jì)樁長2m,直徑僅0.2m,每根樁承載能力達(dá)10kN。上世紀(jì)50年代，砂石樁法引入我國，在工業(yè)與民用建筑、水利水電工程、交通工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1959年，我國上海重型機(jī)器廠首次采用錘擊沉管擠密砂樁

19、法處理飽和軟粘土地基，1978年寶山鋼鐵廠采用振動(dòng)重復(fù)壓拔管砂樁施工法處理原料堆場的飽和軟粘土地基。這兩項(xiàng)工程為我國開展砂石樁加固飽和軟弱粘性土積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)?？偟膩碚f，散體材料樁適用于松散砂土和人工填土地基的處理。在加固軟粘土地基中，國內(nèi)外雖有一些應(yīng)用實(shí)例，但一般認(rèn)為，粘性土滲透性小，在成樁過程中，引起的超孔隙水壓力難以消散，故加密效果欠佳；同時(shí)，軟粘土靈敏度高，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，施工時(shí)極易破壞地基土的天然結(jié)構(gòu)，造成土體抗剪強(qiáng)度下降；另外，散體材料樁在承受荷載后，其抵抗荷載的能力，完全依賴于樁周土體的徑向支撐力，由于軟粘土抗剪強(qiáng)度小，往往難以提供給樁體足夠的徑向支撐力，致使不能獲得滿意的加固效果。

20、因此，在采用散體材料樁處理飽和軟粘土地基時(shí)應(yīng)慎重，最好加固前能進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，以獲得必要的資料加以論證。4.3 散體材料樁加固可液化地基的研究上世紀(jì)70年代，散體材料樁開始應(yīng)用于可液化土層加固，大量實(shí)際工程證實(shí)，此法具有施工方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。目前不僅用于自由場地的液化土加固，而且也用于已有建筑物的液化砂基處理，逐漸成為一種應(yīng)用廣泛的抗液化加固手段。幾十年來，學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)散體材料樁加固可液化地基進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，主要內(nèi)容有散體材料樁復(fù)合地基的抗液化機(jī)理、液化檢驗(yàn)和判別、設(shè)計(jì)方法及施工工藝等。5結(jié)語散體材料是不同與連續(xù)介質(zhì)材料，這些散體材料結(jié)構(gòu)受到外界干擾時(shí)其結(jié)構(gòu)形式會(huì)改變，具有特殊的物

21、理力學(xué)性質(zhì)。由于散體材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、多樣性、隨機(jī)性，使得散體材料結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)研究比較困難，而涉及到散體動(dòng)力學(xué)方面的研究更為復(fù)雜。在地基加固工程中，因?yàn)樯Ⅲw材料具有耗散性，所以散體材料墊層對(duì)抵御水平地震荷載有著良好的效果，并有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。總之，散體材料結(jié)構(gòu)的研究是研究者們面臨的一個(gè)新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在這領(lǐng)域里，讓我們積極參與，一點(diǎn)一滴探索，發(fā)現(xiàn)、積累、總結(jié)，為巖土工程貢獻(xiàn)一份力量。參考文獻(xiàn)1克列因TK.散粒體結(jié)構(gòu)力學(xué)M.北京：中國鐵道出版社,1983.2管樹容.鐵路散粒體M.北京：中國鐵道出版社,1997.3 C.A.coulomb,AeadRoyJSei.Mem.phys.DiversSav

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