西南交大桥梁基础工程课程设计#桥墩

土木工程专业桥梁基础工程课程设计指导书西南交通大学岩土工程系2014年6月指导老师：于志强学号：姓名：李哲目录第1章概述该桥梁系某I级铁路干线上的特大桥（单线），线路位于直线平坡地段。该地区地震设防烈度为VI度，不考虑地震设防问。图1－1桥梁跨中纵断面示意图图1－2全桥总布置图图1－3圆端形桥墩构造图图1－4空心桥墩构造图图1－530号桥墩钻孔柱状图桥墩采用圆端形桥墩【图号：叁桥（2005）4203】和空心桥墩【图号：叁桥（2005）4205】2种，其中1#~6#、33#~37#采用圆端形桥墩，7#~32#采用空心桥墩。圆端形桥墩支承垫石采用C40钢筋混凝土，顶帽采用C30钢筋混凝土，墩身采用C30混凝土，圆端形桥墩构造图见图1－3。空心桥墩支承垫石采用C40钢筋混凝土，顶帽采用C30钢筋混凝土，墩身采用C30混凝土，空心桥墩构造图见图1－4。桥梁支座采用SQMZ型铸钢支座【图号：通桥（2006）8057】，支座铰中心至支承垫石顶面的距离为40cm。本设计对象为某铁路的特大型桥梁，该桥梁的上部结构和桥墩设计已经完成，本课程设计的任务是完成桥墩基础的设计与检算。要求同学选择（或由指导教师分配）一个基础，按给定的条件完成相关的设计和计算工作，具体要求如下：（1）综合分析设计资料，对三种常用的桥梁基础类型（明挖基础、桩基础和沉井基础）的技术合理性进行比较（限于课时，本次课程设计不考虑造价因素），选择较为合理的基础方案。（2）对选定的基础方案进行详细设计。（3）初步确定修筑基础的施工方案。（4）将以上全部成果整理成设计计算书和设计施工图。4）设计计算说明书应制作成Word文档。整个说明书应满足计算过程完整、计算步骤清楚、文字简明、符号规范和版面美观的要求，图纸应用CAD绘制而且应表达正确、布局合理和尺寸齐全。说明书用A4纸张打印，图纸用A3纸张打印，说明书和和图纸一起装订成册，交指导老师评阅。我需要完成的是30号桥墩的基础设计任务,30号桥墩的位置和钻孔柱状图如图1-5所示。本段线路通过构造剥蚀低中山区、河谷阶地、河流峡谷区等地貌单元，大部分穿行山前缓坡，地形起伏大，海拔在1000~1500m，地形起伏大，相对高差100~200m，山顶覆盖新黄土或风积砂，沟谷发育。根据岩土工程勘察报告，大桥地层自上而下依次为新黄土、白垩系泥岩夹砂岩，河谷处主要为冲积砂及砾石土，各桥位的地层分布详见钻孔柱状图（图1-5~图1-12）。各地层的主要物理、力学参数见表1-1。场地勘察未发现滑坡、岩溶、断层、破碎带等不良地质现象。表1-1地层的主要物理、力学参数注：①W4泥岩为全风化泥岩，相关的参数按照黏性土取值，W3泥岩和W3砂岩为强风化泥岩和强风化砂岩，相关的参数按照碎石土取值，W2泥岩和W2砂岩为微风化泥岩和微风化砂岩。新黄土不需要考虑湿陷性。本区蒸发量远大于降水量，为贫水地区，地下水量一般不大且埋藏较深，局部地段有泉水出露。按其赋存条件可分基岩裂隙水、第四系孔隙潜水。地下水主要靠大气降水补给，局部受地表水补给。其排泄路径主要为蒸发。地下水及地表水对普通混凝土不具侵蚀性。该桥所在地区的基本风压为800Pa。设计依据除本指导书外，还包括相关的规范、设计手册及参考书。例如：（4）铁道第三勘察设计院编．铁路工程设计技术手册-桥涵地基和基础（5）西南交通大学岩土工程系编．桥梁基础工程第2章方案设计（或初步设计）地基持力层选择W2泥岩层。设计承台为长9m，宽7,承台顶面标高114m。1）由桥跨传来的恒载压力等跨梁的桥墩，桥跨通过桥墩传至基底的恒载压力叫为单孔梁重及左右孔、梁跨中间的梁上线路设备，人行道的重量，即N二2276+35.5x（32.6+0.1）=3436.85kN1顶帽体积顶帽重量3）墩身重量（2）顶帽重量V=2xlx2x0.35=1.4m32N二yV二25x1.4二35kN2钢筋混凝土2墩身的高度h=1178.12-1141.55-0.35=36.22m墩身重量分3部分计算，分别是上下两实台柱体和中间的环状实体。墩身重量N3承台重量二YV二23x563.388二12957.924kN混凝土3承台体积：V二9x7x2.5二157.5m34承台重量：N二45）承台上土重量YV二25x157.5二3937.5kN钢筋混凝土4因为设计承台顶面与地面相平，故可不计承台上土的重量，即N二06）作用在承台底上的恒载1）列车竖向静活载图2-1四种加载方式单孔重载根据刀M=0.可得支点反力R为1作用在承台底的竖向活载为令承台底横桥方向中心轴为x-x轴顺桥方向中心轴为y-y轴，则R］对承台底x-x轴的力矩M为活1单孔轻载支点反力R为2作用在承台底的竖向活载为R对承台底x-x轴的力矩M为2活2x，双孔重载根据G/L=G/L确定最不利荷载位置x,本桥梁为等跨梁，故G=G,112212G和G分别为左右两跨上活载重量,G1=220x5+92x©2.35-7.5-x)二3386.2-92x2677.18+12xG=92x(30-(32.35-7.5-x)1+80x《2.7-bo-(32.35-7.5-x)]}=2由G=G、R为1234作用在承台底的竖向活载为R4对承台底x-x轴的力矩叫卵为双孔空车荷载1支点反力R=R二—x32.7x10=163«5kN562作用在承台底的竖向活载为N=R+R=163.5x2=327kNR、R对承台底x-x轴的力矩M=0634活42）离心力因该桥为直线桥所以离心力为0。3）横向摇摆力横向摇摆力取为100KN,作为一个集中荷载取最不利位置，一水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。4）活载土压力因桥墩两侧没有土体，所以活载土压力为0。1）制动力（或牵引力）单孔重载与单孔轻载的制动力（或牵引力）因单孔重载与单孔轻载作用在梁上的竖向静活载相同，故其制动力（或牵引力）也相等，为H对承台底x-x轴的力矩M为1H1双孔重载的制动力（或牵引力）左孔梁为固定支座传递的制动力（或牵引力）右孔梁为滑动支座传递的制动力（或牵引力）传到桥墩的制动力（或牵引力）故双孔重载采用的制动力（或牵引力）为H对承台底x-x轴的力矩M为2H2M=13492.425KN・MH22）纵向风力风荷载强度其中K1212根据轨顶离地面的高度内插得K=；K根据桥址所处地形为构造剥蚀地23中山区，河谷阶地、河流峡谷区取为K3顶帽风力H对承台底x-x轴的力矩M为3-1H3-1注：顶帽风力的合力作用点近似取为据承台底以上18cm处。墩身风力H对承台底x-x轴的力矩M为3-2H3-2纵向风力在承台底产生的荷载3）流水压力因该桥墩不处于水流中所以流水压力为01）单桩轴向承载力检算最不利荷载组合为纵向主＋附，双孔重载。2）墩台顶的水平位移检算最不利荷载组合为纵向主＋附，单孔重载。3）桩身截面配筋计算最不利荷载组合为纵向主＋附，单孔重载。4）群桩基础的承载力检算最不利荷载组合为纵向主＋附，双孔重载。因为该设计墩台不处于水流中，故常水位和设计水位的组合一样。单孔重载：N=N+N=20367.27+1896.42=22263.69kN恒活1双孔重载：N=N+N=20367.27+2973.50=23340.77kN恒活3根据荷载的大小和性质、地质和水文地质条件、施工难易程度以及施工条件等等，经过综合考虑后决定以下三个可能的基础类型，进行比较选择，采用最佳方案。基础类型方案比较浅基础般指基础埋深小于基础宽度或深度不超过5m的基础。建筑物的浅平基多用砖、石、混凝土或钢筋混凝土等材料组成，因为材料的抗拉性能差，截面强度要求较高，埋深较小，用料省，无需复杂的施工设备，因而工期短，造价低，但只适宜于上部荷载较小的建筑物。低承台桩基稳定性较好，但水中施工难度较大，故多用于季节性河流或冲刷深度较小的河流，航运繁忙或有强烈流水的河流。位于旱地、浅水滩或季节性河流的墩台，当冲刷不深，施工排水不太困难时，选用低承台桩基有利于提高基础的稳定性。高承台桩基当常年有水，且水位较咼，施工不易排水或河床冲刷较深，在没有和不通航河流上，可采用高承台桩基。有时为了节省圬工和便于施工，也可米用咼承台桩基。然而在水平力的作用下，由于承台及部分桩身露出地面或局部冲刷线，减少了及自由段桩身侧面的土抗力，桩身的内力和位移都将大于低承台桩基，在稳定性方面也不如低承台桩基。沉井沉井基础占地面积小，施工方便，对邻近建筑物影响小，沉井内部空间还可得到充分利用。沉井法适用于地基深层土的承载力大，而上部土层比较松软，易于开挖的地层。由设计资料中的桥墩钻孔柱状图可知，所要设计的30#墩台基础位于新黄土层中，持力层初步设定在W泥岩层。2本区蒸发量远大于降水量，为贫水地区，地下水量一般不大且埋藏较深，地下水及地表水对普通混凝土不具侵蚀性。30#桥墩所处位置无流水，施工较容易，上部荷载较大。并结合自己所掌握的知识选择了低承台桩基。承台底面的标高为11405m。因为打入桩适用于稍松至中密的沙类土、粉土和流塑、软塑的黏性土；震动下沉桩适用于沙类土、粉土、黏性土和碎石类土；桩尖爆扩桩可用于硬塑黏性土以及中密、密实的沙类土和粉土；钻孔灌注桩可用于各类土层、岩层；挖孔灌注桩可用于无地下水或少量地下水的土层。根据地质条件和各种类型桩基础具有的不同特点，综合分析后选用钻孔灌注桩。桩端持力层W泥岩为微风化泥岩，再初步结合桩的埋置深度这里选用柱桩2m。初步选择桩端持力层在w泥岩层内，取柱桩m,则该桩在新黄土层中深度为m,在W泥24岩层中深度为m,在W泥岩中深度为m,在W。32取成孔桩径m所以n(1.25¥mI2丿取C=,C4。12作用于承台底面的最大竖向荷载（双孔重载）估算所需桩数24444.764655.84x1.15二6.04故初取n=8根由《铁路桥涵地基和基础》：钻孔灌注桩的中心距不应小于2倍成孔桩径，各类桩的承台板边缘至最外一排桩的净距当桩径dMlm时，不得小于，且不得小于。对于钻孔灌注桩，d为设计桩径。根据上述原则做出桩和承台的平面布置图如下图(单位:m):本设计采用梅花式：桩和承台的平面布置图第3章技术设计°、m、a的确定查规范：求计算宽度bX+1)=m0地基系数Cy的比例系数m桩侧有多层土，应将地面或局部冲刷线以下主要影响深度h内各层土换算m成一个m值。假设按弹性桩设计，hm=2(d+1)泥岩。mh2+m(2h+h)h需进行换算：m=一i212(h+hJ2查规范可得m=15000kPa/m2，m=7500kPa/m2。12(3)由《铁路桥涵地基和基础设计规范》：当桩基由位于横向力所在竖直平面内的数根桩组12成，且由承台板连接时，应对求出的换算比例系数进行折减因为hmLXm000构件数n=3,故，代入k二C+匕C-Lo得0.6h折减后m二km=13170x0.623=8204.9kPa(4)求桩的横向变形系数桩的横向变形系数|bma飞百C混凝土受压弹性模量EXl04MPa30h桩的I=晋=0.120m4桩截面受挠刚度EI=0.8EI=0.8x32x106x0.120=3.072xl06kN-m2代入公式有桩的横向变形系数a=0.352桩位于地面以下的长度为m,al=0.352x25.5=8.976>4，所以应该按弹性桩设计，假设正确。单桩的轴向刚度系数p可按下式求得1其中：1二01二25.5mg=1A=业=1.227m2E二32xlQskPaTOC\o"1-5"\h\z054h桩侧土的平均内摩擦角申应按桩侧土层加权平均的内摩擦角：nD2nx32故D-3m，A二二二7.069m2044由al〉4.0查表有Y=1.064,Y=0.985,申=1.484QMM疋y=Snp+Lnpx2=8x16.05x105+8xl4.37x105x(3)2=387.06x105kN-m/radPP1411i2对于低承台桩基，承台完全处于新黄土中，因此，承台的计算宽度为：承台地面处的地基系数Ch所以Y'=Y+B邛=11.4x105+9x0.375x105x2.5=15.62x105kN/maaaa022计算承台地面原点O处的位移a、b、p对于双孔重载：N=kNM=2067kN承台位移为：故作用在任一根桩顶处的轴向力Ni、横向力Qi和力矩Mi为：竖向力：N23340.77N=——+xPp=+1.5x62.47x14.37=4264.14kNini18水平力：Q=ap-Pp=149.39x1.426-62.47x3.75=-21.23kN弯矩：i23M=Pp-ap=62.47x16.05-149.39x3.75=443.89kN.m143(2)对于单孔重载：N=kNM=2kN承台位移为：故作用在任一根桩顶处的轴向力Ni、横向力Qi和力矩Mi为:竖向力：N=N+xPp=22263.69+1.5x64.26x14.37=4168.09kN1n118水平力：Q=ap-Pp=152.4x1.426-64.26x3.75=-23.65kNi23弯矩：M=Pp-ap=64.26x16.05-152.4x3.75=459.87kN.mIM0i43对于低承台桩基础的基桩，分析其在横向力作用下的内力和位移时，近似地把承台底面视为地面。如右图所示：由上面的计算可知在最不利横向荷载(单孔重载)下，单桩桩顶横向位移X=a=lX10-5m，对应的横向水平力Q=KN00单桩桩顶转角B=-Xl0-5rad，对应的弯矩M=KN00根据简化算法求任意深度y处的单桩内力和位移：弯矩:M=QoA+MBTOC\o"1-5"\h\zyaM0M剪力:Q=QA+aMBy0Q0Q桩侧土横向压应力:。=aQ0A+02里oBxyb◎b◎带入相应的数据，且a=0・386。0上述计算公式并将随深度变化的各系数值在excel里列出，并计算和绘图①单桩在横向力作用下剪力随桩换算入土深度变化图：（单位：kN）单桩在横向力作用下桩身M随ay变化图（单位:kN?m）y•m桩侧土横向压应力O随ay的变化（单位：kPa）xy桩身截面的横向位移X（X105）随桩换算入土深度y变化图：（单位:m）y根据上面的计算可知单桩的轴向容许承载力为：[P]=N;最不利时为双孔重载时的桩顶内力：有N=kN；对于柱桩轴向承载力的检算：式中[N]—桩顶轴向压力；G—桩的自重。[P]-按岩石阻力的计算确定的单桩受压容许承载力其中G=（-x1.32x25.5）x25=846.17kN4有+=kN7,所以，应考虑偏心距增大系数nd1.25'其中e110其中Z-0.2+2.7f-0.2+2.7x-0.4541h1170故考虑偏心距增大系数后的偏心距为：计算配筋率f13.8Mpa；f280Mpacdsd采用C30混凝土，钢筋拟采用HRB335钢筋，即:计算受压区高度系数，根据经验公式得：采用试算法列表计算，根据规范，系数A、B、C、D查附表所得:4168由表中计算可见，当©=°.51时，计算纵向力N与设计值N.相近，且大于设计值。且强度不要求配筋.现按构造要求取：P=°-5%UJ（3）配筋并绘制基桩构造及钢筋布置图根据灌注桩构造要求，桥梁桩基主筋宜采用光圆钢筋，主筋直径不宜小于16mm，净距不宜小于12Omm，且任一情况下不得小于80mm，主筋净保护层不应小于60mm。在满足最小间距的情况下，尽可能采用单筋、小直径的钢筋，以提高桩的抗裂性，所以主筋采用I级钢筋。桩身混凝土为C30，根据《桥规》规定，取卩钢筋的面积为：min现选用18根0二22的HRB335钢筋，钢筋的面积为：A二6842mm2；s采用对称配筋，则主筋净距为：一22=164.4mm>12°mm符合要求。2兀s[2nx（625一8°一11）-d=1818实际配筋率为：绘制图形桩基础圆截面配筋图桩基础正截面配筋图第4章初步的施工组织设计施工方法：泥浆护壁钻孔灌注桩。直接在桩位上就地成孔，然后在孔内安放钢筋笼、灌注混凝土而成（1）施工准备:施工准备包括：选择钻机、钻具、场地布置等。钻机是钻孔灌注桩施工的主要设备，可根据地质情况和各种钻孔机的应用条件来选择。（2）桩位放线:桩位放线依据：建设单位提供的放线依据和设计图纸要求。.桩位放线：依据放线依据采用经纬仪、钢尺，以通视测量法放出轴线、桩位，确保轴线、桩位的位置准确。.桩位

检测

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：放出桩位后，填写放线记录与技术复核，报请总包、监理验收，验收通过后，准备开始施工。•桩位复测：施工期间对桩位定期复测，如发现问题会同有关人员及时处理解决。（3）开挖泥浆池、排浆沟（4）护筒埋设钻孔成败的关键是防止孔壁坍塌。当钻孔较深时，在地下水位以下的孔壁土在静水压力下会向孔内坍塌、甚至发生流砂现象。钻孔内若能保持壁地下水位高的水头，增加孔内静水压力，能为孔壁、防止坍孔。护筒除起到这个作用外，同时好有隔离地表水、保护孔口地面、固定桩孔位置和钻头导向作用等。制作护筒的材料有木、钢、钢筋混凝土三种。护筒要求坚固耐用，不漏水，其内径应比钻孔直径大（旋转钻约大20cm，潜水钻、冲击或冲抓锥约大40cm），每节长度约2~3m。一般常用钢护筒。（5）钻机就位，孔位校正安装钻孔机的基础如果不稳定，施工中易产生钻孔机倾斜、桩倾斜和桩偏心等不良影响，因此要求安装地基稳固。对地层较软和有坡度的地基，可用推土机推平，在垫上钢板或枕木加固。为防止桩位不准，施工中很重要的是定好中心位置和正确的安装钻孔机，对有钻塔的钻孔机，先利用钻机的动力与附近的地笼配合，将钻杆移动大致定位，再用千斤顶将机架顶起，准确定位，使起重滑轮、钻头或固定钻杆的卡孔与护筒中心在一垂线上，以保证钻机的垂直度。钻机位置的偏差不大于2cm。对准桩位后，用枕木垫平钻机横梁，并在塔顶对称于钻机轴线上拉上缆风绳。（6）泥浆制备钻孔泥浆由水、粘土（膨润土）和添加剂组成。具有浮悬钻渣、冷却钻头、润滑钻具，增大静水压力，并在孔壁形成泥皮，隔断孔内外渗流，防止坍孔的作用。调制的钻孔泥浆及经过循环净化的泥浆，应根据钻孔方法和地层情况来确定泥浆稠度，泥浆稠度应视地层变化或操作要求机动掌握，泥浆太稀，排渣能力小、护壁效果差；泥浆太稠会削弱钻头冲击功能，降低钻进速度。（7）成孔钻孔是一道关键工序，在施工中必须严格按照操作要求进行，才能保证成孔质量，首先要注意开孔质量，为此必须对好中线及垂直度，并压好护筒。在施工中要注意不断添加泥浆和抽渣（冲击式用），还要随时检查成孔是否有偏斜现象。采用冲击式或冲抓式钻机施工时，附近土层因受到震动而影响邻孔的稳固。所以钻好的孔应及时清孔，下放钢筋笼和灌注水下混凝土。钻孔的顺序也应实事先规划好，既要保证下一个桩孔的施工不影响上一个桩孔，又要使钻机的移动距离不要过远和相互干扰。（8）清孔钻孔的深度、直径、位置和孔形直接关系到成桩质量与桩身曲直。为此，除了钻孔过程中密切观测监督外，在钻孔达到设计要求深度后，应对孔深、孔位、孔形、孔径等进行检查。在终孔检查完全符合设计要求时，应立即进行孔底清理，避免隔时过长以致泥浆沉淀，引起钻孔坍塌。对于摩擦桩当孔壁容易坍塌时，要求在灌注水下混凝土前沉渣厚度不大于30cm;当孔壁不易坍塌时，不大于20cm。对于柱桩，要求在射水或射风前，沉渣厚度不大于5cm。清孔方法是使用的钻机不同而灵活应用。通常可采用正循环旋转钻机、反循环旋转机真空吸泥机以及抽渣筒等清孔。其中用吸泥机清孔，所需设备不多，操作方便，清孔也较彻底，但在不稳定土层中应慎重使用。其原理就是用压缩机产生的高压空气吹入吸泥机管道将泥渣吹出。（9）下钢笼和混凝土导管（10）灌注水下混凝土清完孔之后，就可将预制的钢筋笼垂直吊放到孔内，定位后要加以固定，然后用导管灌注混凝土，灌注时混凝土不要中断，否则易出现断桩现象。（11）成桩主要机具设备：回转钻机。回转钻机是由动力装置带动钻机的回转装置转动，并带动带有钻头的钻杆转动，由钻头切削土壤。切削形成的土碴，通过泥浆循环排出桩孔。根据桩型、钻孔深度、土层情况、泥浆排放条件、允许沉碴厚度等条件，泥浆循环方式选择使用正循环方式。正循环回转钻进是以钻机的回转装置带动钻具旋转切削岩土，同时利用泥浆泵向钻杆输送泥(或清水)冲洗孔底，携带岩屑的冲洗液沿钻杆与孔壁之间的环状空间上升，从孔口流向沉淀池，净化后再供使用，反复运行，由此形成正循环排渣系统；随着钻渣的不断排出，钻孔不断地向下延伸，直至达到预定的孔深。由于这种排渣方式与地质勘探钻孔的排渣方式相同，故称之为正循环，以区别于后来出现的反循环排渣方式。正循环和反循环示意图主要工程数量和材料用量直径根数单根长容重(kg/m)总长总重(kg)受力纵筋459918环向箍筋350140骨架钢筋37承台横向力筋纵向混凝土名称等级直径(m)长度(m)容重(kN/m)体积(m)总重(kN)单根桩C30720成孔是混凝土灌注桩施工中的一个重要部分，其质量如控制得不好，则可能会发生塌孔、缩径、桩孔偏斜及桩端达不到设计持力层要求等，还将直接影响桩身质量和造成桩承载力下降。因此，在成孔的施工技术和施工质量控制方面应着重做好以下几项工作。钻孔混凝土灌注桩和打入桩不同，打人桩是将周围土体挤开，桩身具有很高的强度，土体对桩产生被动土压力。钻孔混凝土灌注桩则是先成孔，然后在孔内成桩，周围土移向桩身土体对桩产生动压力。尤其是在成桩初始，桩身混凝土的强度很低，且混凝土灌注桩的成孔是依靠泥浆来平衡的，故采取较适应的桩距对防止坍孔和缩径是一项稳妥的

技术措施

安全生产方案及措施施工现场安全技术措施安全技术措施及方案皮带机检修技术措施皮带维修安全技术措施

。这是灌注桩顺利施工的一个重要条件，否则钢筋笼和导管将无法沉放。为了保证成孔垂直精度满足设计要求，应采取扩大桩机支承面积使桩机稳固，经常校核钻架及钻杆的垂直度等措施，并于成孔后下放钢筋前作井径、井斜超声波测试。度，混凝土坍落采用18cm—20cm，并随时了解混凝土面的标高和导管的埋人深度。导管在混凝土面的埋置深度一般宜保持在2m—4m，不宜大于5m和小于lm，严禁把导管底端提出混凝土面。当灌注至距桩顶标高8m—10m时，应及时将坍落度调小至12cm—16cm，以提高桩身上部混凝土的抗压强度。在施工过程中，要控制好灌注工艺和操作，抽动导管使混凝土面上升的力度要适中，保证有程序的拔管和连续灌注，升降的幅度不能过大，如大幅度抽拔导管则容易造成混凝土体冲刷孔壁，导致孔壁下坠或坍落，桩身夹泥，这种现象尤其在砂层厚的地方比较容易发生。在灌注过程中必须每灌注2m3左右测一次混凝土面上升的高度，确定每段桩体的充盈系数，建筑施工操作规程》规定桩身混凝土的充盈系数必须大于1。同时要认真进行记录，这对日后发现有问题的桩或评价桩的质量有很大作用。