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第 34 卷 第 3 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.3 2012 年 .3 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Mar. 2012 有地下结构的饱和砂土液化宏细观离心机试验 周 健 1,2，陈小亮1,2，贾敏才1,2，封渊惟1,2 1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092 摘 要利用自行设计的离心机细观图像观测系统，在离心机上对有地下结构的饱和砂土层进行了地震液化宏细观模 型试验。离心机细观图像观测系统主要由高速摄像机、地铁车站模型和工控机组成。摄像机安装在地铁车站模型内部， 通过深埋和浅埋车站模型可以实时动态记录地震发生过程中砂土地基不同深度砂颗粒运动细观图像，同时测量了加速 度和超孔隙水压力等宏观地震响应特性。利用图像处理技术对拍摄的细观照片进行分析，从颗粒运动特性、颗粒长轴 定向、接触法向、接触数和孔隙率等细观组构参量的动态变化揭示不同深度的饱和砂土地基液化的细观机制。试验表 明深层砂土在地震作用下的运动表现为类似管涌特征，颗粒长轴经过地震后偏向竖直方向，而浅层砂土的运动表现 为砂沸，颗粒长轴排列地震后较均匀。饱和砂土地震响应宏观特征与细观组构变化具有良好的一致性。试验结果有助 于从细观层面揭示砂土液化的机理。 关键词液化；离心机；地铁车站；图像分析；细观 中图分类号TU47 文献标识码A 文章编号1000–4548201203–0392–08 作者简介周 健1957– ，男，工学博士，教授，博士生导师，主要研究方向为土动力学与岩土地震工程及土体细 观力学性质试验与数值模拟等方面的教学与研究工作。E-mail tjuzj。 Dynamic centrifuge tests on macro-micro mechanism of liquefaction of saturated sandy foundation with buried structures ZHOU Jian1, 2, CHEN Xiao-liang1, 2, JIA Min-cai1, 2, FENG Yuan-wei1, 2 1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministy of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China Abstract A new image observation system is designed for recording the motion of sand particles during the shaking event in centrifuge tests. It involves high-speed video camera, metro station model and industrial computer. The camera is installed inside the metro station model. With the metro station model shallowly and deeply buried respectively, the motion of sand particles at various elevations is real-time recorded during earthquake occurrence. The digital images at certain stages of the tests are processed by self-developed software named GeoDIP. The micro-mechanism of liquefaction of sandy foundation at different depths are analyzed by the micro-fabric evolutions of sand particles, which includes particle orientation, contact normal and number of particles and porosity ratio. Furthermore, labeled particles are traced to study the micro-mechanism of soil deation. The test results show that the particle motion at deep depth is similar to piping and there is preferred orientation of vertical direction of the long axis of particles after post-liquefaction drainage. Nevertheless, the motion of shallow particles is similar to sand boil and there is no preferred orientation of particles. The macro response of saturated sandy foundation such as acceleration and excess pore pressure accords with the micro-fabric evolutions of sand particles in centrifuge tests. The results have indicated that the image observation system is a valuable tool that can properly characterize the liquefaction behaviors from microscope and provide an insight into a phenomenon previously impossible. Key words liquefaction; centrifuge; metro station; image analysis; micro mechanism 0 引 言 由于离心机振动台能够真实模拟原型应力场中的 应力条件，能够精确再现原型在实际应力条件下的真 实动力响应，因此动力离心模型试验技术被公认为是 研究岩土工程地震问题最有效、最先进的研究方法和 试验技术[1]。在过去 30 多年里，国内外很多研究者利 用离心机振动台对饱和砂土液化问题进行了研究[2-5]。 其中由美国和英国的 8 所高校联合实施的 VELACS ─────── 基金项目国家自然科学基金项目（90815008，40972214） ；高等学校 博士学科点专项科研基金项目（200802470007） 收稿日期2011–07–29 第 3 期 周 健，等. 有地下结构的饱和砂土液化宏细观离心机试验 393 项目（VErification of liquefaction analysis using centrifuge studies）对砂土液化问题进行最系统的研究[6-7]。近来 研究者们开始探索通过可视化的方式再现离心机液化 的发展过程，拓展对液化现象的了解。Gonzlez Lenart[8]和 Zeghal M[9]等通过对测量的加速度进行积 分得到应力与应变，然后通过可视化的方式重现液化 中应力与应变随时间的变化。 以往利用离心机振动台进行液化研究主要从加速 度和超孔隙水压力等宏观地震响应进行分析，很少从 液化过程中颗粒运动、颗粒细观组构变化对液化机理 进行研究。众所周知，土是由散粒状介质组成的颗粒 集合体，外荷载作用下土体微结构的变化是引发土体 宏观力学性状的真正内因[10]。 本文通过对同济大学离心机数据采集方式改进， 开发用于离心机试验试样细观结构观测的试验系统。 在砂土振动液化试验中，利用显微数码摄录技术全程 动态摄录试验过程不同深度砂土细观结构的变化。从 摄录录像中提取特征时刻的数字图像照片，导入自主 开发的数字图像细观结构分析软件 DeoDip[11]，分析 液化过程中砂土细观结构（颗粒定向性、接触法向、 接触数）随时间的演化规律，追踪试验过程中标志砂 颗粒的运动轨迹，探讨宏观与细观之间的内在关联。 研究结果不仅可以验证细观数值模型，而且有助于从 细观层面揭示砂土液化的机理。 1 离心机试验设计 1.1 试验设备 试验使用同济大学 TLJ-150 复合型岩土离心试 验机，可以在 50g 离心状态下提供高精度的单向水平 振动，可以施加任意波形的地震波。模型箱为日本进 口的叠环式层状剪切模型箱， 内部尺寸为500 mm440 mm560 mm（长宽高） 。 1.2 细观图像采集系统 根据离心机相似关系，在离心机上模拟的地震往 往在 1 s 以内，在这么短的时间内要清楚地拍摄到砂 土的细观图片，对整套图像采集系统的要求非常高。 该细观图像采集系统由微型高速摄像机、LED 光源、 工控机和无线路由器组成。 摄像机最高拍摄帧率为 90 帧/秒， 镜头放大率为 0.3X-1X。 摄像机和 LED 光源通 过两根螺杆固定在地铁车站模型内部，如图 1 所示。 工控机安装在离心机旋转室距旋转轴较近的平台上， 试验过程中，摄像机采集到的大量细观图片可以实时 的存储在工控机上。通过安装在离心机室上的无线路 由器，可以在主控室远程控制离心机室的工控机，实 时对高速摄像机发出指令，即在地震发生前开启，地 震结束后关闭，最大限度的节约电脑存储空间。 地铁车站模型（如图 2）尺寸为 214 mm214 mm 214 mm，内部掏空用来安装高速摄像机和 LED 光 源，在摄像机拍摄面安有 8 mm 厚钢化玻璃。装配好 后整体模型表观密度与砂土液化后密度基本一致，可 以更好的揭示砂土液化机理。 图 1 车站模型内部 Fig. 1 Inside of metro station model 图 2 地铁车站模型 Fig. 2 Metro station model 由于整个地铁车站要埋入饱和地基下，要在离心 机 50g 的旋转下经受强震的作用，所以车站内部的摄 像机和 LED 光源的固定及车站的防水是本次试验的 难点。整套细观图像摄像系统（图 3）经过反复调试， 摄像机最终在离心机 50g 下强震作用过程中拍摄到了 砂土颗粒运动轨迹，经多次试验证明整个系统安全可 靠。 图 3 远程控制示意图 Fig. 3 Sketch of remote control 1.3 砂土地基模型制备 地基制备所用砂土为福建平潭标准砂，它是一种 级配均匀的中砂，其物理特性指标为比重 s 2.643G 、 最大干密度 3 dmax 1.74 g/cmρ、最小干密度 dmin ρ 3 1.43 g/cm、最大孔隙比 max 0.848e、最小孔隙比 min 0.519e、平均粒径 50 0.34 mmd、不均匀系数 394 岩 土 工 程 学 报 2012 年 u C 1.542、曲率系数 c 1.104C 。 为了获得饱和的砂土试样和模拟砂土在自然条件 下的沉积特性，试验前将砂子浸泡在水中一周，制样 时采取水中沉砂法。首先在模型箱中放入20 cm煮沸 冷却水，砂子通过刚好浸没在水面的筛子沉积，按照 “Z”形路线移动筛子，砂颗粒慢慢漏过筛孔落入水 中， 移动筛子时尽量缓慢不要扰动水下已沉积的砂样， 确保制样均匀、饱和。 1.4 离心模型试验方案 本次试验包含以下3项，即试验1水平饱和砂 土地层自由场强震试验；试验2饱和砂土层深埋地 铁车站强震液化试验；试验3饱和砂土层浅埋地铁 车站强震液化试验。首先进行水平饱和砂土地基自由 场强震试验，研究其地震宏观反应情况，并检验各量 测仪器及叠环式模型箱的应用效果。在此基础上，试 验2 在砂土地基中深埋地铁车站模型， 研究地铁车站 深埋时的强震反应特性， 记录深层砂土颗粒运动特征， 分析深层地基砂土液化机理。随后试验3又对车站浅 埋进行了相同强度的强震试验，对车站浅埋时的车站 上浮和车站周围砂土液化机理进行研究，并与试验2 进行对比分析，研究深层与浅层砂土层的不同液化机 理。 图4为试验3中模型及传感器布置方案，将试验 1与试验3相比，除没埋设地铁车站外其余相同，孔 压计3埋设在中轴线上。试验2将地铁车站埋设在距 底层100 mm处，孔压计P2和加速计AH2贴在地铁 车站侧壁， 孔压计P3和加速计AH3埋设在中轴线上， 孔压计P5和加速计AH5往下移136 mm，与P2在同 一水平位置，其余条件同试验3。为了模拟现场条件 和使液化现象明显， 在砂层表面铺设了50 mm厚的黏 土层。 图 4 离心模型试验 3 仪器布置图 Fig. 4 Layout of instrumentation of centrifuge test 3 2 试验结果及分析 本节列出了各组试验的测量结果并进行了简要的 比较讨论，结果描述中传感器编号同图4，所列数据 均为换算到原型后的结果。 2.1 液化宏观现象分析 （1）地层加速度响应 地震输入采用1995 年神户地震中Kakogawa 测 站的加速度记录。 实测台面加速度峰值为0.32g， 其时 程如图5所示。 图 5 实测台面加速度时程 Fig. 5 Acceleration time history of shaking table 图6为试验1加速计3和5的时程曲线，其他加 速度时程曲线限于篇幅这里不列出。从图中可以看出 加速计5和3峰值大小基本一致，说明本次试验制样 均匀，层状剪切箱边界效应不明显。图7（a）为试验 1不同埋深处的加速度峰值， 分别为0.32，0.38，0.10， 0.05g。可以看出，该地层在地震作用下加速度反应从 下到上先是稍微增大然后迅速减小，这主要是由于砂 土层在底层没有完全液化对地震波有一定的放大作 用，而浅层砂土发生了完全液化，其阻尼明显增大， 且刚度降低，不利于剪切波的传播，加速度反应从下 往上迅速衰减。从图7（b）中可看出，AH2比AH5 稍大，这主要是由于地铁车站的地震反应主要受周围 地基土的影响，同时由于车站的刚度比地基土大，车 站的加速度反应比周围地基土稍大。从试验3也可得 到类似的结果。试验3没有观察到加速度先放大有减 小的现象，分析可能是因为由于地铁车站浅埋，阻碍 了底层超孔隙水压力的消散，使得此处的砂土液化程 度比前两次试验要高。 图 6 试验 1 地基内部加速度响应 Fig. 6 Acceleration response in soil foundation in test 1 （2）超静孔压变化 图8为3组试验地基内不同位置超孔压时程曲线， 其中试验2中的P4孔压计数据异常，图中没有列出。 第 3 期 周 健，等. 有地下结构的饱和砂土液化宏细观离心机试验 395 从图8可以看出，孔隙水压力的升高与消散都是在地 震中发生的，与以往的地震现场调查现象不同。这是 由渗透系数在离心加速状态下增大造成的。由于本次 试验的研究重点是砂土液化的细观机理，时间比尺不 是主要影响因素[12]，所以选用水作为孔隙流体。 图 7 加速度峰值分布图 Fig. 7 Profiles of peak acceleration 图8（a）为孔压计P1在不同试验的时程曲线， 试验1和试验2的超孔压峰值分别为120.78 kPa和 157.64 kPa，试验2的峰值是试验1的1.31倍，这是 由于地铁车站的存在，客观上阻断了孔隙水的排水通 道，导致地铁车站底部的超孔压增大且消散时间比自 由场地慢。从图8（b）可以看出试验1和试验2的超 孔压峰值分别为95.71 kPa和110.70 kPa， 试验2超孔 压比自由场地稍大，是试验1的1.16倍。同样，试验 3的P3孔压计的峰值也比试验1稍大，是试验1的 1.09倍。地铁车站周围的超孔隙水压力比自由场地有 增大效应，其中底面比侧面的增长幅度高。地铁车站 周围更容易达到液化。 图 8 地基内不同位置超孔隙压力值 Fig. 8 Time histories of excess pore pressure 图9为试验1地震发生后不同时刻超静孔压沿模 396 岩 土 工 程 学 报 2012 年 型箱中轴线各深度的空间分布，图中虚线表示原自重 作用下地基中的竖向有效应力分布。上部地层超静孔 压已超出该点的竖向有效应力，说明该处砂土已完全 液化， 而深度14.65 m和20 m处的超静孔压比分别为 0.60和0.57，始终小于1，未达到完全的液化。可以 发现，虽然深层砂土中的孔隙水压力值发展比浅层的 要快，但浅层的超静孔压比增长更快。在离心机动力 试验中， 液化往往先在土层表面发生,然后液化面逐渐 往下传播。 图 9 试验 1 中不同时刻地基内部超静孔压分布 Fig. 9 Distribution of excess pore pressure in soil foundation in .test 1 2.2 液化细观现象分析 试验2和试验3分别在饱和砂土地基中深埋和浅 埋了地铁车站，通过安装在地铁车站的高速摄像机记 录车站周围砂颗粒在强震作用下的颗粒运动轨迹。然 后采用数字图像处理软件Geodip， 对试验过程中拍摄 的细观照片进行处理分析，探讨不同深度的饱和砂土 在地震作用下的运动特性，细观组构的变化，揭示不 同的液化机理。 （1）颗粒运动特性分析 图10为试验2部分砂土颗粒运动细观照片， 地震 刚发生时，颗粒之间微微错动，趋于密实，此时颗粒 之间的咬合力可以克服地震剪应力，颗粒骨架保持稳 定。随着地震时间和剪应力的增加，颗粒之间出现错 动，不断调整位置，孔隙水压力迅速增长。随着孔隙 水压力的增长，部分细颗粒开始脱离骨架，悬浮在骨 架空隙中，受到下层孔隙水向上消散的影响，细颗粒 在向上水流的作用下不断的翻转， 寻找向上的突破口， 随着地震时间和强度的增加，部分砂颗粒骨架上的大 颗粒也开始分离，原有被阻挡的细颗粒被向上的水流 冲刷到上层，此时骨架颗粒本身也受到水流的冲刷作 用，原来长轴方向偏于水平的颗粒，在向上水流的作 用下调整到偏向竖直方向。随着细颗粒的不断向上冲 刷，细颗粒可能阻塞原有通道，此时细颗粒转从其他 通道向上移动。细颗粒在这种不断张开和闭合的通道 内曲线向上移动，表现为类似管涌的运动特性。如图 10（a）所示，1是原有通道，临近的A，B两颗粒紧 密的接触在一起，细颗粒C正向上运动，图10（b） 显示细颗粒C把原来的通道1堵住了，颗粒A，B分 离，形成通道2，图10（c）颗粒A，B进一步分离， 通道2进一步扩大， 细颗粒继续通过通道2向上运动， 同时两颗粒的长轴偏向竖直，地震结束后，随着超孔 隙水压力的消散，向上的排水通道关闭，在上覆压力 的作用下，颗粒之间紧密接触，比地震前稍微密实， 颗粒骨架重新稳定，如图10（d）所示。由于深层的 砂颗粒上覆压力很大，没有完全发生液化，骨架颗粒 不能像细颗粒那样随意翻转，大部分骨架颗粒受到向 上水流的作用下，长轴偏向竖直，如图12所示，这种 排列结构比自然沉积的长轴偏向水平的结构更不稳 定，下次在地震中液化的可能性提高。苏栋[12]在离心 机试验中发现了这个现象，并提出要从细观上进行分 析。 图 10 试验 2 特征颗粒运动轨迹图 Fig. 10 Motion tracks of labeled particles in test 2 图11是试验3部分砂颗粒运动细观照片。 颗粒在 地震剪应力的作用下发生错动，重新调整位置，颗粒 趋于密实，孔压上升，由于顶层砂颗粒的上覆压力较 小，地震开始后砂颗粒之间迅速分离，颗粒悬浮在水 中杂乱的运动，如图11（a）所示。顶层颗粒除受本 层超孔隙水压力影响外，随着底层超孔隙水压力的逐 渐消散，大量的孔隙水从排水通道向上排出，从图11 可以清楚的看出排水通道从底层的细小通道逐步演化 到顶层的大通道，如图11（b） 、 （c） 、 （d）的区域1， 在整个通道内大部分颗粒是向上运动的，同时由于顶 层采用了黏土封水，颗粒到达黏土边界时会折回向下 运动，如图11（b） 、 （c） 、 （d）的颗粒A向上运动， 第 3 期 周 健，等. 有地下结构的饱和砂土液化宏细观离心机试验 397 而颗粒B向下运动。顶层颗粒在动水压力和超孔隙水 压力的共同作用下一起整体向上浮起，表现出砂沸的 特性。 图 11 试验 3 特征颗粒运动轨迹图 Fig. 11 Motion tracks of labeled particles in test 3 （2）颗粒长轴演化分析 颗粒的长轴方向排列直接影响着砂土的宏观力学 特性，长轴在各个方向上均匀分布，则砂土的宏观表 现为均质各向同性，若颗粒长轴在某个方向或者几个 方向集中分布，则砂土在宏观上表现为各向异性。图 12是试验2砂粒长轴方向演化图。从图12（a）可以 看出砂粒长轴明显的偏向水平方向，这是由于为模拟 自然条件的沉积环境，本次试验采用水中沉砂法，颗 粒长轴在沉积过程中偏向更稳定水平方向。由于受地 震波的影响，超孔隙水压力增大，部分颗粒脱离砂颗 粒骨架，重新调整方向。图12（b）为地震发生5 s 后的长轴方向分布，此时长轴方向分布均匀。地震发 生10 s时，长轴方向明显的偏向竖直方向，这可能是 由于深层砂土层超孔隙水只能向上消散，颗粒受向上 的水流作用，长轴方向调整到偏向竖直方向。地震结 束后，颗粒长轴方向排列偏向竖直方向，这主要是深 层砂颗粒上覆压力比较大， 颗粒排列受到一定的约束。 图 12 试验 2 长轴方向演化玫瑰花图 Fig. 12 Evolution of long axis orientation of particles in test 2 图13是试验3颗粒长轴方向演化玫瑰花图， 与试 验2一样，地震发生前颗粒长轴偏向水平，地震发生 时，浅层颗粒由于上覆压力很小，颗粒悬浮于孔隙水 之中，受下层孔隙水排出影响，颗粒不断的翻转，颗 粒长轴方向分布随机，如图13（b） 、 （c）所示。由于 本次试验顶层铺设黏土封水，超孔隙水压力消散比较 慢，地震停止后60 s超孔隙水压力消散结束，颗粒长 轴偏向水平，但没有初始时那样明显了。 图 13 试验 3 长轴方向演化玫瑰花图 Fig. 13 Evolution of long axis orientation of particles in test 3 （3）接触法向和接触数变化分析 接触法向是颗粒之间相互接触点的法线方向，反 映颗粒之间力的传递方式， 也是颗粒各向异性的反映。 图14为深层颗粒接触法向玫瑰花演化图，t0 s时， 接触法向偏向竖直方向，地震发生时，接触数减少， 接触法向均匀，孔隙水压力消散后，接触法向偏向水 平方向，这可能是颗粒长轴偏向竖直的原因。图15 为浅层颗粒接触法向玫瑰花演化图，t0 s时颗粒接触 法向与深层颗粒一样偏向竖直，t10 s时，接触数减 小，颗粒接触法向均匀，待孔隙水消散结束后，颗粒 接触法向大部分偏向竖直方向，但没有初始时那样明 显，如图15（d）所示。 图 14 试验 2 接触法向演化玫瑰花图 Fig. 14 Evolution of contact normal of particles in test 2 398 岩 土 工 程 学 报 2012 年 图 15 试验 3 接触法向演化玫瑰花图 Fig. 15 Evolution of contact normal of particles in test 3 平均接触数变化是砂土颗粒运动、重新排列的反 映， 图16为试验2和试验3颗粒平均接触数随时间变 化曲线，t0 s时深层和浅层的平均接触数相差不大， 说明密实度相差不大，制样均匀。t5 s时，浅层颗粒 平均接触数突然降低到1.301， 这主要是由于超孔隙水 压力达到了上覆有效应力，颗粒之间突然分离，悬浮 在孔隙水中， 而深层没有突然降低的情况。 此外，t15 s时深层颗粒平均配位数已经恢复到初始值，此后， 接触数变化缓慢，地震结束时平均接触数稍高于初始 值，说明强震后砂土变得密实了，但浅层颗粒接触数 随孔隙水压力消散缓慢增加，地震结束后一段时间内 还有增加。 图 16 颗粒平均接触数变化曲线 Fig. 16 Variation of average contact number of particles with time 图 17 颗粒孔隙率变化曲线 Fig. 17 Variation of porosity ratio of particles with time （4）孔隙率变化分析 孔隙率的变化是试样振动过程中松密状态的直接 反映，图17是试验2和试验3颗粒孔隙率变化曲线， 从曲线变化可以看出，振动初始深层和浅层砂土孔隙 率都突然减少了，这主要是砂土骨架受地震剪应力作 用后，颗粒骨架失去平衡，颗粒重新排列，体积缩小， 孔压急剧上升的过程。深层砂颗粒孔隙率减小到最小 值后一直变化不大，而浅层砂颗粒孔隙率在6 s后开 始增大，随着孔隙水压力的消散结束，最后孔隙率减 小到比初始值稍小的值。这主要是浅层砂颗粒上覆有 效应力较小，在孔隙水的拽曳力作用下颗粒出现了悬 浮和分离的过程。从图16，17可以看出，颗粒接触数 和孔隙率的变化与孔压的时程曲线有很好的一致性。 应该说明的是图16，17的接触数和孔隙率是由试 验过程拍摄的细观图像通过数字图像处理软件 Geodip分析处理得到的，尽管Geodip软件尽量考虑 了二维的平面照片带来的误差，但分析得到的接触数 和孔隙率与实际的三维情况有一定的区别。 3 结 论 本次试验分别对自由场和深埋与浅埋地铁车站进 行了3组强震离心机试验研究。试验过程中除记录了 加速度和孔隙水压力等地震宏观特征外，还通过高速 摄像机连续拍摄到了饱和砂土地基内不同深度砂颗粒 运动细观图像。对试验结果分别从宏观和细观进行分 析，得出主要结论 （1） 液化程度不高的深层砂土对地震波有一定的 放大作用，但砂土液化后，其阻尼明显增大，且刚度 降低，不利于剪切波的传播，加速度反应从下往上迅 速衰减。 （2） 地铁车站周围砂土超孔隙水压力比自由场地 有一定的增大， 其中车站底面的增长幅度比侧面的大， 车站周围砂土比自由场地更容易液化。 （3） 砂土颗粒在地震作用过程中， 颗粒接触数和 孔隙率都有突变现象，说明液化是一种突变过程。 （4） 地震作用下， 深层砂土颗粒运动特征类似于 管涌现象，颗粒长轴偏向竖直方向，这是一种不稳定 结构，下次地震中的液化可能性提高。而浅层颗粒运 动特征表现为砂沸，颗粒长轴方向定向性不明显。 致 谢本次试验得到了同济大学地下建筑与工程系马险峰、 吴晓峰、何之民、孙长安四位老师和中国工程物理研究院专家 的支持，在此对他们表示感谢。 参考文献 [1] 王年香, 章为民. 混凝土面板堆石坝动态离心模型试验研 究[J]. 岩土工程学报, 2003, 254 504–507. 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