《土的渗透性及渗流》PPT课件

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资源描述
防 灾 科 技 学 院一 、 土 具 有 广 泛 的 工 程 应 用二 、 存 在 大 量 与 土 有 关 的土 力 学 可 以 解 决 工 程 实 践 问 题 , 确 保 工 程 正 常 安 全 的使 用 ,这 正 是 土 力 学 存 在 的 价 值 以 及 我 们 学 习 土 力 学 的 目 的 。 渗 透 问 题强 度 问 题变 形 问 题 3.2 土 的 渗 透 性 3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 3.1 概 述 渗 流渗 透 性土 具 有 被 水 、 液 体 等 透 过 的 性 质水 、 液 体 等 在 土 体 孔 隙 中 流 动 的 现 象土 颗 粒 土 中 水渗 流渗 透 : 液 体 从 物 质 微 孔 中 透 过 的 现 象 透 水 层不 透 水 层土 石 坝 坝 基 坝 身 渗 流防 渗 体 坝 体 浸 润 线 渗 流 问 题 :1. 渗 流 量 ?2. 渗 透 破 坏 ?3. 渗 透 力 ? 透 水 层基 坑板 桩 墙 渗 流 问 题 :1. 渗 流 量 ?2. 渗 透 破 坏 ?3. 渗 透 力 ? 降 雨 入 渗 引 起 的 滑 坡渗 流 问 题 :1. 渗 透 力 ?2. 入 渗 过 程 ?事 故 实 例 A BL透 水 层不 透 水 层 基 坑板 桩 墙 渗 流 为 水 体 的 流 动 , 应 满足 液 体 流 动 的 三 大 基 本 方程 : 连 续 性 方 程 、 能 量 方程 、 动 量 方 程一 、 渗 流 中 的 水 头 与 水 力 坡 降3.2 土 的 渗 透 性 A BLhA zAwAp 基 准 面 zpgvh w 22wpzh n 水 头 ( 伯 努 利 定 理 ) : 单 位 重 量 水 体 所 具 有 的 能 量 位 置 水 头 Z: 水 体 的 位 置 势 能 ( 任 选 基 准 面 ) 压 力 水 头 p/w: 水 体 的 压 力 势 能 ( p孔 隙 水 压 力 ) 流 速 水 头 V2/(2g): 水 体 的 动 能 ( 对 渗 流 多 处 于 层 流 0)n 渗 流 的 总 水 头 : 渗 流 问 题 的 水 头也 称 测 管 水 头 , 是 渗 流 的总 驱 动 能 , 渗 流 总 是 从 水头 高 处 流 向 水 头 低 处3.2 土 的 渗 透 性 wpzh BBB A点 总 水 头 : 水 力 梯 度A BLhA hBzAwAp wBpzB h基 准 面 水 力 坡 降 线wAA pzh A B点 总 水 头 : 二 点 总 水 头 差 : 反 映 了两 点 间 水 流 由 于 摩 阻 力造 成 的 能 量 损 失 BWBAWA zpzph BAhh 水 力 梯 度 i: 单 位 渗 流 长 度 上 的 水 头 损 失 Lhi 3.2 土 的 渗 透 性 3.2 土 的 渗 透 性 L A h1 h2QQ 透 水 石 h二 、 渗 透 试 验 与 达 西 定 律试 验 前 提 : 层 流 LhAq 或 kiAqv 1.渗 透 试 验试 验 结 果 :试 验 装 置 : 如 图试 验 条 件 : h1, A, L=const量 测 变 量 : h2, Q, tkAiLhkAq 达 西 定 律 2. 达 西 定 律 ikAqv 在 层 流 状 态 的 渗 流 中 , 渗 透 速 度 v与 水 力 坡 降 i的一 次 方 成 正 比 , 并 与 土 的 性 质 有 关 。ivk: 反 映 土 的 透 水 性 能 的 比 例 系 数 , 称 为 渗 透 系 数物 理 意 义 : 水 力 坡 降 i 1时 的 渗 流 速 度单 位 : mm/s, cm/s, m/s, m/day3.2 土 的 渗 透 性 3.2 土 的 渗 透 性 ikv biikv 粗 粒 土 :在 纯 砾 以 上 的 很 粗 的 粗 粒 土 如 堆石 体 中 , 在 水 力 坡 降 较 大 时 , 达西 定 律 不 再 适 用 ivovcr iv ib层 流 ( 线 性 流 )大 部 分 砂 土 , 粉 土 ; 疏 松 的 粘 土及 砂 性 较 重 的 粘 性 土粘 性 土 :致 密 的 粘 土 存 在 起 始 水 力 坡 降 iib, v=k(i - ib ) ikv 三 、 渗 透 系 数 的 测 定 及 影 响 因 素 室 内 试 验 测 定 方 法 常 水 头 试 验 法变 水 头 试 验 法井 孔 抽 水 试 验井 孔 注 水 试 验1. 测 定 方 法野 外 试 验 测 定 方 法3.2 土 的 渗 透 性 室 内 试 验 方 法 1常 水 头 试 验 法结 果 整 理 :试 验 装 置 : 如 图试 验 条 件 : h, A, L=const量 测 变 量 :渗 水 量 Q, ti=h/Lq=Q/t=Avv=ki htAQLk 3.2 土 的 渗 透 性 h L土 样A Q适 用 土 类 : 透 水 性 较 大 的 砂 性 土单 位 时 间 渗 水 量达 西 定 律 水 力 梯 度 选 择 几 组 量 测 结 果 , 取 平 均 值 n 试 验 条 件 :h变 化 A, a, L=constn 量 测 变 量 : h, tn 适 用 土 类 : 透 水 性 较 小 的 粘 性 土 土 样A t=t1 h1 t=t2 h2LQ 水 头测 管开 关a3.2 土 的 渗 透 性室 内 试 验 方 法 2变 水 头 试 验 法 土 样A t=t1t=t2h1 h2LQ 水 头测 管开 关在 tt+dt时 段 内 : 入 流 量 : dVe= - adh 出 流 量 : dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 连 续 性 条 件 : dVe=dVo -adh =k (h/L)Adt hdhkAaLdt 210 hht hdhkAaLdt 21ln hhkAaLt hdh tt+dt室 内 试 验 方 法 -变 水 头 试 验 法21ln hhAtaLk 选 择 几 组 量 测 结 果 , 计 算 相 应 的 k, 取 平 均 值3.2 土 的 渗 透 性 常 水 头 试 验 变 水 头 试 验条 件已 知测 定算 定取 值 h=const h变 化h, A, LQ, t重 复 试 验 后 , 取 均 值 a, A, Lh, t 21lnhhAtaLk htAQLk 不 同 时 段 试 验 , 取 均 值适 用 粗 粒 土 粘 性 土3.2 土 的 渗 透 性 现 场 测 定 法 3 抽 水 试 验 抽 水 量 Q r1 r2h1 h2井不 透 水 层n 试 验 条 件 : Q=const 优 点 : 可 获 得 现 场 较 为 可 靠 的 平 均 渗 透 系 数 缺 点 : 费 用 较 高 , 耗 时 较 长 观 察 井3.2 土 的 渗 透 性地 下 水 位 测 压 管 水 面n量 测 变 量 : r=r1, h1=? r=r2, h2=? 2122 12 )/ln( hh rrqk )(ln 212212 hhkrrq A=2rhi=dh/dr drdhkrhAkiq 2khdhrdrq 2n 计 算 公 式 : r抽 水 量 q r1 r2h1 h2井不 透 水 层 dh drh地 下 水 位 测 压 管 水 面3.2 土 的 渗 透 性 2121 2 hhrr hdhkrdrq n 土 粒 愈 粗 、 大 小 愈 均 匀 、 形 状愈 圆 滑 , K值 愈 大 。n 因 由 粗 颗 粒 形 成 的 大 孔 隙 可 被细 颗 粒 充 填 , 随 细 粒 含 量 增 加 ,K值 急 剧 下 降 。 土 的 性 质 水 的 性 质 土 的 粒 度 成 分 孔 隙 比 土 的 饱 和 度 结 构 和 构 造2.影 响 因 素 3.2 土 的 渗 透 性 n 是 单 位 土 体 中 孔 隙 体 积 的 直 接度 量n 土 愈 密 实 , 孔 隙 比 愈 小 , K值愈 小 。 土 的 性 质 水 的 性 质 土 的 粒 度 成 分 孔 隙 比 土 的 饱 和 度 结 构 和 构 造 3.2 土 的 渗 透 性 n 一 般 情 况 下 饱 和 度 愈 低 , K值 愈小 。 因 为 低 饱 和 土 的 孔 隙 中 存 在较 多 气 泡 会 减 小 过 水 面 积 , 甚 至赌 塞 细 小 孔 道 。 土 的 性 质 水 的 性 质 土 的 粒 度 成 分 孔 隙 比 土 的 饱 和 度 结 构 和 构 造 3.2 土 的 渗 透 性 n 扰 动 土 样 比 原 状 土 样 K值 小n 粘 性 土 层 中 有 很 薄 的 砂 土 夹 层 ,常 使 得 k水 平 k垂 直 土 的 性 质 水 的 性 质 土 的 粒 度 成 分 孔 隙 比 土 的 饱 和 度 结 构 和 构 造 3.2 土 的 渗 透 性 n 水 的 动 力 粘 滞 系 数 : 温 度 , 水 粘 滞 性 , k 土 的 性 质 水 的 温 度 粒 径 大 小 及 级 配 孔 隙 比 土 的 饱 和 度 结 构 和 构 造 3.2 土 的 渗 透 性 四 、 层 状 地 基 的 等 效 渗 透 系 数确 立 各 层 的 ki根 据 渗 流 方 向 确 定 等 效 渗 透 系 数3.2 土 的 渗 透 性多 个 土 层 用 假 想 单 一 土 层 置 换 ,使 得 其 总 体 的 透 水 性 不 变 hH1H2H3 Hk1k2k3 xzq1xq3xq2x11 22 不 透 水 层等 效 渗 透 系 数 : iiiiix HkHHikiHk 11 kx n 已 知 条 件 : Lhiii ixx qq iHHqx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 达 西 定 律 :n 等 效 条 件 : 3.2 土 的 渗 透 性 iiz kHHk H1H2H3 Hhk1k2k3 xzv 承 压 水kzvvi ihh iHHvi = ki (hi / Hi )i iii kHvh zkvHh i iz kHvkvH iihhn 已 知 条 件 :n 达 西 定 律 :n 等 效 条 件 : v = kz (h / H )等 效 渗 透 系 数 :3.2 土 的 渗 透 性 n 算 例 说 明 daym100km01H daym1km01H daym010km01H 33 22 11 /,. /,. /.,. 按 层 厚 加 权 平 均 , 由 较 大 值 控 制层 厚 倒 数 加 权 平 均 , 由 较 小 值 控 制daym6733HHkk ii x /. daym030kHHk iiz /. H1H2H3 Hk1k2k3 xz3.2 土 的 渗 透 性 水 平 渗 流 情 形 垂 直 渗 流 情 形条 件已 知等 效推 定 Lhii ;HH;qqi ii .k.;H,H 121 iHkq x iix HkH1k ii21 21 HH;hh ;v.vv ;q.qq .k,k.;H,H 2121 Hhkikv zz iiz kHHk3.2 土 的 渗 透 性层 状 地 基 的 等 效 渗 透 系 数 小 结n 水 头 与 水 力 坡 降n 渗 透 试 验 与 达 西定 律n 渗 透 系 数 的 测 定及 影 响 因 素n 层 状 地 基 的 等 效渗 透 系 数 总 水 头 =位 置 水 头 +压 力 水 头 水 头 是 渗 流 的 驱 动 力 达 西 定 律 渗 透 系 数 、 渗 透 速 度 达 西 定 律 的 适 用 条 件 常 水 头 试 验 变 水 头 试 验 抽 水 试 验 渗 透 系 数 影 响 因 素 水 平 等 效 渗 透 系 数 垂 直 等 效 渗 透 系 数 3.2 土 的 渗 透 性 n h=0 静 水 中 , 土 骨架 会 受 到 浮 力 作 用 。n h0 水 在 流 动 时 ,水 流 受 到 来 自 土 骨 架 的阻 力 , 同 时 流 动 的 孔 隙水 对 土 骨 架 产 生 一 个 摩擦 、 拖 拽 力 。 h1hh2 00 hwL 土 样 滤 网贮 水 器 a b3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 一 、 渗 透 力 ( 动 水 力 ) 渗 透 力 -试 验 观 察 h1hh2 00 hwL 土 样 滤 网贮 水 器 a b土 粒渗 流渗 透 力 j: 体 积 力渗 透 力 j: 单 位 土 体 内 土 颗 粒 收 到 的 渗 流 作 用 力 , 又 称 动 水 力3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 Gw V w= LA w wP1 = whwAwP2 = wh1AwP1 + Gw + J = P2 j = j = wh/L= wi n 水 柱 整 体 受 力 分 析 -渗 流 h1hh2 00 hwL 土 样 滤 网贮 水 器 a b3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 GwJ whwAw+ LA w w + j LAw = wh1Aw J = j LAwj L = wh1- whw- L w 渗 透 力 的 性 质F物 理 意 义 : 单 位 土 体 内 土 颗 粒 收 到 的 渗流 作 用 力 , 它 是 一 种 体 积 力F大 小 : j = wiF方 向 : 与 水 力 梯 度 方 向 一 致F作 用 对 象 : 土 骨 架3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 当 h逐 渐 增 大 , 土 体 中 的 渗 流 力 也逐 渐 增 大 。 当 h增 大 到 某 一 数 值 ,向 上 的 渗 流 力 克 服 了 向 下 的 重 力 时 ,土 体 就 要 发 生 浮 起 或 受 到 破 坏 。 这种 现 象 叫 做 流 砂 或 者 流 土 现 象 。 这种 在 向 上 的 渗 流 力 作 用 下 , 粒 间 有效 应 力 为 零 , 土 开 始 发 生 流 砂 现 象时 的 水 力 梯 度 称 为 临 界 水 力 梯 度 icr:渗 透 力 -受 力 分 析n 临 界 水 力 梯 度 h1hh2 00 hwL 土 样 滤 网贮 水 器 a bi cr =/w 3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 ed ws 1 )1( icr取 决 于 土的 物 理 性 质 ndedi sscr 111 1由 于 V FGij w n 土 工 建 筑 物 及 地 基 由 于 渗 流 作 用 而 出 现 的 变 形 或破 坏 称 为 渗 透 变 形 或 渗 透 破 坏 。 渗 透 变 形 是 土 工建 筑 物 发 生 破 坏 的 常 见 类 型n 基 本 类 型 : 管 涌 流 土 渗 透 变 形 单 一 土 层 渗 透 变 形的 两 种 基 本 型 式3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 渗 透 变 形 - 流 土 ( 流 砂 )n 流 土 : 在 向 上 的 渗 透 作 用 下 , 表 层 局 部 范 围 内 的 土 体 或 颗粒 群 同 时 发 生 悬 浮 、 移 动 的 现 象 。 任 何 类 型 的 土 , 只 要 水力 坡 降 达 到 一 定 的 大 小 , 都 可 发 生 流 土 破 坏粘 性 土 k1k2砂 性 土 k2坝 体渗 流 crii edi scr 1 1F 原 因 : 3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 影 响 因 素 : 土 的 颗 粒 级 配 、 密 度 、 透 水 性 scrFiii Fs: 安 全 系 数 1.52.0 i : 允 许 坡 降F i icr :土 体 发 生 流 土 破 坏n 工 程 设 计 : 流 土 可 能 性 的 判 别n 在 自 下 而 上 的 渗 流 逸 出 处 , 任 何 土 , 包 括 粘 性 土 和无 粘 性 土 , 只 要 满 足 渗 透 坡 降 大 于 临 界 水 力 坡 降 这一 水 力 条 件 , 均 要 发 生 流 土 :3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 防 灾 科 技 学 院坝 体渗 透 变 形 管 涌F 原 因 内 因 : 有 足 够 多 的 粗 颗 粒 形 成 大 于 细 粒 直 径 的 孔 隙外 因 : 渗 透 力 足 够 大 n 管 涌 : 在 渗 流 作 用 下 , 一 定 级 配 的 无 粘 性 土 中 的 细 小 颗 粒 ,通 过 较 大 颗 粒 所 形 成 的 孔 隙 发 生 移 动 , 最 终 在 土 中 形 成 与地 表 贯 通 的 管 道 渗 流 过 程 演 示1. 在 渗 透 水 流 作 用 下 ,细 颗 粒 在 粗 颗 粒 形 成的 孔 隙 中 移 动 流 失2. 孔 隙 不 断 扩 大 , 渗 流速 度 不 断 增 加 , 较 粗颗 粒 也 相 继 被 水 带 走3. 形 成 贯 穿 的 渗 流 通 道 ,造 成 土 体 塌 陷3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 n土 是 否 会 发 生 管 涌 , 取 决 于 土 的 性 质 :粘 性 土 ( 分 散 性 土 例 外 ) 属 于 非 管 涌 土无 粘 性 土 中 发 生 管 涌 必 须 具 备 相 应 的 几何 条 件 和 水 力 条 件管 涌 可 能 性 的 判 别3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 几 何 条 件 水 力 条 件n 无 粘 性 土 管 涌 的 判 别F发 生 管 涌 的 必 要 条 件 : 粗 颗 粒 所 构 成 的 孔 隙 直 径 大 于 细 颗 粒 直 径3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 F 渗 透 力 能 够 带 动 细 颗 粒 在 孔 隙 间 滚 动 或 移 动 。 流 土 与 管 涌 的 比 较 流 土土 体 局 部 范 围 的 颗 粒 同 时发 生 移 动 管 涌只 发 生 在 水 流 渗 出 的 表 层只 要 渗 透 力 足 够 大 ,可 发 生 在 任 何 土 中破 坏 过 程 短导 致 下 游 坡 面 产 生 局 部 滑 动 等现 象位 置土 类历 时后 果 土 体 内 细 颗 粒 通 过 粗 粒 形 成的 孔 隙 通 道 移 动可 发 生 于 土 体 内 部 和 渗 流溢 出 处一 般 发 生 在 特 定 级 配 的无 粘 性 土 或 分 散 性 粘 土破 坏 过 程 相 对 较 长导 致 结 构 发 生 塌 陷 或 溃 口3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 透 水 层不 透 水 层防 渗 体 坝 体 浸 润 线渗 透 变 形 的 防 治 措 施 scrFiii F减 小 i: 上 游 延 长 渗 径 减 小 水 压 差F增 大 i: 下 游 增 加 透 水 材料 覆 盖 重 力 ; 土 层 加 固改 善 水 力 条 件 : 减 小 水 力 梯 度改 善 几 何 条 件 : 土 的 级 配 渗 流 溢 出 部 位 设 反滤 层 等n 防 治 流 土n 防 治 管 涌 3.3 渗 透 破 坏 与 控 制 工 程 实 例渗 流 问 题 土 的 渗 透 性及 渗 透 规 律渗 透 力 与渗 透 变 形 渗 流 中 的 水 头 与 水 力 坡 降渗 透 试 验 与 达 西 定 律渗 透 系 数 的 测 定 及 影 响 因 素层 状 地 基 的 等 效 渗 透 系 数渗 透 力 : 概 念 与 计 算渗 透 变 形 : 类 型 、 条 件 、 防 治本 章 小 结 scmAhkvAq A /1.010105051050 32 10353050 BCBBA hhkhkhk 解 ( 1) 设 渗 流 经 过 A土 后 的 水 头 降 落 值 为 h, 经 过 B土 后 的 水头 降 落 值 为 hB。 根 据 各 断 面 的 渗 流速 度 相 等 , 有 : VA=VB=VC 即 :CBA qqqq ( 2) h = 35cm50cm 30cm 10cm A B C 如 下 图 所 示 , 有 A、 B、 C三 种 土 , 其 渗 透 系 数 分 别 为 KA=1 10-2cm/s, KB=3 10-3 cm/s, KC=5 10-4 cm/s, 装 在 断 面为 10cm 10cm的 方 管 中 , 问 : ( 1) 渗 透 经 过 A土 后 的 水 头 降落 值 h为 多 少 ? ( 提 示 : A,B,C断 面 的 渗 流 速 度 相 等 ) ( 2) 若 要 保 持 上下 水 头 差 h=35cm,需 要 每 秒 加 多 少 水 ?cmh 5 例 题 2如 图 所 示 , 在 长 为 10cm、 面 积 8cm2的 圆 筒 内 装 满 砂 土 。 经 测 定 粉 砂 的ds=2.65, e=0.90, 筒 下 端 与 管 相 连 ,管 内 水 位 高 出 筒 5cm( 固 定 不 变 ) ,水 流 自 下 而 上 通 过 试 样 后 溢 流 出 去 。试 求 ( 1) 渗 流 力 的 大 小 , 判 别 是 否会 产 生 流 砂 现 象 ; ( 2) 临 界 水 力 梯度 值 。 土 样 10cm5cm解 ( 1) 3 /7.8109.01 165.21 1 mkNed ws 3/510510 mkNLhij ww 因 为 j , 所 以 不 会 发 生 流 砂 。(2) 87.0107.8 wcri 例 题 3某 土 石 坝 坝 基 表 层 土 的 平 均 渗 透 系 数 为 K1=10-5cm/s, 其 下 的 土 层渗 透 系 数 为 K2=10-3cm/s , 坝 下 游 各 段 的 孔 隙 率 如 表 所 列 , 设 计 抗渗 透 变 形 的 安 全 系 数 采 用 1.75, 请 指 出 下 列 ( ) 选 项 项 段 为 实 测水 力 坡 降 ( 水 力 梯 度 ) 大 于 容 许 渗 透 比 降 的 土 层 分 段 。地 基 土 层 分 段 表 层 土 相 对密 度 ds 表 层 土 的 孔 隙 率 n 实 测 水 力 坡 降 i 容 许 渗 透 比 降 2.7 0.524 0.42 2.7 0.535 0.43 2.72 0.524 0.41 2.7 0.545 0.48(2005年 注 册 岩 土 工 程 师 专 业 考 试 试 题 ) (A) 段 ; ( B) ; ( C) ; ( D) 解 : 计 算 段 的 临 界 水 力 坡 降 : 8092.0524.0117.211 ndi scr容 许 水 力 坡 降 : 42.046.075.1/8092.0/ Kii cr容 许地 基 土 层 分 段 表 层 土 相 对密 度 ds 表 层 土 的 孔 隙 率 n 实 测 水 力 坡 降 i 容 许 渗 透 比 降 2.7 0.524 0.42 2.7 0.535 0.43 2.72 0.524 0.41 2.7 0.545 0.48 防 灾 科 技 学 院 计 算 段 的 临 界 水 力 坡 降 : 7905.0535.0117.211 ndi scr容 许 水 力 坡 降 : 43.04517.075.1/7905.0/ Kii cr容 许地 基 土 层 分 段 表 层 土 相对 密 度 ds 表 层 土 的 孔 隙 率 n 实 测 水 力 坡 降 i 容 许 渗 透 比 降 2.7 0.524 0.42 2.7 0.535 0.43 2.72 0.524 0.41 2.7 0.545 0.48 防 灾 科 技 学 院 计 算 段 的 临 界 水 力 坡 降 : 8187.0524.01172.211 ndi scr容 许 水 力 坡 降 : 41.04678.075.1/8187.0/ Kii cr容 许地 基 土 层 分 段 表 层 土 相对 密 度 ds 表 层 土 的 孔 隙 率 n 实 测 水 力 坡 降 i 容 许 渗 透 比 降 2.7 0.524 0.42 2.7 0.535 0.43 2.72 0.524 0.41 2.7 0.545 0.48 防 灾 科 技 学 院计 算 段 的 临 界 水 力 坡 降 : 7335.0545.0117.211 ndi scr容 许 水 力 坡 降 : 48.044.075.1/7335.0/ Kii cr容 许答 案 : ( D) 正 确 地 基 土 层 分 段 表 层 土 相 对密 度 ds 表 层 土 的 孔 隙 率 n 实 测 水 力 坡 降 i 容 许 渗 透 比 降 2.7 0.524 0.42 2.7 0.535 0.43 2.72 0.524 0.41 2.7 0.545 0.48
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