CN103215974A - 基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法。本发明的目的是提供一种基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，实时获取基桩的桩身挠度，监测基桩稳定性。本发明的技术方案是：基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于步骤如下：a、在基桩的边缘处设置一组与其轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置的传感光缆；b、采用布里渊解调技术实时量测基桩在水平荷载作用下各截面的压缩应变和拉伸应变；c、利用以下公式计算出基桩各截面的挠度，

。本发明适用于钢管桩、钢筋混凝土预制桩及钢筋混凝土钻孔灌注桩等基桩的桩身挠度量测。

Description

基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法

技术领域

本发明涉及一种基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，主要适用于钢管桩、钢筋混凝土预制桩及钢筋混凝土钻孔灌注桩等基桩的桩身挠度量测。

背景技术

基桩是工程建设中常用的地基处理方法，它不仅仅承担竖向荷载，且往往承担水平荷载，如基坑工程的支护桩、挡墙下的基桩、高耸结构下的基桩、港口码头工程的基桩、风力发电塔下的基桩、海洋平台下的基桩等等。在工程设计时，一般需通过水平静载荷试验量测桩顶水平位移，确定基桩水平承载力，计算岩土体水平弹性抗力系数；有时也埋设一些点式传感器（如钢筋应力计）量测桩身的应力变化，了解基桩受力情况。但在工程运行期，很少对基桩的挠度等性状进行监测，因此，基桩的实际受力状况是一个未知数。

随着光纤传感解调技术（布里渊解调技术BOTDA/BODTR）的不断发展，一根传感光缆既能感应应变又能传输信号，形成分布式应变传感器。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，具有耐久性好、无零点漂移、不带电工作、抗电磁干扰、传输带宽大等突出优点，可以实现对待测参数的连续分布式，目前在土木、水利、电力、交通、石化、海洋等领域推广运用，但基于分布式光纤传感技术量测基桩挠度的方法与系统尚未见到。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，实时获取基桩的桩身挠度，监测基桩稳定性。

本发明所采用的技术方案是：基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于步骤如下：

a、在基桩的边缘处设置一组与其轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置的传感光缆；

b、采用布里渊解调技术实时量测基桩在水平荷载作用下各截面的压缩应变和拉伸应变；

c、利用以下公式计算出基桩各截面的挠度，

$f_i=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{{\left({\mathrm{\Δx}}_i\right)}^2}{R}\left({\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}}\right)\right]$

式中，Δx_i为沿基桩长度上下两测量截面的间距，R为某截面上对称两应变测点距离的一半，△ε_Di为某一截面上对称两点的应变差。

对于打入桩，传感光缆的埋设步骤如下，

a1、在基桩上设置一组与其轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置的预埋钢管，各预埋钢管的两端均伸出每节基桩两端；

a2、进行基桩打入施工，施工过程中，在位于最底端的预埋钢管底部，以及位于最顶端的预埋钢管顶部分别设置底盖和顶盖；

a3、将传感光缆从中部折弯180度，并将该折弯部固定于金属支架上使其平滑过渡；

a4、待打桩休止期过后，将传感光缆及一根注浆软管一同放入预埋钢管内，直到传感光缆的折弯部伸至预埋钢管底部；

a5、通过注浆软管向预埋钢管内注浆，直至管口出浆，待管内浆液凝固后即完成传感光缆的埋设。

基桩打入施工过程中需要接桩时，将两节基桩上的各预埋钢管一一对齐，然后将对应的两根预埋钢管端部密封连接。

所述基桩为钢管桩，所述预埋钢管通过焊接的方式固定于该钢管桩的外壁或内壁上。

所述基桩为钢筋混凝土预制桩，在制作钢筋混凝土预制桩的钢筋笼时，将预埋钢管绑扎在钢筋笼上，然后进行预制桩的施工，将预埋钢管预先埋设于钢筋混凝土预制桩内。

对于灌注桩，传感光缆的埋设步骤如下，

a11、在制作灌注桩的钢筋笼时，将预埋钢管绑扎在钢筋笼上，各预埋钢管的两端均伸出每节钢筋笼的两端；

a12、进行灌注桩的混凝土浇筑施工，控制各预埋钢管与该灌注桩轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置；施工过程中保证无异物进入预埋钢管内；

a13、将传感光缆从中部折弯180度，并将该折弯部固定于金属支架上使其平滑过渡；

a14、待灌注桩养护期过后，将传感光缆及一根注浆软管一同放入预埋钢管内，直到传感光缆的折弯部伸至预埋钢管底部；

a15、通过注浆软管向预埋钢管内注浆，直至管口出浆，待管内浆液凝固后即完成传感光缆的埋设。

灌注桩施工过程中需要接桩时，将两节钢筋笼上的各预埋钢管一一对齐，然后将对应的两根预埋钢管端部密封连接，并将两节钢筋笼焊接连成一体，再进行混凝土浇筑。

所述传感光缆的折弯部呈水滴状；所述传感光缆上固定有一根钢丝绳，该钢丝绳末端悬挂有一直径小于预埋钢管内径的吊重。

所述传感光缆折弯时、与钢丝绳固定时、放入预埋钢管过程中及注浆前后，均进行传感光缆的通光性检测。

所述预埋钢管的外径为50-110mm；所述传感光缆为采用单根单模光纤制作的紧固光缆，其长度大于整个基桩桩长的两倍。

本发明的有益效果是：1、在基桩的边缘处设置一组与其轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置的传感光缆，并采用布里渊解调技术实时量测基桩在水平荷载作用下各截面的压缩应变和拉伸应变，从而计算出基桩的桩身挠度，实现了对基桩稳定性的实时监测，确保了工程的安全。2、基桩打入施工完成后再埋设传感光缆，从而降低甚至是避免了传感光缆在基桩施工过程中被损坏的可能性，提高了光纤应变传感器的成活率。3、埋设传感光缆时，利用吊重保证光缆的顺直，注浆时施加一定压力使浆液自底部慢慢往上翻浆，直至管口出浆，以保证注浆的均匀和饱满，从而提高了分布式传感光缆测量的准确度和精度。

附图说明

图1是本发明量测系统的结构示意图。

图2是本发明中钢管桩的传感光缆布置结构示意图。

图3是本发明中传感光缆埋设工艺示意图。

图4是本发明中钢筋混凝土预制管桩的传感光缆布置结构示意图。

图5是本发明中钢筋混凝土预制方桩的传感光缆布置结构示意图。

图6是本发明中圆形钢筋混凝土钻孔灌注桩的传感光缆布置结构示意图。

具体实施方式

本实施例量测步骤如下：

a、在基桩的边缘处设置一组与其轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置的传感光缆2；同时利用传输光缆将传感光缆2与外部布里渊解调仪9连接，该布里渊解调仪另一端通过信号线连接数据分析计算机10，如图1所示。

b、采用布里渊解调技术实时量测基桩在水平荷载作用下各截面的压缩应变和拉伸应变。

c、利用以下公式计算出基桩各截面的挠度，

$f_i=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{{\left({\mathrm{\Δx}}_i\right)}^2}{R}\left({\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}}\right)\right]$

式中，Δx_i为沿基桩长度上下两测量截面的间距，R为某截面上对称两应变测点距离的一半，Δε_Di为某一截面上对称两点的应变差。

其计算原理如下：

布里渊解调技术（BOTDR/BOTDA）是在光导纤维及光纤通信技术的基础上发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术。它的工作原理是分别从光纤两端注入脉冲光和连续光，制造布里渊放大效应（受激布里渊），根据光信号布里渊频移与光纤温度和轴向应变之间的线性变化关系，如式（1）。

Δv_B＝C_vt·Δt+C_ve·Δε    （1）

式（1）中Δv_B为布里渊频移量；C_vt为布里渊频移温度系数；C_ve为布里渊频移应变系数；Δt为温度变化量；Δε为应变变化量。

在基桩某一截面上，温度是相同的，则一组对称布置的分布式光缆在某一截面上量测到的应变差Δε_Di可按式（2）计算。

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}}=\frac{1}{C_{\mathrm{ve}}}{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{Di}}=\frac{1}{C_{\mathrm{ve}}}({\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{Di},1}-{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{Di},2})---\left(2\right)$

式（2）中Δε_Di为某一截面上对称两点的应变差；Δv_Di为某一截面上对称两点的布里渊频移量差。

若不计剪力对基桩挠度的影响，则由材料力学理论可得：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dx}}\≈\frac{\mathrm{\Δf}}{\mathrm{\Δx}}---\left(3\right)$

$M=-\mathrm{EI}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dx}}\≈-\mathrm{EI}\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δx}}---\left(4\right)$

$Q=\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dx}}\≈\frac{\mathrm{\ΔM}}{\mathrm{\Δx}}---\left(5\right)$

式（3）～式（5）中，f为挠度；θ为转角；E为弹性模量；I为截面惯性矩；M为弯矩；Q为剪力。

基桩某截面转角θi与该截面上对称两点的应变差Δε_Di的关系为

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{{\mathrm{\Δx}}_i}{R}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}}---\left(6\right)$

式（6）中，Δx_i为沿基桩长度上下两测量截面的间距；R为某截面上对称两应变测点距离的一半。

结合式（3）和式（6），假设基桩底部的挠度为零，则达到基桩某截面挠度f_i为

$f_i=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\θ}}_i\×{\mathrm{\Δx}}_i)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{{\left({\mathrm{\Δx}}_i\right)}^2}{R}\left({\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}}\right)\right]---\left(7\right)$

结合式（4）和式（6），则达到基桩某截面弯矩M_i为

$M_i=\underset{i=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(-E_i{I}_i\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_i}{{\mathrm{\Δx}}_i})=\underset{i=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\{-\frac{1}{R}[\frac{E_i{I}_i}{{\mathrm{\Δx}}_i}({\mathrm{\Δx}}_i{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}}-{\mathrm{\Δx}}_{i-1}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}-1})\left]\right\}---\left(8\right)$

结合式（5）和式（8），则达到基桩某截面剪力Q_i为

$Q_i=\underset{i=3}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{{\mathrm{\ΔM}}_i}{{\mathrm{\Δx}}_i}\right)=\underset{i=3}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\{-\frac{1}{{\mathrm{R\Δx}}_i}[\frac{E_i{I}_i}{{\mathrm{\Δx}}_i}({\mathrm{\Δx}}_i{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}}-{\mathrm{\Δx}}_{i-1}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}-1})-\frac{E_{i-1}{I}_{i-1}}{{\mathrm{\Δx}}_{i-1}}({\mathrm{\Δx}}_{i-1}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}-1}-{\mathrm{\Δx}}_{i-2}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}-2})\left]\right\}$ （9）

根据式（2）、式（7）、式（8）和式（9），利用实测的布里渊频移量Δv_BD就可计算出基桩各截面的挠度、弯矩和剪力及其分布，也可根据相关规范，确定基桩水平承载力，反演岩土体弹性抗力系数等。

如图2所示，当基桩为钢管桩6时，传感光缆2的埋设工艺如下：

a1、在钢管桩6的外壁或内壁上焊接一组与其轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置的预埋钢管1，并保证各预埋钢管1的两端均伸出每节钢管桩6两端；本例中预埋钢管1的外径为50-110mm。

a2、进行钢管桩6打入施工，施工过程中，在位于最底端的预埋钢管1底部设置底盖，以防止施工过程中有泥土进入预埋钢管1内；若施工过程中需要接桩，将两节钢管桩6上的各预埋钢管1一一对齐，然后采用焊接或螺纹连接的方式将对应的两根预埋钢管1端部密封连接，以防止钢管桩6施工过程中有泥土进入预埋钢管1内；在位于最顶端的预埋钢管1顶部设置顶盖，以防止异物进入预埋钢管1内而影响传感光缆2的埋设。

a3、将传感光缆2（采用单根单模光纤制作的紧固光缆，其长度大于整个钢管桩桩长的两倍）从中部折弯180度，并将该折弯部固定于呈水滴形的金属支架上使其平滑过渡，即传感光缆2的折弯部也呈水滴形，如图3所示。

a4、待打桩休止期过后，将传感光缆2固定于一根钢丝绳4上，为保证传感光缆2顺直和便于下沉，在钢丝绳4末端（对应于传感光缆的折弯部一端）悬挂一个直径小于预埋钢管1内径的圆柱形金属吊重5；下沉时，拿掉顶盖，用手拉住传感光缆2或钢丝绳4，慢慢将传感光缆2放入预埋钢管1内，直到传感光缆2的折弯部伸至预埋钢管1底部，下沉过程中保证传感光缆2的竖直度；同时放入一根注浆软管3。实际操作时，也可直接将固定有金属支架的传感光缆2放入预埋钢管1内，而不采用钢丝绳4，此时吊重5悬挂于金属支架上。

a5、通过注浆软管3向预埋钢管1内注浆（水泥浆液或化学浆液），为保证预埋钢管1内灌浆均匀和饱满，需施加一定的压力使浆液自底部慢慢往上翻浆，直至管口出浆，待预埋钢管1内浆液凝固后即完成传感光缆2的埋设。

由于各传感光缆2以钢管桩6轴线为中心线对称布置，在竖向荷载作用下，可量测到不同深度和同一深度截面不同部位的压缩或拉伸应变变化，从而分析基桩桩身的质量（如打入桩有无局部损伤、灌注桩有无离析或夹泥等缺陷）；也可利用量测到的应变，计算桩身应力、桩侧阻力、桩端阻力、桩身压缩或拉伸变形等。在水平荷载作用下，对称布置的两根传感光缆2中，其中一根可量测到不同深度的压缩应变，另一根可量测到不同深度的拉伸应变，可利用这些应变值计算桩身挠度、桩身弯矩、桩身剪力及其分布，也可以确定基桩水平承载能力和计算水平弹性抗力系数等参数。

为确保传感光缆2埋设的有效性，在传感光缆2折弯时、与钢丝绳4固定时、放入预埋钢管1的过程中及预埋钢管1注浆前后，均需要利用ODTR（OpticalTime Domain Reflectometer，光时域反射仪）、BOTDR（布里渊光时域反射计）或BOTDA（布里渊光时域分析）进行传感光缆2的通光性检测。

如图4和图5所示，当基桩为钢筋混凝土预制桩7（管桩或方桩）时，传感光缆2的埋设工艺如下：

a21、在制作钢筋混凝土预制桩7的钢筋笼时，将预埋钢管1绑扎在钢筋笼上，然后按照常规方法进行钢筋混凝土预制桩7的施工，从而将预埋钢管1预先埋设于钢筋混凝土预制桩7内；同时，保证各预埋钢管1的两端均伸出每节钢筋混凝土预制桩7的两端，且各预埋钢管1均与钢筋混凝土预制桩7轴线平行，并以该轴线为中心线对称布置。

a22、进行钢筋混凝土预制桩7的打入施工，施工过程中，在位于最底端的预埋钢管1底部设置底盖，以防止施工过程中有泥土进入预埋钢管1内；若施工过程中需要接桩，将两节钢筋混凝土预制桩7上的各预埋钢管1一一对齐，然后采用焊接、螺纹连接或内套钢管等方式将对应的两根预埋钢管1端部密封连接，以防止钢筋混凝土预制桩7施工过程中有泥土进入预埋钢管1内；在位于最顶端的预埋钢管1顶部设置顶盖，以防止异物进入预埋钢管1内而影响传感光缆的埋设。

余下步骤与实施例1相同。

如图6所示，当基桩为钢筋混凝土钻孔灌注桩8时，传感光缆2的埋设工艺如下：

a31、在制作钢筋混凝土钻孔灌注桩8的钢筋笼时，将预埋钢管1绑扎在钢筋笼上，并保证各预埋钢管1的两端均伸出每节钢筋笼的两端。

a32、按照常规方法进行钢筋混凝土钻孔灌注桩8的混凝土浇筑施工，使得各预埋钢管1与该灌注桩轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置；施工过程中采用封盖对预埋钢管1进行保护，以防止异物进入预埋钢管1内而影响传感光缆的埋设；若施工过程中需要接桩，先将两节钢筋笼上的各预埋钢管1一一对齐，然后采用焊接或螺纹连接的方式将对应的两根预埋钢管1端部密封连接（以防止混凝土浇筑施工时水泥见等进入预埋钢管内），并将两节钢筋笼焊接连成一体，再进行混凝土浇筑。

a33、将传感光缆2（采用单根单模光纤制作的紧固光缆，其长度大于整个钢筋混凝土钻孔灌注桩桩长的两倍）从中部折弯180度，并将该折弯部固定于呈水滴形的金属支架上使其平滑过渡，即传感光缆2的折弯部也呈水滴形，如图2所示。

a34、待灌注桩养护期过后，按照实施例1的方式进行传感光缆2的埋设。

a35、通过注浆软管3向预埋钢管1内注浆（水泥浆液或化学浆液），为保证预埋钢管1内灌浆均匀和饱满，需施加一定的压力使浆液自底部慢慢往上翻浆，直至管口出浆，待预埋钢管1内浆液凝固后即完成传感光缆2的埋设。

本发明可应用于钢管桩、H型钢桩、钢筋混凝土钻孔灌注桩、PHC管桩及钢筋混凝土预制方桩等圆形、方形或异形桩的检测和监测。

本发明的量测方法与系统，若利用先进的BOTDA设备测得基桩的动应变，也可用于基桩的动力响应参数的计算和分析。

Claims (10)

1.一种基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于步骤如下：

a、在基桩的边缘处设置一组与其轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置的传感光缆（2）；

b、采用布里渊解调技术实时量测基桩在水平荷载作用下各截面的压缩应变和拉伸应变；

c、利用以下公式计算出基桩各截面的挠度，

$f_i=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{{\left({\mathrm{\Δx}}_i\right)}^2}{R}\left({\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{Di}}\right)\right]$

式中，Δx_i为沿基桩长度上下两测量截面的间距，R为某截面上对称两应变测点距离的一半，Δε_Di为某一截面上对称两点的应变差。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于：对于打入桩，传感光缆（2）的埋设步骤如下，

a1、在基桩上设置一组与其轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置的预埋钢管（1），各预埋钢管（1）的两端均伸出每节基桩两端；

a2、进行基桩打入施工，施工过程中，在位于最底端的预埋钢管（1）底部，以及位于最顶端的预埋钢管（1）顶部分别设置底盖和顶盖；

a3、将传感光缆（2）从中部折弯180度，并将该折弯部固定于金属支架上使其平滑过渡；

a4、待打桩休止期过后，将传感光缆（2）及一根注浆软管（3）一同放入预埋钢管（1）内，直到传感光缆（2）的折弯部伸至预埋钢管（1）底部；

a5、通过注浆软管（3）向预埋钢管（1）内注浆，直至管口出浆，待管内浆液凝固后即完成传感光缆（2）的埋设。

3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于：基桩打入施工过程中需要接桩时，将两节基桩上的各预埋钢管（1）一一对齐，然后将对应的两根预埋钢管（1）端部密封连接。

4.根据权利要求2或3所述的基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于：所述基桩为钢管桩，所述预埋钢管（1）通过焊接的方式固定于该钢管桩的外壁或内壁上。

5.根据权利要求2或3所述的基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于：所述基桩为钢筋混凝土预制桩，在制作钢筋混凝土预制桩的钢筋笼时，将预埋钢管（1）绑扎在钢筋笼上，然后进行预制桩的施工，将预埋钢管（1）预先埋设于钢筋混凝土预制桩内。

6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于：对于灌注桩，传感光缆（2）的埋设步骤如下，

a11、在制作灌注桩的钢筋笼时，将预埋钢管（1）绑扎在钢筋笼上，各预埋钢管（1）的两端均伸出每节钢筋笼的两端；

a12、进行灌注桩的混凝土浇筑施工，控制各预埋钢管（1）与该灌注桩轴线平行、并以该轴线为中心线对称布置；施工过程中保证无异物进入预埋钢管（1）内；

a13、将传感光缆（2）从中部折弯180度，并将该折弯部固定于金属支架上使其平滑过渡；

a14、待灌注桩养护期过后，将传感光缆（2）及一根注浆软管（3）一同放入预埋钢管（1）内，直到传感光缆（2）的折弯部伸至预埋钢管（1）底部；

a15、通过注浆软管（3）向预埋钢管（1）内注浆，直至管口出浆，待管内浆液凝固后即完成传感光缆（2）的埋设。

7.根据权利要求6所述的基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于：灌注桩施工过程中需要接桩时，将两节钢筋笼上的各预埋钢管（1）一一对齐，然后将对应的两根预埋钢管（1）端部密封连接，并将两节钢筋笼焊接连成一体，再进行混凝土浇筑。

8.根据权利要求2或6所述的基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于：所述传感光缆（2）的折弯部呈水滴状；所述传感光缆（2）上固定有一根钢丝绳（4），该钢丝绳末端悬挂有一直径小于预埋钢管（1）内径的吊重（5）。

9.根据权利要求2或6所述的基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于：所述传感光缆（2）折弯时、与钢丝绳（4）固定时、放入预埋钢管（1）过程中及注浆前后，均进行传感光缆（2）的通光性检测。

10.根据权利要求2或6所述的基于分布式光纤传感技术的基桩挠度量测方法，其特征在于：所述预埋钢管（1）的外径为50-110mm；所述传感光缆（2）为采用单根单模光纤制作的紧固光缆，其长度大于整个基桩桩长的两倍。

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