CN112082933A - 循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,本发明根据GDS动三轴试验结果整理得到轴向应变‑‑循环次数图、超静孔隙水压力‑‑循环次数图、偏应力‑‑轴向应变图、偏应力‑‑平均有效应力图,用以描述不同循环动力荷载条件下土体的典型破坏形态,并与不同滨海水下软土斜坡的滑坡类型一一对应起来,实现了通过室内土工试验方法确定循环动力荷载引起的滨海水下软土斜坡滑坡类型;本发明通过土体破坏特征可预判动力循环荷载条件下滨海水下软土斜坡的滑坡类型,增加了通过在涉及滨海水下软土斜坡的各类工程的设计和施工阶段预先采取有效措施预防和减少动力循环荷载引起的滨海水下软土斜坡滑坡危害的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及滨海水下软土斜坡滑坡类型判定领域,尤其涉及一种循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法。
背景技术
随着我国交通工程建设的不断发展,涌现出了滨海公路/高速公路、滨海水上景观平台、跨海大桥及其他各类滨海护坡工程等。此类工程常常会涉及到滨海水下软土斜坡的稳定性和安全性,特别是如何减少和避免各类循环动力荷载(如桩基施工中的打桩振动荷载、滨海水下软土斜坡周边的交通循环荷载、地震循环动力荷载)条件下滨海水下软土斜坡滑坡危害,一直是工程界关注的焦点和研究的热点之一。
目前,常见的滑坡分类主要是根据滑坡体组构(如:滑坡体的物质组成、结构型式、形态)、滑坡体规模(如:滑坡体的体积、厚度)、滑坡体动力成因、滑坡体变形运动特征(如:变形机制、运移方式或运动形式、滑动速度)、滑坡体发育时程(滑动年代和发育阶段)、滑坡体稳定程度等开展的(参考文献:刘广润,晏鄂川,练操.论滑坡分类[J].工程地质学报,2002(04):339-342.)。值得注意的是,上述常见的滑坡分类多为滑坡发生后基于滑坡体的特征来确认的,而已有的滑坡分类理论尚无法在滨海水下软土斜坡滑坡灾害发生前对滨海水下软土斜坡的滑坡类型进行预判。
此外,针对滨海水下软土斜坡而言,此类边坡滑坡的产生通常与土体的受力破坏紧密相关,但目前仍缺乏与土体破坏机理相关的滨海水下软土斜坡滑坡分类理论和判别方法。事实上,如果能在涉及滨海水下软土斜坡的各类工程的设计阶段和施工阶段,准确地预判其在地震灾害中的滑坡类型,从而根据滨海水下软土斜坡的滑坡类型采取相应的有效措施以预防和减少地震引起的滨海水下软土斜坡滑坡对其周边工程的危害。
因此,如何建立土体破坏形态与滨海水下软土斜坡滑坡类型的科学联系,通过试验方法确定循环动力荷载条件下土体的破坏特征,进而对循坏动力荷载引起的滨海水下软土斜坡滑坡类型进行预判是亟需解决的关键问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明提供了一种循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法。
本发明的目的是提供以下技术方案来实现的:一种循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,该方法包括以下步骤:
(1)针对待调研滑坡类型的滨海水下斜坡,采用钻孔取土器现场取土,保持钻孔取土器竖直向下;将取土器得到的土样切削至GDS动三轴试验标准试样,保证试样底面和顶面平整;将橡皮膜套在GDS动三轴试样底座的试样安装底帽上,并用橡胶圈固定,其后,将试样置于GDS动三轴试样安装底帽上,确保试样的中轴线通过GDS动三轴试样安装底帽的圆心;将橡皮膜套住试样后,把试样顶帽水平地安装在试样顶部,将橡皮膜套紧试样顶帽后,用橡胶圈固定,完成试样的安装步骤;
(2)将无气水预饱和配件与试样底部连通阀门连接,将注水后的负压预饱和配件的底部与试样顶部连通阀门连接,将负压预饱和配件的顶部与真空泵连接;向无气水预饱和配件内注入充足的无气水后,缓慢打开试样底部连通阀门,在稳定负压作用下,无气水预饱和配件内的无气水将持续缓慢地注入试样中,同时负压预饱和配件内将会有气泡均匀缓慢地冒出;待负压预饱和配件内气泡完全消失后,再继续注无气水30min,然后同时关闭试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门,再关闭真空泵,完成试样的预饱和步骤;
(3)将GDS动三轴的围压压力罩密封地安装在GDS动三轴试样底座上,向围压压力罩内注满无气水;将GDS动三轴试样底座上围压连通阀门与围压控制器连接,将试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门连接同一反压控制器;根据滨海水下软土斜坡设计填筑密度条件下边坡土样的渗透特性,在GDS控制系统中设定试样的反压和围压加载程序,试样饱和过程中反压和围压的加载速率相同,且围压始终比反压大10kPa;打开试样底部连通阀门、试样顶部连通阀门和围压连通阀门,通过GDS控制系统自动调控围压控制器和反压控制器,按设定的反压和围压加载程序给试样施加围压和反压,直至达到饱和围压P0和饱和反压u0;试样在饱和围压和饱和反压条件下保持一段时间,当GDS控制系统测得试样的孔隙水压力系数B≥0.98时,完成试样的反压饱和步骤;关闭试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门,至此,试样的饱和完成;
(4)根据滨海水下软土斜坡所处的水文地质条件和试验土样埋深条件确定的试样的轴压Pz、围压Pw和孔隙水压力us,据此将获得试样的有效应力,包括有效轴压σz’=Pz-us和有效围压σw’=Pw-us;设置反压控制器,使其在试样固结过程中始终保持反压值为饱和反压u0值不变,打开试样顶部连通阀门;根据有效应力控制的原则,在饱和围压P0和饱和反压u0的基础上,按设定的轴压和围压加载程序给试样施加轴压和围压,采集记录试样的轴向变形和体积变化,直至达到固结轴压和固结围压;试样在固结轴压和固结围压条件下保持一段时间,采集记录试样的轴向变形和体积变化,实现试样在初始剪应力状态下完成固结;
(5)根据滨海水下软土斜坡试验土样的初始剪应力τs和循环动力荷载的作用规律,通过设定动力加载程序给试样施加循环动力荷载,由GDS动三轴的数据采集装置自动记录和保存试样的轴向变形、体积变形、轴压、围压和孔隙水压力变化的数据;所述循环动力荷载包括桩基施工中的打桩振动荷载、滨海水下软土斜坡周边的交通循环荷载、地震循环动力荷载等;
(6)根据采集到的试验数据,进行试验结果分析,以此确定循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡的滑坡类型,具体判断方法如下:
根据循环动力荷载条件下试样的轴向变形、轴压、围压和孔隙水压力的数据,依次整理出以下四个图:(a)轴向应变--循环次数图;(b)超静孔隙水压力--循环次数图;(c)偏应力--轴向应变图;(d)偏应力--平均有效应力图;
所述轴向应变为轴向变形与试样初始高度的比值;所述超静孔隙水压力为循环动力荷载条件下试样的孔隙水压力u与饱和反压u0的差值;所述偏应力等于轴压与围压的差值;所述平均有效应力为有效轴压与2倍有效围压之和的1/3;所述有效轴压为轴压与饱和反压u0的差值;所述有效围压为围压与饱和反压u0的差值;
其后,根据四个图的特征判断滨海水下软土斜坡的滑坡类型:
①试样土体破坏形式是典型的流动液化,其主要表现为试样土体的破坏发生突然并无显著征兆,且破坏发展极其迅速,即破坏触发后短时间内土体发生剧烈变形直至坍塌;该破坏形式对应的滑坡类型为突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡;所述突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡土体破坏的具体特征为:
根据轴向应变--循环次数图,在循环动力荷载作用下,试样土体流动液化破坏发生前轴向应变不明显,土体流动液化破坏是无征兆突然发生的;
根据超静孔隙水压力--循环次数图,在循环动力荷载作用下,超静孔隙水压力震荡,且超静孔隙水压力震荡的幅值基本保持不变,超静孔隙水压力最大值远不及有效围压值时土体突然发生流动液化破坏;
根据偏应力--轴向应变图,在循环动力荷载作用下,轴向应变基本上保持不变,偏应力上下震荡后,土体无征兆地发生流动液化破坏;
根据偏应力--平均有效应力图,在循环动力荷载作用下,平均有效应力随着上下震荡的偏应力不断震荡减小,但在平均有效应力远未达到零值时,土体突然发生流动液化破坏;
②试样土体循环液化破坏是在循环动力荷载下土体强度软化后发生的,对应的滑坡类型为渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡;所述渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡土体破坏的具体特征为:
根据轴向应变--循环次数图,在循环动力荷载作用的初始数个周期内,轴向应变上下震荡不明显;经过数个循环动力荷的周期作用后,试样的轴向应变随着动力荷载循环次数上下震荡,且震荡幅值不断增大,直至试样的土体发生循环液化破坏;
根据超静孔隙水压力--循环次数图,在循环动力荷载作用下,超静孔压震荡增加,当超静孔隙水压力的最大值达到或接近有效围压值后,土体发生循环液化破坏;在土体发生循环液化破坏前的几个循环周期内,超静孔隙水压力震荡的幅值发生突变;
根据偏应力--轴向应变图,在循环动力荷载作用初始阶段,轴向应变基本保持不变,偏应力上下震荡;经过数个循环动力荷的周期作用后,试样的轴向应变随着上下震荡的偏应力而震荡,直至试样的土体发生循环液化破坏;
根据偏应力--平均有效应力图,在循环动力荷载作用下,平均有效应力随着上下震荡的偏应力不断减小;当平均有效应力的震荡最小值接近甚至达到零值后,土体发生循环液化破坏。
进一步地,所述步骤(1)中,所述GDS动三轴试验标准试样呈圆柱体,其底面直径与GDS动三轴试样安装底帽的直径一致,高度满足GDS动三轴装置对试样高度的要求;所述GDS动三轴试验标准试样为弱透水性土时,应在圆柱体试样的侧面等间距地均匀粘贴网格式布置的条状滤纸。
进一步地,所述步骤(1)中,所述钻孔取土器采集到的滨海水下软土斜坡试样为溃散不成型的状态时,可采用重塑土试样制样方式进行适用于GDS动三轴装置的滨海水下软土斜坡土体的重塑土试样的制备,制备步骤为:
首先将橡皮膜套在GDS动三轴试样底座的试样安装底帽上,并用橡胶圈固定,其后,将GDS动三轴试样制备的辅助工具双瓣模紧密连接后固定在GDS动三轴试样安装底帽上,确保双瓣模夹紧试样安装底帽上的橡皮膜,再将橡皮膜平整地紧贴在双瓣模内壁上;根据滨海水下软土斜坡土体的密度和GDS动三轴试样体积,称取相应质量的烘干的滨海水下软土斜坡土体,通过分层填筑的方法,均匀地浇筑试样土体;待试样浇筑完毕后,将试样顶帽水平地安装在试样顶部;将橡皮膜套紧试样顶帽后,用橡胶圈固定;将二氧化碳气罐与GDS动三轴试样底座上的试样底部连通阀门连接,将注水后的负压预饱和配件的底部与试样顶部连通阀门连接,将负压预饱和配件的顶部与真空泵连接;关闭GDS动三轴试样底座上的试样底部连通阀门,依次缓慢打开真空泵和试样顶部连通阀门,真空泵负压保持在-20kPa;试样在稳定负压条件下保持直立后,拆除双瓣模,完成试样的初步制备步骤;
待双瓣模拆除后,将真空泵负压继续保持在-20kPa;打开试样底部连通阀门,调节二氧化碳气罐的阀门,使得负压预饱和配件内的气泡均匀缓慢冒出;持续缓慢地向试样内通二氧化碳气体30min后,关闭试样底部连通阀门和二氧化碳气罐的阀门,之后执行步骤(2)操作。
进一步地,所述步骤(2)中,所述负压预饱和配件应保证其气密性;所述无气水预饱和配件中的无气水可在试样通无气水过程中根据需要补给。
进一步地,所述步骤(3)中,所述试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门与同一反压控制器的连接通过三通阀实现;
所述反压和围压加载程序中设定的反压和围压的加载速率可通过反压加载预实验来实现;所述反压加载预实验的步骤如下:①将围压连通阀门与围压控制器连接,将试样顶部连通阀门与反压控制器连接,关闭试样底部连通阀门,打开GDS控制系统,通过GDS控制系统实时读取试样底部孔隙水压力传感器的数据;②先通过围压控制器将试样围压缓慢匀速地增加至20kPa,再通过反压控制器和试样顶部连通阀门向试样顶部施加10kPa的反压,与此同时,观测采集到的试样底部孔隙水压力数据;③记录试样底部孔隙水压力值从0kPa增加到10kPa的时间间隔T(s),则可确定反压和围压的加载速率为10/T(kPa/s);
所述饱和围压P0和饱和反压u0分别为310kPa和300kPa;所述饱和围压、饱和反压,以及饱和围压和饱和反压的施加时间的设定,应保证试样的孔隙水压力系数B能达到试样饱和的要求,即孔隙水压力系数B≥0.98。
进一步地,所述步骤(4)中,当试样土体的渗透系数小于10-6cm/s时,应同时打开试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门;
所述有效应力控制的原则是指试样固结完成后的有效应力与试样所处滨海水下软土斜坡场地的有效应力一致;
所述轴压和围压加载程序中设定的轴压和围压的加载速率与试样反压饱和过程中采用的反压和围压的加载速率一致;
所述固结轴压的值为u0+σz’;所述固结围压的值为u0+σw’;
所述试样在初始剪应力状态下完成固结的判断标准为:在固结轴压和固结围压条件下,1小时内的试样体积变形小于0.05%,且试样测得的孔隙水压力值等于饱和反压u0值。
进一步地,所述步骤(5)中,所述初始剪应力τs为固结轴压与固结围压差值的1/2;若所述循环动力荷载为桩基施工中的打桩振动荷载、滨海水下软土斜坡周边的交通循环荷载,则施加于试样上的循环动力荷载的幅值qcyc为桩基施工中的打桩振动荷载、滨海水下软土斜坡周边的交通循环荷载的实际作用幅值;所述施加于试样上的地震循环动力荷载的平衡位置位于初始偏应力qs值处;所述初始偏应力qs为固结轴压与固结围压的差值;所述设定动力加载程序给试样施加的循环动力荷载为轴向循环动力荷载。
进一步地,所述步骤(5)、(6)中,所述轴压为循环动力荷载;所述围压一般保持不变,其值等于固结围压。
进一步地,所述步骤(6)中,突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡的发生毫无征兆且危害巨大,应在实际工程中尽可能地避免在容易发生突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡区域修建工程;若不可避免地在突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡区域修建工程时,应预先采取地基处理的方式改良滨海水下软土斜坡的密实度,设置良好的竖向排水条件,或采用水下灌注桩并减少桩基施工过程中的振动荷载等措施,从本质上杜绝突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡事故的发生。
进一步地,基于GDS动三轴试验判断动力循环荷载条件下滨海水下软土斜坡的滑坡类型的方法适用于饱和或近饱和的滨海水下软土,不适用于滨海水下含气土的情况。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
1、本发明针对饱和或近饱和滨海水下软土,建立了土体破坏形态与滨海水下软土斜坡滑坡类型的联系,通过土体破坏特征可预判动力循环荷载条件下滨海水下软土斜坡的滑坡类型,增加了通过在涉及滨海水下软土斜坡的各类工程的设计和施工阶段预先采取有效措施预防和减少动力循环荷载引起的滨海水下软土斜坡滑坡危害的可行性。
2、本发明给出了系统的GDS动三轴试验步骤和方法,用以确定循环动力荷载条件下土体的破坏条件和破坏特征;将GDS动三轴试验结果整理得到轴向应变--循环次数图、超静孔隙水压力--循环次数图、偏应力--轴向应变图、偏应力--平均有效应力图,用以描述三类循环动力荷载条件下土体的典型破坏形态,并与三类滨海水下软土斜坡的滑坡类型一一对应起来,实现了通过室内土工试验方法确定循环动力荷载引起的滨海水下软土斜坡滑坡类型。
3、本发明考虑滨海水下软土斜坡土体可能取样后发生溃散不成型的情况,采用重塑土试样制样方式进行GDS动三轴标准试样的制备,实现天然松散水下软土斜坡的实验室判定。
4、本发明创造性地提出了反压加载预实验用以明确不同渗透特性土体试样在反压饱和过程中反压和围压的加载速率,以及固结过程中轴压和围压的加载速率;相比于常规GDS动三轴试验中经验性地确定试样反压、围压和轴压的加载速率,提供了更为科学有效的方法,保证了试样快速高效地饱和与固结,提高了制样的成功率。
5、本发明针对渗透性较差的滨海水下软土斜坡土体试样,在圆柱体试样的侧面等间距地均匀粘贴网格式布置的条状滤纸,并采取同时打开试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门的方法,将有效地提高试样饱和以及固结的效率,进而提高整体试验效率。
6、本发明提出了适用于斜坡场地的试验土单元体的固结方法,给出了滨海水下软土斜坡场地中具有初始剪应力的试验土单元体的固结完成的判断标准;通过初始剪应力状态下固结的试验土单元体,采用有效应力控制方法,可真实准确地模拟真实斜坡场地中土体的受力状态。
7、本发明指出突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡发生毫无征兆且危害巨大,提出了改进滨海水下软土斜坡采取地基处理的方式改良滨海水下软土斜坡的密实度、设置良好的竖向排水条件,或采用水下灌注桩并减少桩基施工过程中的振动荷载等措施,尽可能地避免动力循环荷载引起的突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡。
附图说明
图1是本发明循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡示意图;
图2是本发明循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法中试样的反压饱和过程中的围压和反压加载示意图;
图3是本发明循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法中循环动力荷载的加载示意图;
图4(a)是本发明突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡类型的轴向应变(纵坐标)--循环次数(横坐标)示意图;
图4(b)是本发明突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡类型的超静孔隙水压力(纵坐标)--循环次数(横坐标)示意图;
图4(c)是本发明突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡类型的偏应力(纵坐标)--轴向应变(横坐标)示意图;
图4(d)是本发明突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡类型的偏应力(纵坐标)--平均有效应力(横坐标)示意图;
图5(a)是本发明渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡类型的轴向应变(纵坐标)--循环次数(横坐标)示意图;
图5(b)是本发明渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡类型的超静孔隙水压力(纵坐标)--循环次数(横坐标)示意图;
图5(c)是本发明渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡类型的偏应力(纵坐标)--轴向应变(横坐标)示意图;
图5(d)是本发明渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡类型的偏应力(纵坐标)--平均有效应力(横坐标)示意图;
图6是本发明滨海水下软土斜坡试样通无气水示意图;
图7是本发明滨海水下软土斜坡试样通二氧化碳示意图;
图中,GDS动三轴试样底座1、试样底部连通阀门1-1、试样顶部连通阀门1-2、试样2、负压预饱和配件3、无气水预饱和配件4、围压连通阀门1-3。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出的一种循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,主要用于突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡和渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡的判定,如图1为循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡示意图;本发明方法具体包括以下步骤:
(1)针对待调研滑坡类型的滨海水下斜坡,采用钻孔取土器现场取土,保持钻孔取土器竖直向下;将取土器得到的土样切削至GDS动三轴试验标准试样2,保证试样底面和顶面平整;将橡皮膜套在GDS动三轴试样底座1的试样安装底帽上,并用橡胶圈固定,其后,将试样2置于GDS动三轴试样安装底帽上,确保试样2的中轴线通过GDS动三轴试样安装底帽的圆心;将橡皮膜套住试样2后,把试样顶帽水平地安装在试样2顶部,将橡皮膜套紧试样顶帽后,用橡胶圈固定,完成试样2的安装步骤;
具体地,所述GDS动三轴试验标准试样2呈圆柱体,其底面直径与GDS动三轴试样安装底帽的直径一致,高度满足GDS动三轴装置对试样高度的要求;所述GDS动三轴试验标准试样2为弱透水性土(即当试样2的土体为渗透性较差(渗透系数小于10-6cm/s)的情况)时,应在圆柱体试样2的侧面等间距地均匀粘贴网格式布置的条状滤纸。
(2)如图6所示,将无气水预饱和配件4与试样底部连通阀门1-1连接,将注水后的负压预饱和配件3的底部与试样顶部连通阀门1-2连接,将负压预饱和配件3的顶部与真空泵连接;向无气水预饱和配件4内注入充足的无气水后,缓慢打开试样底部连通阀门1-1,在稳定负压作用下,无气水预饱和配件4内的无气水将持续缓慢地注入试样2中,同时负压预饱和配件3内将会有气泡均匀缓慢地冒出;待负压预饱和配件3内气泡完全消失后,再继续注无气水30min,然后同时关闭试样底部连通阀门1-1和试样顶部连通阀门1-2,再关闭真空泵,完成试样2的预饱和步骤;
具体地,所述负压预饱和配件3应保证其气密性;所述无气水预饱和配件4中的无气水可在试样2通无气水过程中根据需要补给。
(3)将GDS动三轴的围压压力罩密封地安装在GDS动三轴试样底座1上,向围压压力罩内注满无气水;将GDS动三轴试样底座1上围压连通阀门1-3与围压控制器连接,将试样底部连通阀门1-1和试样顶部连通阀门1-2连接同一反压控制器;根据滨海水下软土斜坡设计填筑密度条件下边坡土样的渗透特性,在GDS控制系统中设定合理的试样2的反压和围压加载程序,试样2饱和过程中反压和围压的加载速率相同,且围压始终比反压大10kPa,如图2所示;打开试样底部连通阀门1-1、试样顶部连通阀门1-2和围压连通阀门1-3,通过GDS控制系统自动调控围压控制器和反压控制器,按设定的反压和围压加载程序给试样2施加围压和反压,直至达到饱和围压P0和饱和反压u0;试样2在饱和围压和饱和反压条件下保持一段时间,当GDS控制系统测得试样2的孔隙水压力系数B≥0.98时,完成试样2的反压饱和步骤;关闭试样底部连通阀门1-1和试样顶部连通阀门1-2,至此,试样2的饱和完成;
具体地,所述试样底部连通阀门1-1和试样顶部连通阀门1-2与同一反压控制器的连接通过三通阀实现;
所述反压和围压加载程序中设定的反压和围压的加载速率可通过反压加载预实验来实现;所述反压加载预实验的步骤如下:①将围压连通阀门1-3与围压控制器连接,将试样顶部连通阀门1-2与反压控制器连接,关闭试样底部连通阀门1-1,打开GDS控制系统,通过GDS控制系统实时读取试样底部孔隙水压力传感器的数据;②先通过围压控制器将试样围压缓慢匀速地增加至20kPa,再通过反压控制器和试样顶部连通阀门1-2向试样顶部施加10kPa的反压,与此同时,观测采集到的试样底部孔隙水压力数据;③记录试样底部孔隙水压力值从0kPa增加到10kPa的时间间隔T(s),则可确定反压和围压的加载速率为10/T(kPa/s);
所述饱和围压P0和饱和反压u0通常分别为310kPa和300kPa;所述饱和围压、饱和反压,以及饱和围压和饱和反压的施加时间的设定,应保证试样2的孔隙水压力系数B能达到试样饱和的要求,即孔隙水压力系数B≥0.98。
(4)根据滨海水下软土斜坡所处的水文地质条件和试验土样埋深条件确定的试样的轴压Pz、围压Pw和孔隙水压力us,据此将获得试样的有效应力,包括有效轴压σz’=Pz-us和有效围压σw’=Pw-us;设置反压控制器,使其在试样固结过程中始终保持反压值为饱和反压u0值不变,打开试样顶部连通阀门1-2;根据有效应力控制的原则,在饱和围压P0和饱和反压u0的基础上,按设定的轴压和围压加载程序给试样2施加轴压和围压,采集记录试样的轴向变形和体积变化(固结排水体积),直至达到固结轴压和固结围压;试样2在固结轴压和固结围压条件下保持一段时间,采集记录试样的轴向变形和体积变化(固结排水体积),实现试样2在初始剪应力状态下完成固结;
具体地,当试样2的土体为渗透性较差(渗透系数小于10-6cm/s)的情况,应同时打开试样底部连通阀门1-1和试样顶部连通阀门1-2;
所述有效应力控制的原则是指试样2固结完成后的有效应力与试样2所处滨海水下软土斜坡场地的有效应力一致;
所述轴压和围压加载程序中设定的轴压和围压的加载速率与试样2反压饱和过程中采用的反压和围压的加载速率一致;
所述固结轴压的值为u0+σz’;所述固结围压的值为u0+σw’;
所述试样2在初始剪应力状态下完成固结的判断标准为:在固结轴压和固结围压条件下,1小时内的试样体积变形小于0.05%,且试样2测得的孔隙水压力值等于饱和反压u0值。
(5)根据滨海水下软土斜坡试验土样的初始剪应力τs和循环动力荷载的作用规律,如图3所示,通过设定动力加载程序给试样2施加循环动力荷载,由GDS动三轴的数据采集装置自动记录和保存试样2的轴向变形、体积变形、轴压、围压和孔隙水压力变化的数据;所述循环动力荷载包括桩基施工中的打桩振动荷载、滨海水下软土斜坡周边的交通循环荷载、地震循环动力荷载等;
具体地,所述初始剪应力τs为固结轴压与固结围压差值的1/2;若所述循环动力荷载为桩基施工中的打桩振动荷载、滨海水下软土斜坡周边的交通循环荷载,则施加于试样2上的循环动力荷载的幅值qcyc为桩基施工中的打桩振动荷载、滨海水下软土斜坡周边的交通循环荷载的实际作用幅值;若为地震循环动力荷载,则施加于试样2上的循环动力荷载的幅值qcyc可根据参考文献(Youd T L,Idriss I M.Liquefaction resistance of soils:summary report from the 1996NCEER and 1998 NCEER/NSF workshops on evaluationof liquefaction resistance of soils[J].Journal of geotechnical andgeoenvironmental engineering,2001,127(4):297-313.)提供的地震荷载作用下土体中地震循环应力幅值的计算方法确定;所述施加于试样2上的地震循环动力荷载的平衡位置位于初始偏应力qs值处,如图3所示;所述初始偏应力qs为固结轴压与固结围压的差值;
所述设定动力加载程序给试样2施加的循环动力荷载为轴向循环动力荷载;
所述轴压为循环动力荷载;所述围压一般保持不变,其值等于固结围压。
(6)根据采集到的试验数据,进行试验结果分析,以此确定循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡的滑坡类型,具体判断方法如下:
根据循环动力荷载条件下试样2的轴向变形、轴压、围压和孔隙水压力的数据,依次整理出以下四个图:
(a)轴向应变(纵坐标)--循环次数(横坐标)图,如图4(a)、图5(a)所示;(b)超静孔隙水压力(纵坐标)--循环次数(横坐标)图,如图4(b)、图5(b)所示;(c)偏应力(纵坐标)--轴向应变(横坐标)图,如图4(c)、图5(c)所示;(d)偏应力(纵坐标)--平均有效应力(横坐标)图,如图4(d)、图5(d)所示;
所述轴向应变为轴向变形与试样2初始高度的比值;所述超静孔隙水压力为循环动力荷载条件下试样2的孔隙水压力u与饱和反压u0的差值;所述偏应力等于轴压与围压的差值;所述平均有效应力为有效轴压与2倍有效围压之和的1/3;所述有效轴压为轴压与饱和反压u0差值;所述有效围压为围压与饱和反压u0差值;
其后,根据轴向应变(纵坐标)--循环次数(横坐标)图、超静孔隙水压力(纵坐标)--循环次数(横坐标)图、偏应力(纵坐标)--轴向应变(横坐标)图、偏应力(纵坐标)--平均有效应力(横坐标)图的特征判断滨海水下软土斜坡的滑坡类型:
①如图4(a)-图4(d),试样2土体破坏形式是典型的流动液化,其主要表现为试样土体的破坏发生突然并无显著征兆,且破坏发展极其迅速,即破坏触发后短时间内土体发生剧烈变形直至坍塌;该破坏形式对应的滑坡类型为突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡;
所述突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡土体破坏的具体特征在于:
如图4(a)轴向应变(纵坐标)--循环次数(横坐标)图所示,在循环动力荷载作用下,试样2土体流动液化破坏发生前轴向应变不明显,土体流动液化破坏是无征兆突然发生的;
如图4(b)超静孔隙水压力(纵坐标)--循环次数(横坐标)图所示,在循环动力荷载作用下,超静孔隙水压力震荡,且超静孔隙水压力震荡的幅值基本保持不变,超静孔隙水压力最大值远不及有效围压值时土体突然发生流动液化破坏;
如图4(c)偏应力(纵坐标)--轴向应变(横坐标)图所示,在循环动力荷载作用下,轴向应变基本上保持不变,偏应力上下震荡后,土体无征兆地发生流动液化破坏;
如图4(d)偏应力(纵坐标)--平均有效应力(横坐标)图所示,在循环动力荷载作用下,平均有效应力随着上下震荡的偏应力不断震荡减小,但在平均有效应力远未达到零值时,土体突然发生流动液化破坏;
②如图5(a)-图5(d),试样2土体循环液化破坏是在循环动力荷载下土体强度软化后发生的,对应的滑坡类型为渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡;
所述渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡土体破坏的具体特征在于:
如图5(a)轴向应变(纵坐标)--循环次数(横坐标)图所示,在循环动力荷载作用的初始数个周期内,轴向应变上下震荡不明显;经过数个循环动力荷的周期作用后,试样2的轴向应变随着动力荷载循环次数上下震荡,且震荡幅值不断增大,直至试样2的土体发生循环液化破坏;
如图5(b)超静孔隙水压力(纵坐标)--循环次数(横坐标)图所示,在循环动力荷载作用下,超静孔压震荡增加,当超静孔隙水压力的最大值达到(或接近)有效围压值后,土体发生循环液化破坏;在土体发生循环液化破坏前的几个循环周期内,超静孔隙水压力震荡的幅值发生突变;
如图5(c)偏应力(纵坐标)--轴向应变(横坐标)图所示,在循环动力荷载作用初始阶段,轴向应变基本保持不变,偏应力上下震荡;经过数个循环动力荷的周期作用后,试样2的轴向应变随着上下震荡的偏应力而震荡,直至试样2的土体发生循环液化破坏;
如图5(d)偏应力(纵坐标)--平均有效应力(横坐标)图所示,在循环动力荷载作用下,平均有效应力随着上下震荡的偏应力不断减小;当平均有效应力的震荡最小值接近甚至达到零值后,土体发生循环液化破坏。
具体地,当钻孔取土器采集到的滨海水下软土斜坡试样2为溃散不成型的状态时,可采用重塑土试样制样方式进行适用于GDS动三轴装置的滨海水下软土斜坡土体的重塑土试样2的制备,即用下述步骤代替上述步骤(1):
首先将橡皮膜套在GDS动三轴试样底座1的试样安装底帽上,并用橡胶圈固定,其后,将GDS动三轴试样制备的辅助工具双瓣模紧密连接后固定在GDS动三轴试样安装底帽上,确保双瓣模夹紧试样安装底帽上的橡皮膜,再将橡皮膜平整地紧贴在双瓣模内壁上;根据滨海水下软土斜坡土体的密度和GDS动三轴试样体积,称取相应质量的烘干的滨海水下软土斜坡土体,通过分层填筑的方法,均匀地浇筑试样土体;待试样浇筑完毕后,将试样顶帽水平地安装在试样2顶部;将橡皮膜套紧试样顶帽后,用橡胶圈固定;如图7所示,将二氧化碳气罐与GDS动三轴试样底座1上的试样底部连通阀门1-1连接,将注水后的负压预饱和配件3的底部与试样顶部连通阀门1-2连接,将负压预饱和配件3的顶部与真空泵连接;关闭GDS动三轴试样底座1上的试样底部连通阀门1-1,依次缓慢打开真空泵和试样顶部连通阀门1-2,真空泵负压保持在-20kPa;试样2在稳定负压条件下保持直立后,拆除双瓣模,完成试样2的初步制备步骤;
针对所述滨海水下软土斜坡土体的重塑土试样2,在其开展上述步骤(2)前,应预先采取以下措施:
待双瓣模拆除后,将真空泵负压继续保持在-20kPa;打开试样底部连通阀门1-1,调节二氧化碳气罐的阀门,使得负压预饱和配件3内的气泡均匀缓慢冒出;持续缓慢地向试样2内通二氧化碳气体30min后,关闭试样底部连通阀门1-1和二氧化碳气罐的阀门,之后执行步骤(2)操作。
突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡的发生毫无征兆且危害巨大,应在实际工程中尽可能地避免在容易发生突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡区域修建工程;若不可避免地在突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡区域修建工程时,应预先采取地基处理的方式改良滨海水下软土斜坡的密实度,设置良好的竖向排水条件,或采用水下灌注桩并减少桩基施工过程中的振动荷载等措施,从本质上杜绝突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡事故的发生。
本发明提出的基于GDS动三轴试验判断动力循环荷载条件下滨海水下软土斜坡的滑坡类型的方法适用于饱和或近饱和的滨海水下软土,不适用于滨海水下含气土的情况。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理,而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释,本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式,这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)针对待调研滑坡类型的滨海水下斜坡,采用钻孔取土器现场取土,保持钻孔取土器竖直向下;将取土器得到的土样切削至GDS动三轴试验标准试样,保证试样底面和顶面平整;将橡皮膜套在GDS动三轴试样底座的试样安装底帽上,并用橡胶圈固定,其后,将试样置于GDS动三轴试样安装底帽上,确保试样的中轴线通过GDS动三轴试样安装底帽的圆心;将橡皮膜套住试样后,把试样顶帽水平地安装在试样顶部,将橡皮膜套紧试样顶帽后,用橡胶圈固定,完成试样的安装步骤;
(2)将无气水预饱和配件与试样底部连通阀门连接,将注水后的负压预饱和配件的底部与试样顶部连通阀门连接,将负压预饱和配件的顶部与真空泵连接;向无气水预饱和配件内注入充足的无气水后,缓慢打开试样底部连通阀门,在稳定负压作用下,无气水预饱和配件内的无气水将持续缓慢地注入试样中,同时负压预饱和配件内将会有气泡均匀缓慢地冒出;待负压预饱和配件内气泡完全消失后,再继续注无气水30min,然后同时关闭试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门,再关闭真空泵,完成试样的预饱和步骤;
(3)将GDS动三轴的围压压力罩密封地安装在GDS动三轴试样底座上,向围压压力罩内注满无气水;将GDS动三轴试样底座上围压连通阀门与围压控制器连接,将试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门连接同一反压控制器;根据滨海水下软土斜坡设计填筑密度条件下边坡土样的渗透特性,在GDS控制系统中设定试样的反压和围压加载程序,试样饱和过程中反压和围压的加载速率相同,且围压始终比反压大10kPa;打开试样底部连通阀门、试样顶部连通阀门和围压连通阀门,通过GDS控制系统自动调控围压控制器和反压控制器,按设定的反压和围压加载程序给试样施加围压和反压,直至达到饱和围压P0和饱和反压u0;试样在饱和围压和饱和反压条件下保持一段时间,当GDS控制系统测得试样的孔隙水压力系数B≥0.98时,完成试样的反压饱和步骤;关闭试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门,至此,试样的饱和完成;
(4)根据滨海水下软土斜坡所处的水文地质条件和试验土样埋深条件确定的试样的轴压Pz、围压Pw和孔隙水压力us,据此将获得试样的有效应力,包括有效轴压σz’=Pz-us和有效围压σw’=Pw-us;设置反压控制器,使其在试样固结过程中始终保持反压值为饱和反压u0值不变,打开试样顶部连通阀门;根据有效应力控制的原则,在饱和围压P0和饱和反压u0的基础上,按设定的轴压和围压加载程序给试样施加轴压和围压,采集记录试样的轴向变形和体积变化,直至达到固结轴压和固结围压;试样在固结轴压和固结围压条件下保持一段时间,采集记录试样的轴向变形和体积变化,实现试样在初始剪应力状态下完成固结;
(5)根据滨海水下软土斜坡试验土样的初始剪应力τs和循环动力荷载的作用规律,通过设定动力加载程序给试样施加循环动力荷载,由GDS动三轴的数据采集装置自动记录和保存试样的轴向变形、体积变形、轴压、围压和孔隙水压力变化的数据;所述循环动力荷载包括桩基施工中的打桩振动荷载、滨海水下软土斜坡周边的交通循环荷载、地震循环动力荷载等;
(6)根据采集到的试验数据,进行试验结果分析,以此确定循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡的滑坡类型,具体判断方法如下:
根据循环动力荷载条件下试样的轴向变形、轴压、围压和孔隙水压力的数据,依次整理出以下四个图:(a)轴向应变--循环次数图;(b)超静孔隙水压力--循环次数图;(c)偏应力--轴向应变图;(d)偏应力--平均有效应力图;
所述轴向应变为轴向变形与试样初始高度的比值;所述超静孔隙水压力为循环动力荷载条件下试样的孔隙水压力u与饱和反压u0的差值;所述偏应力等于轴压与围压的差值;所述平均有效应力为有效轴压与2倍有效围压之和的1/3;所述有效轴压为轴压与饱和反压u0的差值;所述有效围压为围压与饱和反压u0的差值;
其后,根据四个图的特征判断滨海水下软土斜坡的滑坡类型:
①试样土体破坏形式是典型的流动液化,其主要表现为试样土体的破坏发生突然并无显著征兆,且破坏发展极其迅速,即破坏触发后短时间内土体发生剧烈变形直至坍塌;该破坏形式对应的滑坡类型为突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡;所述突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡土体破坏的具体特征为:
根据轴向应变--循环次数图,在循环动力荷载作用下,试样土体流动液化破坏发生前轴向应变不明显,土体流动液化破坏是无征兆突然发生的;
根据超静孔隙水压力--循环次数图,在循环动力荷载作用下,超静孔隙水压力震荡,且超静孔隙水压力震荡的幅值基本保持不变,超静孔隙水压力最大值远不及有效围压值时土体突然发生流动液化破坏;
根据偏应力--轴向应变图,在循环动力荷载作用下,轴向应变基本上保持不变,偏应力上下震荡后,土体无征兆地发生流动液化破坏;
根据偏应力--平均有效应力图,在循环动力荷载作用下,平均有效应力随着上下震荡的偏应力不断震荡减小,但在平均有效应力远未达到零值时,土体突然发生流动液化破坏;
②试样土体循环液化破坏是在循环动力荷载下土体强度软化后发生的,对应的滑坡类型为渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡;所述渐进流动性滨海水下软土斜坡滑坡土体破坏的具体特征为:
根据轴向应变--循环次数图,在循环动力荷载作用的初始数个周期内,轴向应变上下震荡不明显;经过数个循环动力荷的周期作用后,试样的轴向应变随着动力荷载循环次数上下震荡,且震荡幅值不断增大,直至试样的土体发生循环液化破坏;
根据超静孔隙水压力--循环次数图,在循环动力荷载作用下,超静孔压震荡增加,当超静孔隙水压力的最大值达到或接近有效围压值后,土体发生循环液化破坏;在土体发生循环液化破坏前的几个循环周期内,超静孔隙水压力震荡的幅值发生突变;
根据偏应力--轴向应变图,在循环动力荷载作用初始阶段,轴向应变基本保持不变,偏应力上下震荡;经过数个循环动力荷的周期作用后,试样的轴向应变随着上下震荡的偏应力而震荡,直至试样的土体发生循环液化破坏;
根据偏应力--平均有效应力图,在循环动力荷载作用下,平均有效应力随着上下震荡的偏应力不断减小;当平均有效应力的震荡最小值接近甚至达到零值后,土体发生循环液化破坏。
2.根据权利要求1所述的循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,其特征在于:所述步骤(1)中,所述GDS动三轴试验标准试样呈圆柱体,其底面直径与GDS动三轴试样安装底帽的直径一致,高度满足GDS动三轴装置对试样高度的要求;所述GDS动三轴试验标准试样为弱透水性土时,应在圆柱体试样的侧面等间距地均匀粘贴网格式布置的条状滤纸。
3.根据权利要求1所述的循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,其特征在于:所述步骤(1)中,所述钻孔取土器采集到的滨海水下软土斜坡试样为溃散不成型的状态时,可采用重塑土试样制样方式进行适用于GDS动三轴装置的滨海水下软土斜坡土体的重塑土试样的制备,制备步骤为:
首先将橡皮膜套在GDS动三轴试样底座的试样安装底帽上,并用橡胶圈固定,其后,将GDS动三轴试样制备的辅助工具双瓣模紧密连接后固定在GDS动三轴试样安装底帽上,确保双瓣模夹紧试样安装底帽上的橡皮膜,再将橡皮膜平整地紧贴在双瓣模内壁上;根据滨海水下软土斜坡土体的密度和GDS动三轴试样体积,称取相应质量的烘干的滨海水下软土斜坡土体,通过分层填筑的方法,均匀地浇筑试样土体;待试样浇筑完毕后,将试样顶帽水平地安装在试样顶部;将橡皮膜套紧试样顶帽后,用橡胶圈固定;将二氧化碳气罐与GDS动三轴试样底座上的试样底部连通阀门连接,将注水后的负压预饱和配件的底部与试样顶部连通阀门连接,将负压预饱和配件的顶部与真空泵连接;关闭GDS动三轴试样底座上的试样底部连通阀门,依次缓慢打开真空泵和试样顶部连通阀门,真空泵负压保持在-20kPa;试样在稳定负压条件下保持直立后,拆除双瓣模,完成试样的初步制备步骤;
待双瓣模拆除后,将真空泵负压继续保持在-20kPa;打开试样底部连通阀门,调节二氧化碳气罐的阀门,使得负压预饱和配件内的气泡均匀缓慢冒出;持续缓慢地向试样内通二氧化碳气体30min后,关闭试样底部连通阀门和二氧化碳气罐的阀门,之后执行步骤(2)操作。
4.根据权利要求1所述的循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,其特征在于:所述步骤(2)中,所述负压预饱和配件应保证其气密性;所述无气水预饱和配件中的无气水可在试样通无气水过程中根据需要补给。
5.根据权利要求1所述的循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,其特征在于:所述步骤(3)中,所述试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门与同一反压控制器的连接通过三通阀实现;
所述反压和围压加载程序中设定的反压和围压的加载速率可通过反压加载预实验来实现;所述反压加载预实验的步骤如下:①将围压连通阀门与围压控制器连接,将试样顶部连通阀门与反压控制器连接,关闭试样底部连通阀门,打开GDS控制系统,通过GDS控制系统实时读取试样底部孔隙水压力传感器的数据;②先通过围压控制器将试样围压缓慢匀速地增加至20kPa,再通过反压控制器和试样顶部连通阀门向试样顶部施加10kPa的反压,与此同时,观测采集到的试样底部孔隙水压力数据;③记录试样底部孔隙水压力值从0kPa增加到10kPa的时间间隔T(s),则可确定反压和围压的加载速率为10/T(kPa/s);
所述饱和围压P0和饱和反压u0分别为310kPa和300kPa;所述饱和围压、饱和反压,以及饱和围压和饱和反压的施加时间的设定,应保证试样的孔隙水压力系数B能达到试样饱和的要求,即孔隙水压力系数B≥0.98。
6.根据权利要求1所述的循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,其特征在于:所述步骤(4)中,当试样土体的渗透系数小于10-6cm/s时,应同时打开试样底部连通阀门和试样顶部连通阀门;
所述有效应力控制的原则是指试样固结完成后的有效应力与试样所处滨海水下软土斜坡场地的有效应力一致;
所述轴压和围压加载程序中设定的轴压和围压的加载速率与试样反压饱和过程中采用的反压和围压的加载速率一致;
所述固结轴压的值为u0+σz’;所述固结围压的值为u0+σw’;
所述试样在初始剪应力状态下完成固结的判断标准为:在固结轴压和固结围压条件下,1小时内的试样体积变形小于0.05%,且试样测得的孔隙水压力值等于饱和反压u0值。
7.根据权利要求1所述的循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,其特征在于:所述步骤(5)中,所述初始剪应力τs为固结轴压与固结围压差值的1/2;若所述循环动力荷载为桩基施工中的打桩振动荷载、滨海水下软土斜坡周边的交通循环荷载,则施加于试样上的循环动力荷载的幅值qcyc为桩基施工中的打桩振动荷载、滨海水下软土斜坡周边的交通循环荷载的实际作用幅值;所述施加于试样上的地震循环动力荷载的平衡位置位于初始偏应力qs值处;所述初始偏应力qs为固结轴压与固结围压的差值;所述设定动力加载程序给试样施加的循环动力荷载为轴向循环动力荷载。
8.根据权利要求1所述的循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,其特征在于:所述步骤(5)、(6)中,所述轴压为循环动力荷载;所述围压一般保持不变,其值等于固结围压。
9.根据权利要求1所述的循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,其特征在于:所述步骤(6)中,突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡的发生毫无征兆且危害巨大,应在实际工程中尽可能地避免在容易发生突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡区域修建工程;若不可避免地在突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡区域修建工程时,应预先采取地基处理的方式改良滨海水下软土斜坡的密实度,设置良好的竖向排水条件,或采用水下灌注桩并减少桩基施工过程中的振动荷载等措施,从本质上杜绝突发流动性滨海水下软土斜坡滑坡事故的发生。
10.根据权利要求1所述的循环动力荷载作用下滨海水下软土斜坡滑坡类型判定方法,其特征在于:基于GDS动三轴试验判断动力循环荷载条件下滨海水下软土斜坡的滑坡类型的方法适用于饱和或近饱和的滨海水下软土,不适用于滨海水下含气土的情况。
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