CN112267497B - 振动沉桩模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动沉桩模拟试验系统，包括：振动加载装置，适于输出激振力；沉桩模拟装置，包括桩体和土体，所述桩体与所述振动加载装置连接，所述土体适于相对桩体运动，以便获取桩体在激振力作用下的沉桩过程；信号采集装置，设置于所述桩体的顶部，适于采集所述桩体的受力信号，并适于根据所述受力信号监测桩体的受力情况。本发明的振动沉桩模拟试验系统，整体结构简单，能准确模拟现实中桩体在振动沉桩过程中的受力情况，有利于指导和优化实际植桩过程。

Description

振动沉桩模拟试验系统

本发明是2019年12月10日申请的发明专利201911261652X的分案申请。

技术领域

本发明涉及振动沉桩技术领域，尤其涉及一种利用计算设备来控制进行振动沉桩模拟试验的系统。

背景技术

钢管桩由于具有成桩质量好、桩身抗剪强度高、施工操作简单、可回收等优点而被广泛应用于湖相沉积土层高层及超高层建筑基坑支护工程中。鉴于振动沉桩工艺具有沉桩效率高、环境保护好等突出优点，已被广泛应用于钢管桩沉桩施工领域。桩在沉桩施工中，主要受桩端阻力和桩侧摩擦阻力。振动沉桩实质上是通过桩运动时对桩端土层的冲击力以克服桩端阻力，并通过振动减小桩侧摩擦阻力，从而达到沉桩的效果。

目前国内对振动沉桩工艺的研究仍然不够成熟，钢管桩成桩机理及精细施工控制技术的研究仍落后于实际工程。此外，鉴于振动沉桩的复杂性，现阶段研究振动沉桩机理的试验一般都是做现场原位试验，而现场原位试验需花费大量人力、财力、物力。因此，设计一套简洁、合理的室内小型振动沉桩模型试验系统亟待解决。

发明内容

为此，本发明提供了一种振动沉桩模拟试验系统，以解决或至少缓解上面存在的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种振动沉桩模拟试验系统，包括：振动加载装置，适于输出激振力；沉桩模拟装置，包括桩体和土体，所述桩体与所述振动加载装置连接，所述土体适于相对桩体运动，以便获取桩体在激振力作用下的沉桩过程；信号采集装置，设置于所述桩体的顶部，适于采集所述桩体的受力信号，并适于根据所述受力信号监测桩体的受力情况。

可选地，在根据本发明的振动沉桩模拟试验系统中，所述振动加载装置包括：信号发生器，适于生成按正弦函数变化的电压信号；功率放大器，与所述信号发生器连接，适于放大所述信号发生器生成的电压信号；以及电动式激振器，与所述功率放大器连接，适于将经过放大的电压信号转化为相应的激振力；所述电动式激振器包括顶杆，所述顶杆与所述桩体连接，以便通过所述顶杆将激振力传递给桩体。

可选地，在根据本发明的振动沉桩模拟试验系统中，所述信号采集装置包括：压电式力传感器，分别与所述电动式激振器、桩体的顶部连接，适于采集与所述桩体的受力相关的电流信号；电荷放大器，与所述压电式力传感器连接，适于放大所述压电式力传感器采集的电流信号；动态信号测试分析系统，与所述电荷放大器连接，适于获取经所述电荷放大器放大后的电流信号，并适于根据该电流信号监测所述桩体的受力情况。

可选地，在根据本发明的振动沉桩模拟试验系统中，所述沉桩模拟装置还包括：反力架，适于固定所述电动式激振器；导轨，安装在所述反力架上；以及盛土容器，适于盛装所述土体，所述盛土容器可滑动地安装于所述导轨，并适于沿导轨竖直向上运动。

可选地，在根据本发明的振动沉桩模拟试验系统中，所述电动式激振器通过固定座与所述反力架固定连接。

可选地，在根据本发明的振动沉桩模拟试验系统中，所述顶杆上设有第一螺纹孔；所述压电式力传感器设有第二螺纹孔；所述第一螺纹孔与所述第二螺纹孔通过连接杆固定连接。

可选地，在根据本发明的振动沉桩模拟试验系统中，所述桩体的顶部设有第三螺纹孔；所述压电式力传感器的底部与所述第三螺纹孔固定连接。

可选地，在根据本发明的振动沉桩模拟试验系统中，所述导轨为轴承导轨，其包括：导轨本体，与所述反力架固定连接；以及滚珠衬套，可滑动地安装在所述导轨本体上，并通过底座与所述盛土容器固定连接，以便盛土容器相对所述导轨本体运动。

可选地，在根据本发明的振动沉桩模拟试验系统中，所述沉桩模拟装置还包括：若干个滑轮，安装在所述反力架上，滑轮上绕设有钢丝绳；所述钢丝绳的一端与所述盛土容器连接，所述钢丝绳的另一端适于悬挂配重载体，以便拉动所述盛土容器相对所述导轨竖直向上运动。

可选地，在根据本发明的振动沉桩模拟试验系统中，所述滑轮设有四个，四个滑轮均匀分布在所述反力架上。

可选地，在根据本发明的振动沉桩模拟试验系统中，所述桩体为钢管桩。

根据本发明的技术方案，提供了一种振动沉桩模拟试验系统，能准确模拟现实中桩体在振动沉桩过程中的受力情况。具体地，本发明通过设置反力架，将电动式激振器和钢管桩均安装在反力架上静止，并通过在反力架上安装导轨，将盛土容器可滑动地安装于导轨，使土体可以相对静止的桩体竖直向上运动。这样，本发明避免了电动式激振器的运动，防止因电动式激振器重量和体积较大而造成的结构不稳定问题。从而，本发明的振动沉桩模拟试验系统，整体结构简洁，经济实用。通过本发明的振动沉桩模拟试验系统，能对具有不同物理性质的干砂、湿砂和泥炭质土土样进行振动沉桩试验，根据沉桩试验能确定砂土相对密实度、砂土饱和度、泥炭质土含水量、激振频率和激振力对钢管桩的可打入性的影响，从而确定不同地质条件下的最佳植桩参数(参数包括激振频率、激振力等)，有利于指导和优化实际植桩过程。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本发明一个实施例的振动沉桩模拟试验系统400的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例中的沉桩模拟装置200的正面结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例中的沉桩模拟装置200的侧面结构示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例中的沉桩模拟装置200的俯视结构示意图；

图5示出了根据本发明一个实施例中的钢管桩在干砂中的打桩力时程曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如前文所述，现有技术中用于振动沉桩试验的系统，在使用过程中或多或少存在一定的功能缺陷，因此本发明提出了一种性能更优化的振动沉桩模拟试验系统400。图1示出了本发明的振动沉桩模拟试验系统400的结构示意图，图2至图4分别示出了根据本发明一个实施例中的沉桩模拟装置200的结构示意图。

如图1所示，振动沉桩模拟试验系统400包括振动加载装置100、沉桩模拟装置200和信号采集装置300。其中，振动加载装置100适于模拟振动锤输出激振力。沉桩模拟装置200包括桩体210和土体，桩体210的顶部与振动加载装置100连接，土体适于相对桩体210运动，从而通过桩体210与土体的相对运动来模拟桩体210在激振力作用下的沉桩过程。这里，桩体210与振动加载装置100均为静止状态，通过操作土体竖直向上运动，使土体相对桩体210竖直向上运动。

根据一种实施方式，桩体210例如是钢管桩，从而通过本发明的振动沉桩模拟试验系统400可模拟现实中钢管桩的振动沉桩过程，但本发明不限于此。

具体地，如图2所示，振动加载装置100包括电动式激振器130，电动式激振器130包括顶杆131，并通过顶杆131与钢管桩210的顶部固定连接。电动式激振器130适于在输入交变电压时产生激振力，并能通过顶杆131将激振力传递给钢管桩210。这样，本发明中的电动式激振器130和钢管桩210均为静止状态，通过操作土体相对钢管桩210竖直向上运动来模拟钢管桩210在激振力作用下的沉桩过程。应当理解，土体相对钢管桩210竖直向上运动，也就相当于钢管桩210相对土体竖直向下运动，从而能实现模拟钢管桩210在激振力作用下的沉桩过程。

信号采集装置300适于采集钢管桩210顶部的受力信号，并根据该受力信号监测钢管桩210顶部的受力情况。如图1所示，信号采集装置300包括压电式力传感器310，压电式力传感器310布置在钢管桩210的顶部，且压电式力传感器310分别与电动式激振器130的顶杆131、钢管桩210的顶部固定连接。从而，电动式激振器130产生的激振力通过顶杆131、并经压电式力传感器310传递给钢管桩210，使钢管桩210的顶部受到激振力，而且，压电式力传感器310能输出与钢管桩210顶部的受力相关的电流。这样，信号采集装置300能通过压电式力传感器310采集与钢管桩210顶部的受力相关的电流信号。

进一步地，信号采集装置300还包括电荷放大器320和动态信号测试分析系统330。电荷放大器320的输入端与压电式力传感器310连接，适于放大压电式力传感器310采集的电流信号，换言之，压电式力传感器310输出的电流经过电荷放大器320进行放大。动态信号测试分析系统330与电荷放大器320的输出端连接，适于获取经电荷放大器320放大后的电流信号，从而根据放大后的电流信号动态监测钢管桩210顶部的受力情况。这里，动态信号测试分析系统可对多种类型的物理量进行准确、可靠的动态监测，比如应力应变、位移、速度、加速度、压力、弯矩、温度等。

如图1所示，动态信号测试分析系统330包括动态信号测试分析器331以及计算设备332，计算设备332内置有动态信号测试分析软件。动态信号测试分析器331分别与电荷放大器320的输出端、计算设备332连接，从而通过动态信号测试分析器331获取经电荷放大器320放大的电流信号，进而通过计算设备332内置的动态信号测试分析软件对获取的电流信号进行动态分析，以便实时监测钢管桩210顶部的受力情况。

可选地，压电式力传感器310例如是CL-YD-303压电式力传感器，电荷放大器320例如是YE5852型电荷放大器，动态信号测试分析系统330例如是DH5922动态信号测试分析系统。但，本发明不限制上述电荷放大器320、动态信号测试分析系统330的具体种类。

根据一个实施例，如图1所示，振动加载装置100包括信号发生器110、功率放大器120和电动式激振器130。信号发生器110适于生成按正弦函数变化的电压信号(即是交变电压)，并输出该电压信号。功率放大器120与信号发生器110连接，适于输入信号发生器110生成的电压信号，并适于将信号发生器110生成的电压信号进行放大后输出。电动式激振器130与功率放大器120连接，适于输入经功率放大器120放大的电压信号。根据磁场中载流体受力的原理，电动式激振器130适于将经过放大的电压信号转化为相应的按正弦函数变化的激振力，并通过顶杆131将激振力传递给钢管桩210，使钢管桩210的顶部受到激振力，以便模拟在该激振力作用下的沉桩过程。应当理解，由于信号发生器110的输出功率有限，该输出功率不能推动电动式激振器130的运行，因此，通过设置功率放大器120将信号发生器110生成的电压信号放大，也就是放大其输出功率，经放大后的输出功率可推动电动式激振器130工作，从而通过电动式激振器130将放大后的输出功率转化为试验所需的激振力。

需要说明的是，电动式激振器130包括顶杆131、与顶杆131连接的弹簧、驱动线圈、芯杆、永磁体、铁芯。当电动式激振器130的驱动线圈接入经功率放大器120放大的交变电压时，电动式激振器130中会产生稳定的磁场，在磁场作用下，交变电压信号会产生相应的交变力，该交变力可推动电动式激振器130运动，该交变力近似等于通过顶杆131传递的激振力。

在具体实施方式中，信号发生器110例如是DH-1301扫频信号发生器，功率放大器120例如是YE5872A功率放大器，电动式激振器130例如是JZK-10电动式激振器，但本发明不限于此。

根据一个实施例，如图2至图4所示，沉桩模拟装置200还包括反力架250、导轨240和盛土容器230。其中，电动式激振器130适于固定安装在反力架250上，从而电动式激振器130和钢管桩210均相对反力架250静止。导轨240安装在反力架250上，盛土容器230适于盛装试验用的土体，且盛土容器230可滑动地安装于导轨240，并能沿导轨240竖直向上运动，从而盛土容器230内的土体也相对导轨240竖直向上运动。这样，土体便可以相对于静止的钢管桩210竖直向上运动，达到模拟沉桩的效果。

应当指出，现有技术中的振动沉桩机结构，一种是将电动式激振器悬吊起来，从而在电动式激振器启动后难免会产生较大的晃动，稳定性极差；另一种是采用桩架导向式进行沉桩模拟，需要设置让电动式激振器上下运动的导轨，由于电动式激振器的重量和体积较大，所需的导轨和试验平台较大，从而导致试验的经济成本增加。而发明的上述设置，能避免电动式激振器130的运动，不仅结构简单、稳定，而且成本较低。

根据一种实施方式，如图3所示，电动式激振器130通过固定座139与反力架250固定连接。固定座139例如是固定方钢，但不限于此。

电动式激振器130的顶杆131上设有第一螺纹孔，压电式力传感器310的顶部设有第二螺纹孔，通过将第一螺纹孔与第二螺纹孔用适配的连接杆固定连接，从而能实现电动式激振器130与压电式力传感器310的固定连接。另外，钢管桩210的顶部设有第三螺纹孔，通过将压电式力传感器310的底部与第三螺纹孔固定连接，使压电式力传感器310与钢管桩210的顶部固定连接。通过上述设置，使压电式力传感器310分别与电动式激振器130的顶杆131、钢管桩210的顶部固定连接，从而能采集与钢管桩210顶部的受力(激振力)相关的电流信号。

根据一种实施方式，如图3和图4所示，导轨240为轴承导轨，其包括固定在反力架250上的导轨本体245、以及滚珠衬套241。导轨本体245与反力架250固定连接。滚珠衬套241可滑动地安装在导轨本体245上，从而能沿导轨本体245竖直运动。盛土容器230通过底座234与滚珠衬套241固定连接，从而能随滚珠衬套241相对导轨本体245竖直运动。

进一步地，如图1和图2所示，沉桩模拟装置200还包括若干个滑轮260，若干个滑轮260分别安装在反力架250上的适当位置。滑轮260上绕设有钢丝绳263，钢丝绳263的一端与盛土容器230连接，钢丝绳263的另一端适于悬挂配重载体。这样，配重载体能通过钢丝绳263拉动盛土容器230及土体相对导轨本体245竖直向上运动。具体地，配重载体例如是具有确定重力值的砝码265。

优选地，沉桩模拟装置200包括四个滑轮260，具体地，通过在反力架250上前后左右四个位置分别焊接一个角勾，每个角勾用于悬挂一个滑轮260，从而使四个滑轮260分别安装在反力架250上的相应位置。这样，共有四条悬挂配重载体的钢丝绳263与盛土容器230连接，其中，盛土容器230的两侧各分布有两条悬挂有配重载体的钢丝绳263，从而能保证盛土容器230受到稳定、平衡的向上拉力。

应当理解，当配重载体作用在钢丝绳上的力在竖直方向的分力大于盛土容器230、土体、底座234、滚珠衬套241的总重力时，盛土容器230受到竖直向上的合力(拉力)，从而盛土容器230及其盛装的土体便会在拉力作用下沿导轨本体245竖直向上运动，并运动至逐渐与钢管桩210的桩端(即是图中所示的钢管桩210的底端)接触，从而能模拟现实振动沉桩机中的静定荷载F₀。

需要说明的是，在本发明的振动沉桩模型试验中，钢管桩210为静止状态，土体相对于钢管桩210做竖直向上的运动。若以运动的土体为参照对象，对钢管桩210进行受力分析，则在沉桩模拟过程中，钢管桩210相对于土体做竖直向下的运动。这样，钢管桩210的桩侧摩擦阻力和桩端阻力的方向为竖直向上，电动式激振器130作用在钢管桩210顶部上的激振力的方向为竖直向下，通过配重载体砝码265模拟的静定荷载F₀对应转化为于电动式激振器130中与顶杆131相连的弹簧的弹力，弹力方向为竖直向下。当竖直向下的激振力与弹簧弹力之和大于竖直向上的桩侧摩擦阻力与桩端阻力之和时，钢管桩210在合力作用下会逐渐沉入土体中。由此可知，本发明的振动沉桩模型试验中钢管桩210的受力情况与现实振动沉桩中钢管桩的受力情况相同。

通过本发明的振动沉桩模拟试验系统400，能对具有不同物理性质的干砂、湿砂和泥炭质土土样进行振动沉桩试验，进而研究砂土相对密实度、砂土饱和度、泥炭质土含水量、激振频率和激振力对钢管桩的可打入性的影响，从而根据研究结果确定不同地质条件下的最佳植桩参数，例如激振频率、激振力等参数。

具体地，在试验过程中，信号发生器110、功率放大器120、电荷放大器320以及动态信号测试分析软件的设置如下：

1)将信号发生器110的信号类型选为“正弦定额”，通过“设置”键将频率设置为20Hz，按“确认”键确认之前的设置；按“开始”键进入电压调节环节，通过“电压调节”键设置试验的电压峰峰值为1500mV。

2)在打开功率放大器120之前，将“IMPEDANCE”(输出阻抗)旋钮调至“High”档(高阻)，将“Coarse”(增益粗调)旋钮调至“Reset”(复位)，将“Fine”(增益细调)旋钮逆时针旋转至最顶端，将“CURRENT”(电流极限调节)旋钮旋转至“12”Arms。这样，打开功率放大器120后，通过调节“Coarse”旋钮将输出功率进行放大，便能推动电动式激振器130的工作。

3)由于CL-YD-303型压电式力传感器的灵敏度为2.03pC/N，因此需将“TransducerSensitivity”(传感器灵敏度)中的灵敏度范围设置为1.00-10.99区间，并将数值部分调为2.03pC/Unit，由于压电式力传感器310测量的是压力的大小，所以pC/Unit中的Unit的单位应为N；将“Output”(输出)调至10mV/Unit。

4)打开计算设备，进入DHDAS-5922动态信号采集分析软件，设置运行参数中的频率选择为分析频率取整，并将分析频率设置为20Hz；打开通道参数栏，将通道子参数中的工程单位设置为N，并在灵敏度一栏中输入10，以将灵敏度设置为10mV/EU。

进而，将振动沉桩模拟试验系统400中的各个仪器进行有效连接，并将电荷放大器320和DHDAS-5922动态信号采集分析软件按照上面要求设置好。点击开始采样，然后将功率放大器120的“Coarse”旋钮顺时针旋转至刻度线2/3处，沉桩持续1min之后，将“Coarse”旋钮逆时针调至复位，点击停止采样。

图5示出了根据本发明一个实施例中的钢管桩在干砂中的打桩力时程曲线图。如图5所示，通过动态信号采集系统330实时地对钢管桩210顶部的打桩力进行监测，在沉桩前期，钢管桩210顶部的打桩力迅速增大，钢管桩210沉桩位移也迅速增加；在沉桩中期，钢管桩210顶部的打桩力增大速度相比于前期放缓，钢管桩沉桩位移也在缓慢增加；在沉桩后期，钢管桩210顶部的打桩力趋于平稳，此时钢管桩210停止下沉，达到最大沉桩位移12.8cm。在整个沉桩过程中，钢管桩210顶部的打桩力随着时间的推移按照正弦函数变化，并逐渐增大最后趋于平稳，是由于随着钢管桩210入土深度的增加，钢管桩210内外侧摩阻力和桩端阻力逐渐增大，钢管桩210顶部的打桩力也逐渐增大，当钢管桩210停止下沉时，侧摩阻力和桩端阻力达到最大值并趋于平稳，打桩力也同时达到最大值并趋于平稳。

本说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解。此外，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (8)

1.一种振动沉桩模拟试验系统，包括：

振动加载装置，适于输出激振力；

沉桩模拟装置，包括桩体、土体、适于盛装土体的盛土容器、反力架、导轨和若干个滑轮，所述桩体为钢管桩，所述导轨、若干个滑轮安装在所述反力架上，所述桩体与所述振动加载装置连接，所述盛土容器可滑动地安装于所述导轨，所述滑轮上绕设有钢丝绳，所述钢丝绳的一端与所述盛土容器连接，所述钢丝绳的另一端适于悬挂配重载体，以便拉动所述盛土容器相对所述导轨竖直向上运动，以带动所述土体相对桩体运动，以便获取桩体在激振力作用下的沉桩过程；

信号采集装置，设置于所述桩体的顶部，适于采集所述桩体的受力信号，并适于根据所述受力信号监测桩体的受力情况。

2.如权利要求1所述的振动沉桩模拟试验系统，其中，所述振动加载装置包括：

信号发生器，适于生成按正弦函数变化的电压信号；

功率放大器，与所述信号发生器连接，适于放大所述信号发生器生成的电压信号；以及

电动式激振器，固定于所述反力架，并与所述功率放大器连接，适于将经过放大的电压信号转化为相应的激振力，所述电动式激振器包括顶杆，所述顶杆与所述桩体连接，以便通过所述顶杆将激振力传递给所述桩体。

3.如权利要求2所述的振动沉桩模拟试验系统，其中，所述信号采集装置包括：

压电式力传感器，分别与所述电动式激振器、桩体的顶部连接，适于采集与所述桩体的受力相关的电流信号；

电荷放大器，与所述压电式力传感器连接，适于放大所述压电式力传感器采集的电流信号；

动态信号测试分析系统，与所述电荷放大器连接，适于获取经所述电荷放大器放大后的电流信号，并适于根据该电流信号监测所述桩体的受力情况。

4.如权利要求2所述的振动沉桩模拟试验系统，其中：

所述电动式激振器通过固定座与所述反力架固定连接。

5.如权利要求3所述的振动沉桩模拟试验系统，其中：

所述顶杆上设有第一螺纹孔；

所述压电式力传感器设有第二螺纹孔；

所述第一螺纹孔与所述第二螺纹孔通过连接杆固定连接。

6.如权利要求5所述的振动沉桩模拟试验系统，其中：

所述桩体的顶部设有第三螺纹孔；

所述压电式力传感器的底部与所述第三螺纹孔固定连接。

7.如权利要求1-6任一项所述的振动沉桩模拟试验系统，其中，所述导轨为轴承导轨，其包括：

导轨本体，与所述反力架固定连接；以及

滚珠衬套，可滑动地安装在所述导轨本体上，并通过底座与所述盛土容器固定连接，以便盛土容器相对所述导轨本体运动。

8.如权利要求1-6任一项所述的振动沉桩模拟试验系统，其中：

所述滑轮设有四个，四个滑轮均匀分布在所述反力架上。

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