CN113373993B - 一种考虑土压力系数的组合荷载模型桩试验系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑土压力系数的组合荷载模型桩试验系统及测试方法。该系统包括模型桩试验装置、土压力控制装置、激光测量装置以及数据采集处理装置。模型桩试验槽内部设置有土体，槽内壁设置有土压力环形橡胶膜，槽外壁设置有透明扫描孔；所述土压力控制装置连接到土压力橡胶膜；透明扫描孔外设置有激光测量装置；模型桩试验装置、土压力控制装置、激光测量装置均连接到数据采集处理装置。本发明提供的系统能够实现不同土压力系数、不同荷载组合形式下的模型桩极限承载力试验，模拟实际工程中复杂土压力系数作用下的模型桩变形破坏特征，也可以实现群桩作用下试验研究。

Description

一种考虑土压力系数的组合荷载模型桩试验系统及测试方法

技术领域

本发明属于土工模型试验技术领域，具体涉及适用于不同土压力系数作用下、受荷情况复杂的模型桩室内试验装置及试验方法。

背景技术

在交通工程、高压输变线塔、桥梁工程等众多土木工程中，桩基础作为一种提升基础承载力的措施被广泛应用。实际工程中的桩基础通常体量较大，虽然原位足尺试验可以更准确的研究桩基础的特性，但是综合考虑经济、场地、试验周期等因素，采用室内模型试验可为充分研究不同土层、受荷情况、布置形式下的桩基承载力特性发挥重要的作用，同时促进科研、设计、施工等领域对桩基承载机理的认识。

相关的科学技术人员在室内开展了大量的模型桩试验工作，但是现有的试验工作对土压力系数的考虑严重不足。已有的理论研究成果表明，土压力系数的合理取值直接影响桩基极限承载的计算精度。实际工程中的土压力系数则受到诸多影响因素的影响，比如土的种类、密度、含水量、应力历史、周边荷载等，具体到土压力系数的取值，则在较大的范围内变动，因此实际工程中的土压力系数较为复杂，难以通过理论计算准确获取，需要通过实际测量确定。因此充分研究不同土压力系数下的桩基极限承载力特性具有重要的实际意义。桩基础在实际工程中承受荷载的情况通常是复杂的，在水平和竖直的组合荷载下，其桩基的变形特征也较为复杂，具有同时向上和水平变形的趋势，导致桩基本身发生倾斜，针对这种倾斜测量，现有的通过机械表的测量方法，通常由于测表表针的移动，而存在一定的失真。考虑土压力系数并且准确测量受荷状态下桩的变形特征，对于正确把握桩基承载力特性、变形特性具有广泛的工程实用价值，也是目前科研和工程技术人员需要解决的关键技术问题之一。

目前针对模型桩的试验方法较多，但是尚无关于考虑土压力系数和精确测量模型桩变形的组合荷载下的模型桩试验装置及相关的试验方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种考虑土压力系数的组合荷载模型桩试验系统，并给出了利用该系统进行荷载试验方法。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种考虑土压力系数的组合荷载模型桩试验系统，包括模型桩试验装置、土压力控制装置、激光测量装置以及数据采集处理装置；

所述模型桩试验装置包括模型桩试验槽、模型桩、千斤顶、土体和模型桩反力架；模型桩通过水平、竖向加载千斤顶施加载荷，并置于模型桩试验槽中；模型桩试验槽内部设置有土体，槽内壁设置有土压力环形橡胶膜，槽外壁设置有透明扫描孔；模型桩试验槽通过模型桩反力架固定；

所述土压力控制装置包括土压力加载液压泵，土压力加载液压泵连接到土压力橡胶膜；

透明扫描孔外设置有激光测量装置；

模型桩试验装置、土压力控制装置、激光测量装置均连接到数据采集处理装置。

进一步，所述模型桩试验装置中，竖向加载千斤顶根据荷载方向选择第一竖向加载千斤顶或第二竖向加载千斤顶；

所述模型桩反力架包括中间设置有反力工字钢的n型框架，框架通过反力架锚固装置固定；

所述第一竖向千斤顶提供竖直向上的载荷，设置在反力工字钢上端，千斤顶顶头连接到第一竖向荷载传力装置再与模型桩连接；

所述第二竖向千斤顶提供竖直向下的载荷，设置在反力工字钢下端，千斤顶顶头连接模型桩；

所述水平加载千斤顶设置在模型桩试验槽侧壁，通过水平荷载传力装置与模型桩连接；

所述千斤顶均通过液压泵加载压力，液压泵电连接到数据采集处理装置。

更进一步，所述第一竖向千斤顶为中空结构，所述第一竖向荷载传力装置为T型结构，其竖杆穿过第一竖向加载千斤顶的中部空腔连接到模型桩。

进一步，所述土体中布置有土压力传感器，土压力传感器电连接到数据采集处理装置。土压力传感器布置到试验土体中，与土压力橡胶膜处于同一水平面上，且每个水平面对称布置2个。

进一步，所述模型桩试验槽内壁开有多个环形橡胶模槽以放置土压力橡胶膜。

进一步，所述土压力橡胶膜为环形筒体结构，四周环形设置有4个橡胶膜压力管。所述土压力橡胶膜的材质优选聚氨酯橡胶PU；橡胶膜槽开口处加工成倒圆角；模型桩试验槽材质不限，可采用基础上部浇筑或基础下部开挖的形式。

进一步，所述土压力控制装置包括土压力加载管道、加载液压阀、土压力加载传感器和土压力加载液压泵；

所述土压力管道上设置有加载液压阀和土压力加载传感器，一端连通到土压力加载液压泵，另一端连通到土压力橡胶膜；

所述加载液压泵电连接到数据采集处理装置。

进一步，所述激光测量装置由激光扫描仪组成，可实时监测模型桩的变形特征。

进一步，所述数据采集处理装置为数据处理控制仪，用于实时采集试验土体的土压力变化、土压力橡胶膜的压力变化、千斤顶荷载情况和模型桩的变形情况；通过试验过程的系统控制，实时获取不同土压力系数分布情况、不同组合荷载下的模型桩的压力-变形曲线。

第二方面，本发明提供利用第一方面系统进行荷载测试的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)初始加压：

按照试验目的和土压力系数的复杂程度，选择带有合适数量的橡胶膜槽的模型桩试验槽，并匹配对应的土压力橡胶膜；依次对土压力橡胶膜进行加压，当土压力橡胶膜膨胀到表面无褶皱，终止加压，保证后续装样时，不会因为试样的影响，造成土压力橡胶模无法膨胀；

(2)装样：

采取分层击实方式将试验土体填入到模型桩试验槽中；在预定部位放入模型桩，埋入土压力传感器，并保证土压力橡胶膜和土压力传感器安装到同一水平面；根据具体的组合荷载形式，选择对应的加载千斤顶；安装完成后，千斤顶开始加压，加压至与模型桩紧密接触

(3)土压力施加：

对于土压力橡胶膜进行土压力施加，分为两阶段：快速加压阶段和慢速加压阶段；快速加压至接近预设土压力值时，停止快速加压；

快速加压阶段以后进行慢速加压阶段，加压至预设的土压力值；

(4)组合荷载施加：

根据具体的试验目的，选择通过水平加载千斤顶、竖向加载千斤顶同时或者单独施加载荷；在施加载荷的同时，开启激光扫描仪，实时监测模型桩的变形特征；记录土体中的压力数据，绘制荷载变形曲线；

(5)卸样：

加载完成后，进行卸压，首先是水平荷载千斤顶和竖向荷载千斤顶的卸压，卸压完成后移除加载千斤顶；千斤顶移除后，进行土压力橡胶膜的缓慢卸压；卸压至0kPa后，进行试验土体的分层移除，移除过程中取出土压力传感器和土压力橡胶膜。

本发明提供的上述的一种考虑土压力系数的组合荷载模型桩试验系统，能够实现不同土压力系数、不同荷载组合形式下的模型桩极限承载力试验，通过可膨胀的土压力橡胶膜，模拟实际工程中复杂土压力系数作用下的模型桩在组合荷载下变形特征，同时也可以实现群桩作用下试验研究。

所述的模型桩变形主要通过激光测量装置测得，区别于传统机械测表有限点的变形测量，此试验系统可以开展模型桩未埋入试验土体整体的变形测量分析。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

1.可完成不同土压力系数作用下的模型桩测试试验：

能够实现不同土压力系数、不同荷载组合形式下的模型桩极限承载力试验，通过可膨胀的土压力橡胶膜，模拟实际工程中复杂土压力系数作用下的模型桩在组合荷载下变形特征。解决了目前工程实践中不能实现此类室内试验的问题。

2.与工程实际吻合度高。

实际桩基工程中，土压力系数通常是复杂的，同时土压力的不同，桩的承载力通常表现出不同差异。通过系统的不同土压力系数作用下的模型桩承载机理试验，对于深刻理解实际工程中桩基的破坏特性具有重要意义。

3.试验数据量丰富。

通过多种传感器，可以测得试验过程中的土压力变化、模型桩变形等特征。并且变形特征通过激光扫描仪进行三维扫描测量，变形特征丰富，为深入分析模型桩变形破坏机理提供重要支撑。

4.操作简单、耗时短、精度高、结果可靠，并可直观显示。

5.实用性强：

测得相关试验参数，可直接用于组合荷载下桩基承载力的评价。并且对于群桩桩基础，通过仪器设备的简单改造，同样具有重要的实用价值，在研究复杂环境下的桩基承载力等方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为考虑土压力系数的组合荷载模型桩试验系统。

图2为土压力橡胶膜示意图。

图3为模型桩试验槽示意图。

图4为水平荷载传力装置。

图5为模型桩反力架示意图。

图中：1.试验土体；2.模型桩；3.模型桩试验槽；4.模型桩反力架；5.反力架锚固装置；6.土压力橡胶膜；7.土压力传感器；8.水平加载千斤顶；9.第一竖向加载千斤顶；10.水平荷载传力装置；11.竖向荷载传力装置；12.水平压力传感器；13.竖向压力传感器；14.水平加载液压阀门；15.竖向加载液压阀门；16.水平加载液压泵；17.竖向加载液压泵；18.土压力加载液压阀；19.土压力加载传感器；20.土压力加载液压泵；21.激光扫描仪；22.透明扫描孔；23.数据处理控制仪；24.橡胶膜压力管；25.橡胶膜槽；26.压力管槽口；27.第二竖向加载千斤顶；28.反力工字钢。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

实施例

本发明提供的一种考虑土压力系数的组合荷载模型桩试验系统(以下简称系统)，其结构如图1所示，包括模型桩试验装置①、土压力控制装置②、激光测量装置③、数据采集处理装置④。

一、模型桩试验装置①

所述的模型桩试验装置①，由试验土体1、模型桩2、模型桩试验槽3、模型桩反力架4、反力架锚固装置5、土压力橡胶膜6、土压力传感器7、水平加载千斤顶8、第一竖向加载千斤顶9、水平荷载传力装置10、竖向荷载传力装置11、水平压力传感器12、竖向压力传感器13、水平加载液压阀门14、竖向加载液压阀门15、水平加载液压泵16、竖向加载液压泵17、透明扫描孔22、橡胶膜压力管24、橡胶膜槽25、压力管通道26、第二竖向加载千斤顶27、反力工字钢28组成。

所述模型桩反力架4包括中间设置有反力工字钢28的n型框架，框架通过反力架锚固装置5固定。模型桩试验槽3连接到反力工字钢28下端。

试验土体1装在模型桩试验槽3中。模型桩2竖直填埋在试验土体1中。模型桩试验槽3中设置有橡胶膜槽25。土压力橡胶膜6上环形设置有有4个橡胶膜压力管24，橡胶膜压力管24通过橡胶膜槽25中的压力管槽口26，将土压力橡胶膜6固定到橡胶膜槽25中，两者数量一致，土压力橡胶模6的数量不少于8个，竖向等间距布置。土压力传感器7布置到试验土体中，与橡胶膜槽25处于同一水平面上，且每个水平位置对称布置2个。

水平加压千斤顶8设置在模型桩试验槽侧壁，通过模型桩试验槽3提供反力，经水平荷载传力装置10，对模型桩2施加水平荷载。水平加载千斤顶8、水平加载液压阀门14、水平加载液压泵16顺次相连。

第一竖向加载千斤顶9提供竖直向下的荷载。第一竖向加载千斤顶9为中空千斤顶，放置在反力工字钢28上端，顶头连接到一端固定在模型桩的竖向荷载传力装置11，对模型桩3施加竖直向上的荷载。竖向荷载传力装置11为T型结构，其竖杆穿过第一竖向加载千斤顶9的中部空腔连接到模型桩2。第一竖向加载千斤顶9、竖向压力传感器13、竖向加载液压阀门15、竖向加载液压泵17顺次相连。

第二竖向加载千斤顶27提供竖直向上的荷载。根据竖向载荷的方向选择千斤顶。第二竖向加载千斤顶27底面连接到反力工字钢28下端，通过反力工字钢28提供反力，对模型桩3施加竖直向下的荷载。第二竖向加载千斤顶27、竖向压力传感器13、竖向加载液压阀门15、竖向加载液压泵17顺次相连。

二、土压力控制装置②

所述的土压力控制装置②由土压力加载管道、土压力加载液压阀18、土压力加载传感器19、土压力加载液压泵20组成。土压力管道上依次设置土压力加载液压阀18、土压力加载传感器19，再连通到土压力加载液压泵20。土压力加载液压阀18、土压力加载传感器19、土压力加载液压泵20的数量和试验时采用的土压力橡胶膜6的数量一致，并一一对应。

三、激光测量装置③

模型桩试验槽3外壁设置有透明扫描孔，透明扫描孔外设置有激光测量装置。激光测量装置由激光扫描仪组成，可实时监测模型桩的变形特征。

四、数据采集处理装置④

所述数据采集处理装置为数据处理控制仪(包括数据采集仪器和计算机)，用于实时采集试验土体的土压力变化、土压力橡胶膜的压力变化、千斤顶荷载情况和模型桩的变形情况；通过试验过程的系统控制，实时获取不同土压力系数分布情况、不同组合荷载下的模型桩的压力-变形曲线。

上述涉及的部件，也可以根据实际情况选用同类型和功能的其它部件。

五、各装置的连接关系

土压力橡胶膜连通到土压力加载管道。土压力传感器、水平加载液压泵和竖向加载液压泵与数据采集处理装置直连。土压力控制装置的土压力加载液压泵与数据采集处理装置相连。激光测量装置的激光扫描仪和数据采集处理装置直连。

利用上述荷载模型桩试验系统进行荷载测试的方法，步骤如下：

步骤1，初始加压：

按照试验目的和土压力系数的复杂程度，选择合适的带有一定数量橡胶膜槽25的模型桩试验槽3，并根据橡胶膜槽25的数量和尺寸选定对应土压力橡胶膜6，通过橡胶膜压力管24和压力管通道26，将土压力橡胶膜6固定到橡胶膜槽25中。土压力橡胶膜6上有4个橡胶膜压力管24，其中3个封闭备用，1个与土压力加载液压阀18、土压力加载传感器19、土压力加载液压泵20顺次相连，土压力加载液压泵20的由数据采集处理装置④控制加压情况。安装好土压力橡胶膜6后，打开其中一个土压力加载液压阀18，通过土压力加载液压泵20开始施加压力，当土压力橡胶膜6膨胀到表面无褶皱，并且和橡胶膜槽25出现贴合则加压终止，关闭土压力加载液压阀18，按照上述步骤，顺次开启其余土压力加载液压阀18，完成橡胶膜6的初始加压工作。

步骤2，装样：

取一定量的试验土体1，试验土体采用重塑土，将重塑土装入模型桩试验槽3中。试验土体采取分层击实方式填入，按照预定部位放入模型桩2，分层击实过程中，保持模型桩2始终竖直。分层击实过程中，埋入土压力传感器7，与土压力橡胶膜6安装到同一水平面，同一水平面至少对称安装2个，承压面水平，用以测量水平土压力，安装完后，将土压力传感和数据处理控制仪23相连。试验土体1击实后，根据试验目的，开始安装加载系统。

当组合荷载形式为上拔和水平时，安装水平加载千斤顶8和第一竖向加载千斤顶9。水平加载千斤顶10和水平荷载传力装置10安装完成后，打开水平加载液压阀门14，通过水平加载液压泵16施加预加荷载，加载到水平荷载传力装置10和模型桩2表面完全接触时，停止加载。第一竖向加载千斤顶9和竖向荷载传力装置11安装过程保证和模型桩2的轴向一致，安装完成后，打开竖向加载液压阀门15，通过竖向加载液压泵17施加预加荷载，加载到竖向荷载传力装置11上部平板和竖向加载千斤顶9表面完全接触时，停止加载。

当组合荷载形式为下压和水平时，用第二竖向加载千斤顶27代替竖向加载千斤顶9，安装完成后，打开竖向加载液压阀门15，通过竖向加载液压泵17施加预加荷载，加载到竖向加载千斤顶9和模型桩2桩顶完全接触时，停止加载。单一荷载的加载方式和上述步骤一致，根据加载方式，选择保留的千斤顶即可。安装结束。

步骤3，土压力施加：

通过击实后的试验土体1的密度，计算埋深下的自重应力。具体公式如下：

σ_z＝γH

其中σ_z为自重应力，γ试验土体容重，H为埋深。

根据试验目的确定土压力系数K，根据土压力系数确定不同埋深需要的水平土应力量值如下式所示：

σ_h＝Kσ_z＝KγH

其中σ_h为水平土压力。

土压力施加分两个阶段：快速加压阶段和慢速加压阶段。

快速加压阶段，打开所有土压力加载液压阀18，通过土压力加载液压泵20开始缓慢施加压力，通过土压力加载传感器19记录土压力橡胶膜6中的压力，加压速率不超过10kPa/min。按照不同埋深所需的水平土压力σ_h的95％为土压力橡胶膜6加压。压力达到预定值后，压力稳定10min以上，记录土压力传感器7的量值，同一水平面上对称的压力传感器7显示的土压力差值不超过5％时，开始进入慢速加压阶段。

慢速加压阶段，加压速率不超过0.1kPa/min，当同一水平面土压力传感器7的量值的平均值等于所处埋深的水平土压力σ_h，停止加压，关闭土压力加载液压阀18，并稳定1h以上。

步骤4，组合荷载施加：

按照试验目的计算所需要的竖向荷载和水平荷载量值及施加方式。竖向荷载施加时，打开竖向加载液压阀门15，通过竖向加载液压泵17施加预加荷载，竖向压力传感器13记录竖向荷载的变化情况，由数据采集处理装置④控制加载方式，当加载方向向上时，采用第一竖向加载千斤顶9，当加载方向向下时，采用第二竖向加载千斤顶27；水平荷载施加时，打开水平加载液压阀门14，通过水平加载液压泵16施加预加荷载，水平压力传感器12记录水平荷载的变化情况，由数据采集处理装置④控制加载方式。

其中水平荷载和竖向荷载可同时施加或单独施加。在施加荷载的同时，开启激光扫描仪21，通过透明扫描孔22实时监测模型桩2的变形特征。土压力传感器7记录加载过程中土压力的变化情况。试验时，由数据处理控制仪23实时显示组合荷载下模型桩2特征点的荷载-变形曲线。试验过程中的控制方法及试验终止条件由具体的试验目的确定。

步骤5，卸样：

加载完成后，数据处理控制仪23保存试验数据，然后进行卸压，首先卸压水平荷载和竖向荷载，卸压完成后移除水平加载千斤顶8、第一竖向加载千斤顶9和第二竖向加载千斤顶27；然后打开所有土压力加载液压阀18进行土压力橡胶膜6的缓慢卸压，卸压速率不超过10kPa/min，卸压至0kPa后，关闭所有的土压力加载液压阀18。最后进行试验土体的分层移除，移除到土压力传感器7和土压力橡胶膜6的位置时，首先小心取出土压力传感器7和土压力橡胶膜6，再进行后续的移除工作，直至所有试验土体移除完毕。

对于多根模型桩同时试验的情形，模型桩的布置形式依据试验目的确定，与之相对应的，应同时增加土压力传感器7、水平加载千斤顶8、第一竖向加载千斤顶9和第二竖向加载千斤顶27等试验设备数量，激光扫描仪21无法测量的模型桩，通过增加激光扫描仪21和透明扫描孔22解决，具体试验步骤不变。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种考虑土压力系数的组合荷载模型桩试验系统，其特征在于：

包括模型桩试验装置、土压力控制装置、激光测量装置以及数据采集处理装置；

所述模型桩试验装置包括模型桩试验槽、模型桩、千斤顶、土体和模型桩反力架；模型桩所受的荷载通过水平、竖向加载千斤顶施加，并置于模型桩试验槽中；模型桩试验槽内部设置有土体，槽内壁设置有土压力环形橡胶膜，槽外壁设置有透明扫描孔；模型桩试验槽通过模型桩反力架固定；所述土压力橡胶膜为环形筒体结构，四周环形设置有4个橡胶膜压力管；所述模型桩试验槽内壁开有多个环形橡胶模槽以放置土压力橡胶膜；

所述模型桩试验装置中，竖向加载千斤顶根据荷载方向选择第一竖向加载千斤顶或第二竖向加载千斤顶；

所述模型桩反力架包括中间设置有反力工字钢的n型框架，框架通过反力架锚固装置固定；

所述第一竖向千斤顶提供竖直向上的载荷，设置在反力工字钢上端，千斤顶顶头连接到第一竖向荷载传力装置再与模型桩连接；所述第一竖向千斤顶为中空结构，所述第一竖向荷载传力装置为T型结构，其竖杆穿过第一竖向加载千斤顶的中部空腔连接到模型桩；

所述第二竖向千斤顶提供竖直向下的载荷，设置在反力工字钢下端，千斤顶顶头连接模型桩；

所述水平加载千斤顶设置在模型桩试验槽侧壁，通过水平荷载传力装置与模型桩连接；

所述千斤顶均通过液压泵加载压力，液压泵电连接到数据采集处理装置；

所述土压力控制装置包括土压力加载液压泵，土压力加载液压泵连接到土压力橡胶膜；

透明扫面孔外设置有激光测量装置；所述激光测量装置由激光扫描仪组成；

模型桩试验装置、土压力控制装置、激光测量装置均连接到数据采集处理装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述土体中布置有土压力传感器，土压力传感器电连接到数据采集处理装置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述土压力控制装置包括土压力加载管道、加载液压阀、土压力加载传感器和土压力加载液压泵；

所述土压力管道上设置有加载液压阀和土压力加载传感器，一端连通到土压力加载液压泵，另一端连通到土压力橡胶膜；

所述加载液压泵电连接到数据采集处理装置。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述数据采集处理装置为数据处理控制仪。

5.权利要求1-4任一项所述的系统进行荷载测试的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)初始加压：

按照试验目的和土压力系数的复杂程度，选择带有合适数量的橡胶膜槽的模型桩试验槽，并匹配对应的土压力橡胶膜；依次对土压力橡胶膜进行加压；

(2)装样：

采取分层击实方式将试验土体填入到模型桩试验槽中；在预定部位放入模型桩，埋入土压力传感器，并保证土压力橡胶膜和土压力传感器安装到同一水平面；根据具体的组合荷载形式，选择对应的加载千斤顶；安装完成后，千斤顶开始加压，加压至与模型桩紧密接触；

(3)土压力施加：

对于土压力橡胶膜进行土压力施加，分为两阶段：快速加压阶段和慢速加压阶段；快速加压至接近预设土压力值，加压速率不超过10kPa/min，按照不同埋深所需的水平土压力σ_h的95％为土压力橡胶膜加压；再慢速加压至预设土压力值，加压速率不超过0.1kPa/min；

(4)组合荷载施加：

根据具体的试验目的，选择通过水平加载千斤顶、竖向加载千斤顶同时或者单独施加载荷；在施加载荷的同时，开启激光扫描仪，实时监测模型桩的变形特征；记录土体中的压力数据，绘制荷载变形曲线；

(5)卸样：

加载完成后，进行卸压，移除土体。

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