CN116956657A - 层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,包括如下步骤:S1将泥岩分为顺倾岩质边坡和反倾岩质边坡;S2确定均质泥岩与层面的参数及边界条件;S3根据各参数自身情况分别设置不同的梯度变化,分别计算分析各参数所对应的边坡安全系数;S4根据各参数所对应的边坡安全系数进行区别分析;S5对各参数所对应的影响因素进行敏感度计算分析,本发明全面考虑岩层产状对边坡稳定敏感性最大的影响因素进行模拟计算分析,至少选择岩层倾角、层厚对边坡安全系数的影响进行比较分析,再对各个影响因素进行敏感度计算,探寻边坡失稳的主导因素,研究结果对实际工程有一定的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及岩质工程技术领域,尤其涉及层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法。
背景技术
随着时代的发展,边坡与人们的生产生活活动日渐紧密相关,且边坡多存在于公路、桥梁、矿山开采、城镇建设等方面,因此边坡失稳不仅对人民群众的财产生命安全造成巨大影响,同时会对当地的自然景观造成一定的破坏。边坡按照物质的组成可分为土质边坡和层状岩质边坡,层状岩质边坡按倾向可分为顺倾向和反倾向岩质边坡,长期以来,边坡稳定性问题一直是影响岩质边坡开采的关键,影响边坡稳定的主要影响因素包括边坡自身产状和岩土体的抗剪强度以及外界因素。因此对边坡进行合理的稳定分析以及正确的敏感性评价是边坡工程开展的基础,同时可为边坡滑坡的防治提供有效针对性措施。
相关技术中对边坡稳定影响因素的敏感性做出了深入的研究,并取得了许多成果,但研究主要是在岩体边坡整体的强度参数方面,且大部分研究表明岩体的强度参数是影响边坡稳定的主要因素,但是对层状岩质边坡的倾角与层厚方面考虑较少,因此无法准确反映边坡真实状况。
发明内容
为解决上述背景技术中所提的技术问题,本发明提供层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法。
本发明采用以下技术方案实现:层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,包括如下步骤:
S1:模型建立,设定岩性为均质泥岩,并将泥岩分为顺倾岩质边坡和反倾岩质边坡,并设定各边坡的高度、坡角、倾角;
S2、确定均质泥岩与层面的参数及边界条件;
S3、根据各参数自身情况分别设置不同的梯度变化,分别计算分析各参数所对应的边坡安全系数;
S4、根据各参数所对应的边坡安全系数,获得各参数下的最大剪应变模拟云图,分析出在相同的参数条件下顺倾与反倾岩质边坡的稳定安全系数的区别;
S5、对各参数所对应的影响因素进行敏感度计算,分析出边该坡失稳的主导因素。
作为上述方案的进一步改进,在步骤S2中,均质泥岩的强度参数至少包括岩层倾角及岩层层厚;层面的强度参数至少包括层面粘聚力及层面内摩擦角。
作为上述方案的进一步改进,在步骤S2中,边界条件为两端水平约束,底部X、Y方向均约束,其余边界为自由边界。
作为上述方案的进一步改进,在步骤S4中,在分析岩层层厚时,泥岩层厚的选取范围在0.4m、0.6m、0.8m、1.2m、1.6m、2.0m内,其余参数保持不变;
其中,顺倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.52-1.56,反倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.2-1.16;
在分析岩层倾角时,倾角选取范围在0°-85°内,变化梯度为5°,其余参数保持不变;
其中,顺倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.95-1.93,反倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.95-1.6。
作为上述方案的进一步改进,在步骤S5中,将反倾岩质边坡倾角分为平缓阶段0°-25°、下降阶段30°-55°、混合阶段60°-85°;
将顺倾岩质边坡的倾角分为下降阶段0°-25°、混合阶段30°-55°、上升阶段60°-85°。
作为上述方案的更进一步改进,在步骤S5中,对各参数所对应的影响因素进行敏感度计算的方法包括如下步骤:
S51、定义参考序列矩阵X与被比较序列矩阵Y分别为:
Xi=[xi(1),xi(2),…xi(n)],Yi=[yi(1),yi(2)…yi(n)],
被比较序列矩阵Y是参考序列矩阵X在对应条件下的数列矩阵,则子母序列的表达式分别为:
S52、对参考序列矩阵X和被比较序列矩阵Y进行无量纲化处理,以获得差异序列矩阵△ij,找出差异序列矩阵△ij中的最大值与最小值;
S53、初步设定关联系数矩阵为R,根据差异序列矩阵中的最大值与最小值,获得关联系数矩阵中的参数;
S54、根据关联系数矩阵中的参数获得关联系数矩阵R,并分别计算出每个参数的敏感度。
作为上述方案的更进一步改进,在步骤S52中,对参考序列矩阵X和被比较序列矩阵Y进行无量纲化处理,以获得差异序列矩阵△ij的方法包括如下步骤:
S521、将参考序列矩阵X和被比较序列矩阵Y分别代入下式进行处理,以分别获得处理后的矩阵X'和矩阵Y',该下式为:
S522、将矩阵X′和矩阵Y′分别代入下式进行处理,获得差异序列矩阵△ij,该下式为:
Δij=|x′ij-y′ij|。
作为上述方案的更进一步改进,在步骤S52中,在差异序列矩阵△ij中找出的最大值与最小值分别表示为:
Δmax=maxΔij;
Δmin=minΔij。
作为上述方案的更进一步改进,在步骤S53中,关联系数矩阵中的参数表示为:
其中,ω为分辨系数,在0-1范围之间。
作为上述方案的更进一步改进,在步骤S54中,关联系数矩阵R表示为:
其中,n为所选因素的水平数量。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
本发明的层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,全面考虑岩层产状对边坡稳定敏感性最大的影响因素,且采用有限元强度折减法进行模拟计算分析,选择层面粘聚力与内摩擦角、岩层倾角、坡角、坡高、层厚对边坡安全系数的影响进行比较分析,再以灰色关联理论为基础,对各个影响因素进行敏感度计算,探寻边坡失稳的主导因素,其中对岩层倾角进行了着重分析,研究结果对实际工程有一定的指导意义。
附图说明
图1为本发明的边坡有限元计算模型,其中(a)为反倾岩质边坡,(b)为顺倾岩质边坡;
图2为本发明的各参数下的安全系数图;
图3为本发明的各参数与安全系数的关系图,其中(a)为坡脚与安全系数关系,(b)为坡高与安全系数关系,(c)为层厚与安全关系,(d)为层面粘聚力与安全系数关系,(e)为层面内摩擦角与安全系数关系,(f)为倾角与安全系数关系;
图4为本发明分析方法的流程示意图。
具体实施方式
下面,结合附图以及具体实施方式,对本发明做进一步描述,需要说明的是,在不相冲突的前提下,以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,包括如下步骤:
S1:模型建立,设定岩性为均质泥岩,并将泥岩分为顺倾岩质边坡和反倾岩质边坡,并设定各边坡的高度、坡角、倾角;
在步骤S1中,由于岩体结构面的存在使得边坡破坏模式较为复杂,自然界中普遍出露的砂岩、页岩、灰岩、泥岩等均为层状岩质边坡,由泥岩组成的岩质边坡相对于其他岩性较为不稳定,因此为了使所求更加反映实际,在建模过程中假设岩性为均质泥岩,边坡高度为40m,坡角为60°,倾角60°,均采用摩尔库伦准则,所建模型如图1所示。
S2、确定均质泥岩与层面的参数及边界条件;
在步骤S2中,均质泥岩的强度参数至少包括岩层倾角及岩层层厚;层面的强度参数至少包括层面粘聚力及层面内摩擦角。
经查阅岩石力学参数手册与相关文献规范中有关泥岩的相关参数,且以安全系数的大小作为边坡是否稳定的判据。确定泥质岩体与层面的参数:岩体天然密度2.5g/cm3,弹性模量1200Mpa,抗拉强度0.5Mpa,泊松比0.5,其余相关参数如下表1和表2。
表1为岩体强度参数表
表2为层面强度参数表
在步骤S2中,边界条件包括位移边界和应力边界,由于本次模型仅考虑边坡本身自重的影响,未考虑其他因素,因此所采用的边界条件为两端水平约束,底部X、Y方向均约束,其余边界为自由边界。
S3、根据各参数自身情况分别设置不同的梯度变化,分别计算分析各参数所对应的边坡安全系数。
影响边坡稳定性的因素较多,在以往研究中,对岩体的粘聚力、内摩擦角分析较多,且弹性模量、泊松比等强度参数对边坡稳定性的影响较小,因此本次选择层面粘聚力、层面内摩擦角、岩层倾角、坡角、坡高、层厚作为本次所研究的影响因素,模拟中6个参数的因素根据自身情况设置不同的梯度变化,采用单因变量法对各个影响因素进行计算分析,如表下3所示。
表3为影响因素参数表
S4、根据各参数所对应的边坡安全系数,获得各参数下的最大剪应变模拟云图,分析出在相同的参数条件下顺倾与反倾岩质边坡的稳定安全系数的区别;
根据所设计方案计算得到边坡的安全系数,同时获得各参数下的最大剪应变模拟云图,发现在相同的参数条件下顺倾与反倾岩质边坡的稳定安全系数有着较大的区别,即一方的稳定的同时另一方可能存在失稳的情况(如图2和图3)。
在步骤S4中,在分析岩层层厚时,泥岩层厚的选取范围在0.4m、0.6m、0.8m、1.2m、1.6m、2.0m内,其余参数保持不变;
其中,顺倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.52-1.56,反倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.2-1.16;
在分析岩层倾角时,倾角选取范围在0°-85°内,变化梯度为5°,其余参数保持不变;
其中,顺倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.95-1.93,反倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.95-1.6。
本步骤的具体分析如下:
(1)坡角变化的影响
本次坡角选取范围在[45°、50°、55°、60°、65°、70°]内,其余参数保持不变(表3)。顺倾边坡安全系数变化范围为[0.83-2.18],安全系数随着坡角的增大而降低,且坡角达到70°时,安全系数为0.83(<1),此时边坡处于失稳状态,而反倾边坡的安全系数变化范围为[1-1.61],整体较为稳定(图2a-d,3a)。
顺倾边坡坡角<倾角时,下降幅度趋于平缓,但当坡角>倾角时,安全系数急速下降,且逐渐趋于不稳定状态(图2a-d,3a)。当反倾边坡坡角<倾角时,安全系数下降速率较大,坡角>倾角时,安全系数下降趋于平缓,与顺倾边坡相反(图2a-d,3a)。
(2)坡高变化的影响
本次坡高选取范围在[10m、20m、30m、40m、50m、60m]内,其余参数保持不变(表3)。其中顺倾边坡安全系数变化范围为[1.23-5.33],反倾边坡安全系数变化范围为[0.84-4.51],安全系数随着坡高的增高而增大(图3b)。其中顺倾边坡在所选取范围内较为稳定,而反倾边坡坡高达到60m时,安全系数为0.84(<1),处于失稳状态(图2e-h,3b)。
(3)层面厚度变化的影响
本次岩层层厚选取范围在[0.4m、0.6m、0.8m、1.2m、1.6m、2.0m]内,其余参数保持不变(表3)。其中顺倾安全系数变化范围为[1.52-1.56],反倾边坡安全系数变化范围为[1.2-1.16],随着层厚的增加,二者安全系数呈现出先降低后升高的现象,但均较为稳定(图2i-l,3c)。但层厚处于[0.4m-0.8m]范围内时,反倾安全系数的下降幅度要大于顺倾边坡(图2i-l,3c)。
(4)层面粘聚力变化的影响
本次层面粘聚力选取范围在[0kpa、10kpa、20kpa、30kpa、40kpa、50kpa]内,其余参数保持不变(表3)。其中顺倾边坡安全系数变化范围为[1.35-1.66],反倾边坡安全系数变化范围为[0.91-1.22],粘聚力越高,安全系数越高(图2m-p,3d)。此时顺倾边坡整体处于稳定状态,即使反倾与顺倾边坡的安全系数变化幅度一致,但粘聚力为10kpa时,反倾边坡安全系数为0.99(<1),反倾边坡处于失稳状态(图2m-p,3d)。
(5)层面内摩擦角变化的影响
本次内摩擦角选取范围在[0°、10°、20°、30°、40°、50°]内,其余参数保持不变(表3)。顺倾边坡安全系数变化范围为[1.45-2.01],反倾边坡安全系数的变化范围为[0.78-2.07],安全系数随着内摩擦角的增大逐渐增大(图2q-t,3e)。顺倾边坡在所选范围内较为稳定且安全系数变化较为平缓,而反倾边坡安全系数增幅远大于顺倾岩质边坡,且层面内摩擦角为0°时,反倾边坡安全系数为0.78,此时反倾边坡处于失稳状态(图2q-t,3e)。
(6)岩层倾角变化的影响
本次倾角选取范围在[0°-85°]内,变化梯度为5°,其余参数保持不变(表3)。计算结果看出倾角的变化对安全系数的影响较为复杂,顺倾边坡安全系数变化范围为[1.95-1.93](图3f)。倾角在[0°-45°]时,边坡安全系数处于急速下降阶段。且倾角达到35°时,安全系数为0.94(<1),边坡处于失稳状态。倾角在[45°-85°]期间,边坡安全系数处于快速上升阶段,当倾角达到55°以上时,边坡安全系数大于1,边坡有又逐渐趋于稳定(图2u-D,3f)。
此时反倾边坡安全系数变化范围为[1.95-1.6](图3f)。倾角在[0°-25°]时,边坡安全系数变化较为平缓,无较大波动。倾角在[25°-70°]时,边坡安全系数处于急速下降阶段到了1.04,但也处于基本稳定状态,倾角在[70°-85°]时,安全系数处于一个快速上升阶段,边坡更加稳定(图2u-D,3f)。
S5、对各参数所对应的影响因素进行敏感度计算,分析出边该坡失稳的主导因素。
在步骤S5中,将反倾岩质边坡倾角分为平缓阶段0°-25°、下降阶段30°-55°、混合阶段60°-85°;将顺倾岩质边坡的倾角分为下降阶段0°-25°、混合阶段30°-55°、上升阶段60°-85°,与其他影响因素进行分析比较,分析出在不同倾角范围内对边坡安全系数影响最大的影响因子。
在步骤S5中,对各参数所对应的影响因素进行敏感度计算的方法包括如下步骤:
S51、由于层面粘聚力、内摩擦角、坡角、倾角、坡高、层厚的量纲单位不一致,差值较大,无法进行精确比较,因此需对变量因素进行无量纲化,本实施例采用区间相对值法对矩阵进行无量纲化,其具体方法为:
先定义参考序列矩阵X与被比较序列矩阵Y分别为:
Xi=[xi(1),xi(2),…xi(n)],Yi=[yi(1),yi(2)…yi(n)],
被比较序列矩阵Y是参考序列矩阵X在对应条件下的数列矩阵,则子母序列的表达式分别为:
S52、对参考序列矩阵X和被比较序列矩阵Y进行无量纲化处理,以获得差异序列矩阵△ij,找出差异序列矩阵△ij中的最大值与最小值;
在步骤S52中,对参考序列矩阵X和被比较序列矩阵Y进行无量纲化处理,以获得差异序列矩阵△ij的方法包括如下步骤:
S521、将参考序列矩阵X和被比较序列矩阵Y分别代入下式进行处理,以分别获得处理后的矩阵X′和矩阵Y′,该下式为:
S522、将矩阵X′和矩阵Y′分别代入下式进行处理,获得差异序列矩阵△ij,该下式为:
Δij=|x′ij-y′ij|。
在步骤S52中,在差异序列矩阵△ij中找出的最大值与最小值分别表示为:
Δmax=maxΔij;
Δmin=minΔij。
S53、初步设定关联系数矩阵为R,根据差异序列矩阵中的最大值与最小值,获得关联系数矩阵中的参数;
在步骤S53中,关联系数矩阵中的参数表示为:
其中,ω为分辨系数,在0-1范围之间。
S54、根据关联系数矩阵中的参数获得关联系数矩阵R,并分别计算出每个参数的敏感度。
在步骤S54中,关联系数矩阵R表示为:
其中,n为所选因素的水平数量。
在步骤S5中,对S5、对计算出各参数的敏感度分析如下:
采用上述方法逐步进行计算,得到反倾边坡各影响因素(粘聚力、内摩擦角、坡高、坡角、层厚、倾角[0°-25°]、倾角[30°-55°]、倾角[60°-85°])的敏感度依次为:
r=[0.9507、0.9898、0.4985、0.5227、0.5515、0.5303、0.5031、0.6872]
顺倾岩质边坡各影响因素(粘聚力、内摩擦角、坡高、坡角、层厚、倾角[0°-25°]、倾角[30°-55°]、倾角[60°-85°])的敏感度依次为:
r=[0.9086、0.9081、0.4985、0.5237、0.7142、0.5028、0.6045、0.8053]
结果看出,强度参数对反倾岩质边坡安全系数的影响最为显著,坡高的敏感度最低,且层面内摩擦角>层面粘聚力。在考虑坡体产状的因素下,岩层倾角在[60°-85°]时,其敏感性占据主导地位,且不同的范围内的倾角敏感度有着较大的变化。各参数敏感度大小排序为:
内摩擦角>粘聚力>倾角[60°-85°]>层厚>倾角[0°-25°]>坡角>倾角[30°-55°]>坡高
在顺倾边坡情况下,层面强度参数的敏感度依旧是主要影响因素,但层面粘聚力>层面内摩擦角,与反倾岩质边坡相反。在考虑坡体自身产状的情况下,顺层岩质边坡倾角在[60°-85°]的范围内,其敏感度达到了0.8053,与粘聚力和内摩擦角的敏感度极其接近。其参数敏感度大小排序为:
粘聚力>内摩擦角>倾角[60°-85°]>层厚>倾角[30°-55°]>坡角>倾角[0°-25°]>坡高。
综上,采用本发明的分析方法:
(1)从以上结果可以看出,对岩性为泥岩的岩质边坡稳定影响最大的影响因素为边坡自身强度参数,而在边坡自身产状方面,岩层倾角、层厚是影响边坡稳定的关键点。随着岩层倾角、层厚的增加,二者的安全系数变化较为复杂,而坡角、坡高相对而言敏感性较低。
(2)在顺倾岩质边坡中,其中层面粘聚力占据主导地位,内摩擦角次之。在边坡产状方面,不同倾角的情况下,其敏感性发生着较大变化,岩层倾角
[60°-85°]是影响稳定性的主要方面,与强度参数的敏感度仅差0.1,且坡角>倾角时,安全系数下降幅度较快。
(3)在反倾岩质边坡中,其中层面内摩擦角对反倾岩质边坡稳定的敏感度最高,粘聚力次之。在考虑自身产状时,其中倾角[60°-85°]的敏感度亦是仅次于强度参数,且坡角<倾角时,安全系数下降较快,与顺倾岩质边坡相反。因此在层状岩质边坡中,对自身强度分析的同时,同时要考虑岩层倾角对边坡稳定的影响,综合分析倾角与坡角的关系,确定准确的参数,制定出相应的应对措施。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式,不能以此来限定本发明保护的范围,本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:模型建立,设定岩性为均质泥岩,并将泥岩分为顺倾岩质边坡和反倾岩质边坡;
S2、确定均质泥岩与层面的参数及边界条件;
S3、根据各参数自身情况分别设置不同的梯度变化,分别计算分析各参数所对应的边坡安全系数;
S4、根据各参数所对应的边坡安全系数,获得各参数下的最大剪应变模拟云图,分析出在相同的参数条件下顺倾与反倾岩质边坡的稳定安全系数的区别;
S5、对各参数所对应的影响因素进行敏感度计算,分析出边该坡失稳的主导因素。
2.如权利要求1所述的层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,其特征在于,在步骤S2中,均质泥岩的强度参数至少包括岩层倾角及岩层层厚;层面的强度参数至少包括层面粘聚力及层面内摩擦角。
3.如权利要求1所述的层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,其特征在于,在步骤S2中,边界条件为两端水平约束,底部X、Y方向均约束,其余边界为自由边界。
4.如权利要求1所述的层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,其特征在于,在步骤S4中,在分析岩层层厚时,泥岩层厚的选取范围在0.4m、0.6m、0.8m、1.2m、1.6m、2.0m内,其余参数保持不变;
其中,顺倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.52-1.56,反倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.2-1.16;
在分析岩层倾角时,倾角选取范围在0°-85°内,变化梯度为5°,其余参数保持不变;
其中,顺倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.95-1.93,反倾岩质边坡的安全系数变化范围为1.95-1.6。
5.如权利要求1所述的层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,其特征在于,在步骤S5中,将反倾岩质边坡倾角分为平缓阶段0°-25°、下降阶段30°-55°、混合阶段60°-85°;
将顺倾岩质边坡的倾角分为下降阶段0°-25°、混合阶段30°-55°、上升阶段60°-85°。
6.如权利要求5所述的层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,其特征在于,在步骤S5中,对各参数所对应的影响因素进行敏感度计算的方法包括如下步骤:
S51、定义参考序列矩阵X与被比较序列矩阵Y分别为:
Xi=|xi(1),xi(2),…xi(n)|,Yi=|yi(1),yi(2)…yi(n)|,
被比较序列矩阵Y是参考序列矩阵X在对应条件下的数列矩阵,则子母序列的表达式分别为:
S52、对参考序列矩阵X和被比较序列矩阵Y进行无量纲化处理,以获得差异序列矩阵△ij,找出差异序列矩阵△ij中的最大值与最小值;
S53、初步设定关联系数矩阵为R,根据差异序列矩阵中的最大值与最小值,获得关联系数矩阵中的参数;
S54、根据关联系数矩阵中的参数获得关联系数矩阵R,并分别计算出每个参数的敏感度。
7.如权利要求6所述的层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,其特征在于,在步骤S52中,对参考序列矩阵X和被比较序列矩阵Y进行无量纲化处理,以获得差异序列矩阵△ij的方法包括如下步骤:
S521、将参考序列矩阵X和被比较序列矩阵Y分别代入下式进行处理,以分别获得处理后的矩阵X′和矩阵Y′,该下式为:
S522、将矩阵X′和矩阵Y′分别代入下式进行处理,获得差异序列矩阵△ij,该下式为:
Δij=|x′ij-y′ij|。
8.如权利要求7所述的层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,其特征在于,在步骤S52中,在差异序列矩阵△ij中找出的最大值与最小值分别表示为:
Δmax=maxΔij;
Δmin=minΔij。
9.如权利要求8所述的层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,其特征在于,在步骤S53中,关联系数矩阵中的参数表示为:
其中,ω为分辨系数,在0-1范围之间。
10.如权利要求9所述的层状岩质边坡稳定影响因素敏感性分析方法,其特征在于,在步骤S54中,关联系数矩阵R表示为:
其中,n为所选因素的水平数量。
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CN117556644B (zh) * | 2024-01-12 | 2024-05-10 | 长江勘测规划设计研究有限责任公司 | 一种陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法 |
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