TWI807091B - 樁基礎及樁基礎之施工方法 - Google Patents
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Abstract
一種樁基礎,具有:樁,其沿鉛直方向延伸,其樁頭比地盤更向上方突出,以支承塔狀構造物;以及地板,其設置在地盤上,並固定在樁頭上,而使作用於樁的力向地盤傳遞。
Description
本發明係揭露一種基礎結構及其施工方法,並且更具體而言是一種樁基礎及其施工方法。
在日本特開2006-257749號公報中,公開了一種基礎樁構造,其係在埋設於地中的樁的頭部(樁頭)上設置有平板狀的支壓部件,並且在支壓部件的上方配置有作為上部構造的底腳(footing)。
然而,在支承塔狀構造物的樁基礎中,為了縮短工期,要求一種不擴大樁的直徑又能夠確保對水平力之阻力的構造。作為該構造的一例,有日本特開2006-257749號公報所記載之將支壓部件埋設在地中的構造。但是,在埋設支壓部件時需要預先挖掘地盤,會變得大型化。
本發明係考慮上述事實,其目的在於提供一種能夠在確保對水平力之阻力的同時縮短工期的樁基礎及樁基礎之施工方法。
本發明之第1態樣之樁基礎,具有:樁,其沿鉛直方向延伸,其樁頭比地盤更向上方突出,以支承塔狀構造物;以及地板,其設置在地盤上,並固定在樁頭上,而使作用於樁的力向地盤傳遞。
在本發明之第1態樣之樁基礎中,沿鉛直方向延伸的樁的下部埋設在地盤中,該樁的樁頭比地盤更向上方突出。並且,藉由該樁支承塔狀構造物。此外,在地盤上設置有地板,該地板固定在樁上,而使作用於樁上的力向地盤傳遞。藉此,即使是在從塔狀構造物向樁傾倒方向的力傳遞的情況下,也能夠使該力的至少一部分從地板向地盤傳遞,而能夠確保對水平力之阻力。
另外,地板固定在樁的樁頭上,而樁頭比地盤更向上方突出。藉此,在設置地板時不需要預先挖掘地盤。即,與在地盤中埋設支壓部件的構造相比,能夠在短時間內設置地板。
本發明之第2態樣之樁基礎,係在第1態樣中,該樁與該塔狀構造物同軸設置。
在本發明之第2態樣之樁基礎中,藉由將樁設置在與塔狀構造物同軸上,能夠作為用一根樁支承塔狀構造物的單樁基礎。其結果,與用多個樁支承塔狀構造物的構造相比,能夠縮短工期。
本發明之第3態樣之樁基礎,係在第1態樣或第2態樣中,該地板設置在海中。
在本發明之第3態樣之樁基礎中,即使是在將地板設置在海中的情況下,也不需要預先挖掘地盤,因此用於施工樁基礎的設備不會變得大型化。
本發明之第4態樣之樁基礎,係在第1態樣至第3態樣的任一態樣中,該樁係由鋼管所形成,該地板係由鋼材所形成。
在本發明之第4態樣之樁基礎中,樁與地板均由鋼材所形成,因此除了利用螺栓及螺母等的機械緊固方式將地板固定在樁頭上的方法以外,還能夠使用焊接等方法。
本發明之第5態樣之樁基礎,係在第1態樣至第3態樣的任一態樣中,該地板係由鋼筋混凝土一體形成。
在本發明之第5態樣之樁基礎中,能夠採用在將樁打入地盤後灌注混凝土而形成地板的方法。
本發明之第6態樣之樁基礎,係在第1態樣至第3態樣的任一態樣中,該地板包括由與該樁頭接合的多個鋼筋混凝土所製成的塊。
在本發明之第6態樣之樁基礎中,藉由使用由多個鋼筋混凝土製成的塊,能夠在將樁打入到地盤之後不灌注混凝土的情況下設置地板。
本發明之第7態樣之樁基礎,係在第1態樣至第6態樣的任一態樣中,該塔狀構造物構成風力發電裝置的腳部。
在本發明的第7態樣的樁基礎中,雖然風力發電裝置等的重物對樁作用傾倒方向的力矩(moment),但藉由地板作用與該力矩相反方向的力矩,因此能夠減輕作用於樁的最大力矩。
本發明之第8態樣的樁基礎之施工方法具有以下步驟:將用於支承塔狀構造物的樁打入地盤中;在打入的該樁的樁頭的周圍設置模框,該樁頭比地盤更向上方突出;以及在該樁頭上灌注混凝土,其中,在設置該模框時,將該模框的下端部埋設在地盤中。
在本發明之第8態樣的樁基礎之施工方法中,藉由將混凝土的模框的下端部埋設在地盤中,能夠使該模框的下端部發揮如楔子般的功能,而能夠
抑制地板離開地盤之情形。
本發明之第9態樣的樁基礎之施工方法具有以下步驟:將用於支承塔狀構造物的樁打入地盤中;以及在打入的該樁的樁頭的周面上接合多個塊,以形成一體的地板,該樁頭比地盤更向上方突出。
在本發明之第9態樣的樁基礎之施工方法中,藉由接合被分割的塊而形成地板,與將一體的地板接合在樁頭上的方法相比,地板的設置不會變得大型化。
如上所述,根據本發明的樁基礎及樁基礎之施工方法,能夠在確保對水平力之阻力的同時縮短工期。
10:樁基礎
12:風力發電裝置
14:腳部(塔狀構造物)
24:樁
24A:樁頭
26:地盤
28:地板
40:樁基礎
42:地板
50:樁基礎
51:模框
52:地板
58:混凝土
60:樁基礎
62:地板
64:模框
66:混凝土
70:樁基礎
72:地板
73:塊
74:樁
74A:樁頭
圖1係揭示應用了第1實施形態之樁基礎的風力發電裝置的整體示意圖。
圖2A係第1實施形態之樁基礎的立面圖。
圖2B係第1實施形態之樁基礎的平面圖。
圖3A係第1實施形態之樁基礎的立面圖及顯示作用的力之方向的圖。
圖3B係揭示在沒有地板的構造中之力平衡的圖。
圖3C係揭示在具有地板的構造中之力平衡的圖。
圖4係作用於第1實施形態之樁的力矩圖。
圖5A係第2實施形態之樁基礎的立面圖。
圖5B係揭示沿圖5A的5B-5B線切斷之狀態的平面剖視圖。
圖6A係第2實施形態之第1變形例之樁基礎的立面圖。
圖6B係揭示沿圖6A的6B-6B線切斷之狀態的平面剖視圖。
圖7A係第2實施形態之第2變形例之樁基礎的立面圖。
圖7B係揭示沿圖7A的7B-7B線切斷之狀態的平面剖視圖。
圖8A係第2實施形態之第3變形例之樁基礎的立面圖。
圖8B係第2實施形態之第3變形例之樁基礎的平面圖。
圖9A係第2實施形態之第3變形例之樁頭的主要部分放大圖。
圖9B係構成第2實施形態之第3變形例之地板的塊的立體圖。
圖10A係第3實施形態之樁基礎的立面圖。
圖10B係揭示沿圖10A的10B-10B線切斷之狀態的平面剖視圖。
<第1實施形態>
參照附圖對第1實施形態之樁基礎10進行說明。如圖1所示,本實施形態之樁基礎10作為支承風力發電裝置12的基礎。
風力發電裝置12包括:腳部(塔)14,其作為塔狀構造物,從樁基礎10沿鉛直方向延伸;以及設置在該腳部14的上端部的風車部16。另外,風車部16包括機艙18、輪轂20以及葉片22。
腳部14的直徑朝上方逐漸變小,該腳部14的下端與樁基礎10連結。另外,構成風車部16的機艙18轉動自如地安裝在腳部14的上端部,在該機艙18的內部收容有未圖示的發電機和放大器。
機艙18經由未圖示的轉子軸與輪轂20連結。而且,在輪轂20上安裝有作為多個旋轉翼的葉片22,在本實施形態中,作為一例,在輪轂20的周面上安裝有3片葉片22。
如上所述的風力發電裝置12的腳部14被樁基礎10支承。在此,本實施形態之樁基礎10包括樁24和地板28。
樁24係由鋼管所形成,以鉛直方向為軸向延伸,設置在與風力發電裝置12的腳部14大致同軸上。另外,樁24除了設置在上部的樁頭24A之外,其他部分藉由打擊工法打入地盤26中。在此,在本實施形態中,由於是應用於海上的風力發電裝置12的樁基礎10,因此,樁24被打入海底,從地盤26打入樁24的樁直徑的4至6倍左右的深度。在本實施形態中,作為一例,使用樁直徑為8m的樁24,從地盤26打入到40m左右的深度。
樁頭24A比地盤26向上方突出,在該樁頭24A上設置有地板28。因此,地板28設置在海中。如圖2A所示,地板28包括基座30和三角板32。
基座30以樁24的軸向(鉛直方向)為厚度方向而形成,並設置在地盤26上。另外,如圖2B所示,基座30在俯視時呈與樁24同心狀的大致圓形。並且,在本實施形態中,作為一例,基座30係由鋼材所形成,固定在樁頭24A的周面上。作為將基座30固定在樁頭24A上的方法,除了焊接以外,也可以採用利用螺栓及螺母等進行機械緊固的方法。
在基座30的上表面側設置有多個三角板32。沿樁24的周向等間隔地設置有8個三角板32,各個三角板32以沿樁24的方向和沿基座30的方向成為直線部分的方式呈大致三角形的形狀。
三角板32的下端面沿著基座30在樁24的徑向上延伸,固定在基座30的上表面。另外,三角板32的位於樁24的中心側的側面沿樁頭24A在鉛直方向上延伸,固定在該樁頭24A上。作為將該三角板32固定在基座30及樁頭
24A上的方法,與基座30相同,除了焊接以外,還可以採用利用螺栓及螺母等進行機械緊固的方法。
如上所述,地板28設置在地盤26上,並固定在樁頭24A上。因此,作用於樁24的外力經由地板28向地盤26傳遞。
(樁基礎之施工方法)
接下來,對本實施形態之樁基礎10之施工方法的一例進行說明。首先,在樁24和地板28分離的狀態下,利用打擊工法將樁24打入地盤26中至規定的深度。若採用此種打擊工法,則地盤26不限於砂土地盤或比較鬆的石子地盤,即使是軟岩也能夠對樁24進行施工(打入)。
接著,將地板28固定在打入的樁24上。在此,在本實施形態中,由於是在海中將地板28固定在樁頭24A上的作業,因此也可以採用預先在基座30上安裝三角板32而形成地板28,在該狀態下從樁24的上側通過樁頭24A將地板28設置在地盤26上的方法。
將地板28設置在地盤26上之後,以規定的方法將基座30和三角板32固定在樁頭24A上。以這樣的方式,對樁基礎10進行施工。
(作用)
接著,說明本實施形態之作用。
在本實施形態之樁基礎10中,在地盤26上設置有地板28,該地板28固定在樁24上,並將作用於樁24的力向地盤26傳遞。由此,即使在從作為塔狀構造物的風力發電裝置12的腳部14對樁24輸入樁24之傾倒方向的外力的情況下,也能夠使該外力的至少一部分經由地板28向地盤26傳遞,能夠確保樁24對水平力的阻力。關於其作用,以下參照圖3詳細說明。
如圖3A所示,在樁基礎10的樁24上沿水平方向作用有水平力F1。該水平力F1是藉由風力發電裝置12(參照圖1)受風而輸入至樁24的外力。
另一方面,在地盤26有相對於滑動面P向鉛直方向下方作用的力F2。該力F2是藉由地盤26的重量而作用的力。
在此,討論未設置地板28的樁基礎。在這樣的樁基礎中,如圖3B中雙點劃線所示,水平力F1和地盤26的重量產生的力F2之合力F4作為反力作用於地盤26的滑動面P。而且,藉由樁24的上部的土塊的滑動來決定樁的阻力。
相對於此,在如本實施形態設置有地板28的樁基礎10中,如圖3A所示,藉由向樁24傾倒的方向(水平力F1的方向)作用外力,從地板28的基座30向地盤26作用傾斜向下的力F3。
因此,在設置有地板28的樁基礎10中,如圖3C所示,除了作用於樁24的水平力F1和地盤26的重量產生的力F2之外,加上從地板28向地盤26作用的傾斜向下的力F3,三者之合力F5作為反作用力作用於地盤26的滑動面P。
在此,合力F5比未設置地板28的構造中的合力F4大。此外,合力F5與合力F4相比,鉛直方向的力增加,因此能夠增加土塊的滑動阻力。如此一來,能夠減小樁24的水平方向的位移量。
另外,如圖4所示,藉由在樁頭24A上設置地板28,能夠使力矩分布整體地滑動,能夠減輕最大力矩。值得一提的是,在圖4中,為了便於說明,用假想線(雙點劃線)表示樁24,並省略地板28的圖示。
圖4中用假想線顯示的力矩M1代表在未設置地板28的樁基礎中的力矩分布,而圖4中用實線顯示的力矩M2代表在有設置地板28的構造中的力矩分布。
力矩M1以及力矩M2是對樁24作用圖中向右的水平力的情況下所產生的,力矩M2藉由從地板28(參照圖3)作用與水平力相反方向的力矩,而降低在樁24上產生的最大力矩。由此,能夠將樁24所需的剖面降伏強度設計得較小。即,即使在減小樁24的直徑、或減小用於構成樁24的鋼管的壁厚的情況下,也能夠確保對水平力的阻力。
另外,在本實施形態中,在比地盤26向上方突出的樁頭24A上固定有地板28,該地板28設置在地盤26上。藉此,在設置地板28時不需要預先挖掘地盤26。即,與在地盤26中埋設支承板等的構造相比,能夠在短時間內設置地板28,而縮短樁基礎10的施工期間。
更進一步,在本實施形態中,如圖1所示,藉由將樁24設置在與風力發電裝置12的腳部14同軸上,能夠成為由1根樁24支承腳部14的單樁基礎。其結果,與設置多個樁24來支承風力發電裝置12等塔狀構造物的構造相比,能夠縮短工期。
另外,即使是如本實施形態那樣將地板28設置在海中的構造,只要是基於打擊工法的單樁基礎,就不需要預先挖掘地盤26,因此,用於施工樁基礎10的設備不會變得大型化。
另外,在本實施形態中,樁24和地板28均由相同的鋼材所形成。由此,除了利用螺栓及螺母等的機械緊固方式將地板28固定在樁頭24A上的方法以外,還能夠採用使用焊接等方法將地板28固定在樁頭24A上的方法。
<第2實施形態>
接下來,參照附圖對第2實施形態之樁基礎40進行說明。值得一提的是,對於與第1實施形態相同的構成標注相同的符號,並適當省略說明。
如圖5A所示,本實施形態之樁基礎40包括樁24和地板42,地板42設置在樁24的上部的樁頭24A上。值得一提的是,在圖5A中僅顯示了樁基礎40,但在該樁基礎40的上側與第1實施形態同樣地設置有風力發電裝置(參照圖1)。後述的第2實施形態和第3實施形態也相同。
如圖5B所示,地板42由俯視時呈大致正八角形的鋼筋混凝土構成,藉由在樁頭24A的周圍灌注混凝土而設置在地盤26上。值得一提的是,在地板42的內部配置有未圖示的鋼筋。如上所述,地板42係由鋼筋混凝土一體形成。
(作用)
接下來,說明本實施形態之作用。
在本實施形態之樁基礎40中,能夠在將樁24打入到地盤26之後灌注混凝土而形成地板42。特別的是,在不是在海中而是在陸上設置地板42的構造的情況下,用鋼筋混凝土形成地板42能夠容易地形成大型地板。其他作用與第1實施形態相同。
值得一提的是,在本實施形態中,用鋼筋混凝土形成了一體的地板42,但不限於此,也可以採用圖6、圖7所示的變形例的構造。
(第1變形例)
如圖6A所示,構成第1變形例之樁基礎50的地板52在俯視時呈大致正八角形的形狀,並由模框51和混凝土58所構成,而模框51是由H鋼54和鋼板56所構成。而且,本變形例的地板52係為鋼材的模框51和混凝土58成為一體的所謂鋼混凝土合成地板。
構成模框51的H鋼54是剖面呈大致H字狀且沿鉛直方向延伸的鋼材,該H鋼54的下端部埋設在地盤26中。另外,如圖6B所示,在樁24的周圍等
間隔地設置有8個H鋼54,該H鋼54構成大致正八角形的地板52的頂點部分。另外,各個H鋼54的腹板部的方向對齊,以位於穿過樁24的中心軸的直線上。
在相鄰的H鋼54之間設置有鋼板56。因此,設置有8片鋼板56。各個鋼板56的兩端部進入H鋼54的凸緣之間。另外,如圖6A所示,鋼板56的下端部埋設在地盤26中。
如圖6B所示,在樁24的周圍灌注有混凝土58。混凝土58填充在模框51和樁24之間。
在此,對樁基礎50之施工方法的一例進行說明。首先,藉由打擊工法將樁24打入地盤26中至規定的深度。接著,在樁頭24A的周圍設置模框51。在該模框51的設置步驟中,在樁頭24A的周圍的地盤26上打入H鋼54,在打入的H鋼54之間打入並配置鋼板56。藉此,H鋼54的下端部及鋼板56的下端部埋設在地盤26中。
在配置H鋼54及鋼板56之後,在該H鋼54及鋼板56與樁頭24A之間灌注混凝土。藉此,對混凝土58與H鋼54及鋼板56形成為一體的樁基礎50進行施工。
如上所述,在本變形例中,藉由使混凝土58的模框51的下端部埋設在地盤26中,能夠使該模框51的下端部發揮如楔子般的功能。由此,能夠抑制設置在地盤26上的地板52從地盤26離開(浮起)之情形。
(第2變形例)
如圖7A及圖7B所示,構成第2變形例之樁基礎60的地板62包括模框64和混凝土66。
模框64係由鋼材所形成並呈大致圓筒狀,該模框64的下端部埋設在地盤26中。並且,在該模框64與樁頭24A之間填充有混凝土66。
樁基礎60之施工方法與第1變形例相同。即,在藉由打擊工法將樁24打入地盤26至規定的深度之後,在樁頭24A的周圍設置模框64。此時,使模框64的下部埋設在地盤26中。並且,在設置模框64後灌注混凝土66,藉此對樁基礎60進行施工。
(第3變形例)
如圖8A所示,第3變形例之樁基礎70包括樁74和地板72。樁74係由鋼管所形成,以鉛直方向為軸向延伸,除了設置在上部的樁頭74A以外的部分藉由打擊工法打入地盤26中。
在此,如圖9A所示,在樁74的樁頭74A上形成有多個環狀突起74B,作為一例,在軸向上等間隔地形成有5個環狀突起74B。
如圖8A所示,在樁頭74A設置有地板72。並且,如圖8B所示,地板72包括由多個鋼筋混凝土所製成的塊73,作為一例,由8個塊73構成地板72。
如圖9B所示,塊73在俯視時呈大致梯形的形狀,並沿鉛直方向延伸。另外,在塊73的與樁74相對側的側面形成有多個凹部73A。在鉛直方向上等間隔地形成有5個凹部73A,形成有該5個凹部73A的位置與形成在樁頭74A上的環狀突起74B對應。另外,各個凹部73A的形狀呈與環狀突起74B對應的形狀。
如圖8B所示,8個塊73配置在樁頭74A的周圍,該樁頭74A和塊73藉由灌漿(grout)76成為一體。另外,相鄰的塊73彼此也藉由灌漿76或其他接合部件接合。
在此,對樁基礎70之施工方法的一例進行說明。首先,藉由打擊工法將樁74打入地盤26中至規定的深度(參照圖9A)。然後,在樁頭74A的
周圍配置塊73。然後,使灌漿76在各個塊73和樁頭74A之間流入,以接合塊73和樁頭74A。
值得一提的是,相鄰的塊73彼此可以預先接合,也可以在接合樁頭74A和塊73時將相鄰的塊73彼此接合。以這樣的方式,接合多個塊73來形成一體的地板72。
在本變形例之樁基礎70中,藉由使用由多個鋼筋混凝土所製成的塊73,能夠在將樁74打入到地盤26之後不灌注混凝土的情況下設置地板72。
另外,藉由接合被分割的塊73而形成地板72,與將一體的地板72接合於樁頭74A的方法相比,地板的設置不會變得大型化。例如,在應用於海上的風力發電裝置的樁基礎時,能夠將地板72分割並運送到現場。
<第3實施形態>
接下來,參照圖10對第3實施形態之樁基礎10進行說明。值得一提的是,對於與第1實施形態相同的構成標注相同的符號,並適當省略說明。在本實施形態中,在設置有肋82這一點上與第1實施形態不同。
如圖10A所示,本實施形態之樁基礎10包括樁24和地板28。另外,在樁24上形成有多個肋82。
肋82沿鉛直方向延伸,形成於樁24的埋設於地盤26的部位。另外,如圖10B所示,肋82從樁24的周面向徑向突出,沿樁24的周向等間隔地形成有8個肋82。
8個肋82分別具有大致相同的厚度,且在鉛直方向上具有大致相同的長度。另外,肋82呈以鉛直方向為長度方向的大致矩形板狀。
(作用)
接下來,說明本實施形態之作用。
在本實施形態之樁基礎10中,除了第1實施形態之樁基礎10的作用之外,還能夠藉由埋設在地盤26中的8個肋82來增加對作用於樁24的水平力的阻力。即,由於形成了肋82,地盤26的滑動面不再是樁24的周面附近,而變成是肋82的前端部分,因此與未設置肋82的構造相比,能夠增加從地盤26向樁24作用的阻力。
以上,對第1至第3實施形態及變形例進行了說明,但在不脫離本發明之要旨的範圍內,當能以各種方式實施。例如,在上述實施形態中,對作為塔狀構造物支承風力發電裝置的樁基礎進行了說明,但並不限定於此。即,也可以應用於支承其他塔狀構造物的樁基礎,亦可應用於支承鐵塔等塔狀構造物的樁基礎。在該情況下,藉由將多個樁打入地盤中,能夠支承鐵塔等塔狀構造物。
另外,在上述實施形態中,是以使用一個樁來支承風力發電裝置的單樁基礎進行說明,但並不限定於此,也可以應用於其他基礎。例如,也可以將3個樁打入地盤中,並將這些樁連結而應用於支承風力發電裝置的三腳式(tripod type)的基礎。在該情況下,藉由對各個樁獨立地設置地板,能夠發揮與上述實施形態相同的作用。
更進一步,在上述實施形態中,是用鋼管形成樁,但樁的材質並沒有特別限定,也可以用其他材質來形成樁。例如,也可以使用木製的木樁或混凝土製的混凝土樁。另外,亦可使用組合了這些材質的樁。此外,在使用鋼管樁的情況下,為了提高樁的強度和剛性,也可以在內部灌注混凝土。例如,在作用於樁的上部的力矩大的情況下,藉由在該樁的上部的內部灌注混凝土,能夠提高樁的上部的強度和剛性。
10:樁基礎
12:風力發電裝置
14:腳部
16:風車部
18:機艙
20:輪轂
22:葉片
24:樁
24A:樁頭
26:地盤
28:地板
30:基座
32:三角板
Claims (8)
- 一種樁基礎,其包含:樁,其沿鉛直方向延伸,其中所述樁的樁頭比地盤更向上方突出,以支承塔狀構造物;以及地板,其設置在所述地盤上,並固定在所述樁頭上,而使作用於所述樁的力向所述地盤傳遞;其中所述樁係由鋼管所形成,所述地板係由鋼材所形成。
- 如請求項1之所述樁基礎,其中所述樁與所述塔狀構造物同軸設置。
- 如請求項1或2之所述樁基礎,其中所述地板設置在海中。
- 如請求項1或2之所述樁基礎,其中所述地板係由鋼筋混凝土一體形成。
- 如請求項1或2之所述樁基礎,其中所述塔狀構造物構成風力發電裝置的腳部。
- 一種樁基礎之施工方法,其包含:將用於支承塔狀構造物的樁打入地盤;在打入的所述樁的樁頭的周圍設置模框,所述樁頭比所述地盤更向上方突出;以及在所述樁頭上灌注混凝土,其中,在設置所述模框時,將所述模框的下端部埋設在所述地盤中。
- 一種樁基礎之施工方法,其包含: 將用於支承塔狀構造物的樁打入地盤中;以及在打入的所述樁的樁頭的周面上接合多個塊,以形成一體的地板,其中所述樁頭比所述地盤更向上方突出。
- 一種樁基礎,其包含:樁,其沿鉛直方向延伸,其中所述樁的樁頭比地盤更向上方突出,以支承塔狀構造物;以及地板,其設置在所述地盤上,並固定在所述樁頭上,而使作用於所述樁的力向所述地盤傳遞;其中所述地板包含由與所述樁頭接合的多個鋼筋混凝土所製成的塊。
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