系統識別號 | U0002-0603201722330400 |
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DOI | 10.6846/TKU.2017.00173 |
論文名稱(中文) | 黏土中外包加勁懸浮砂柱承載行為之數值模擬 |
論文名稱(英文) | Numerical Modeling of Geosynthetic-encapsulated Floating Sand Columns |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 土木工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Civil Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 105 |
學期 | 1 |
出版年 | 106 |
研究生(中文) | 李晏如 |
研究生(英文) | Yen-Ju Lee |
學號 | 604380039 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2017-01-10 |
論文頁數 | 199頁 |
口試委員 |
指導教授
-
吳朝賢
委員 - 洪勇善 委員 - 楊國鑫 |
關鍵字(中) |
砂石樁 外包 地工合成材 懸浮砂柱 數值模擬 承載力 |
關鍵字(英) |
sand column encased geosynthetics, numerical modeling bearing capacity floating |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
本研究針對黏土中外包加勁懸浮砂柱進行數值模擬,探討懸浮砂柱在不同強度黏土中的適用性,並探討不同參數條件下,懸浮砂柱之力學機制。文獻研究著重於黏土中端點支撐於堅硬底盤之外包加勁砂柱行為,本研究探討砂柱懸浮於不同強度之黏土中的行為,藉以評估外包加勁砂柱在適當的膨脹與沉陷發展下,是否依舊可以有效提升其承載力。 分析結果得知,砂柱樁徑介於0.5 ~ 1.5 m及加勁材勁度介於100 ~ 5000 kN/m之條件下,適合使用懸浮砂柱之黏土剪力強度約20~35 kPa。樁長較短時承載力-沉陷量曲線有一轉折現象,本研究藉由樁底週圍黏土降伏區域、樁頂傳遞到樁底的應力、及樁頂沉陷量與樁底沉陷量之關係了解其力學行為,探討轉折現象成因,並定義不再隨樁長增加提升承載力之長度為臨界長度;大於臨界長度之樁其承載力與樁底沉陷量都有趨於定值之現象。以勁度1000 kN/m之加勁材外包樁徑1 m之砂柱,在本研究所討論的五種黏土中,臨界長度皆為6 m。 |
英文摘要 |
This paper studies numerical modeling of geosynthetic-encapsulated floating sand column. It discusses the applicability of floating sand column in different shear strength clay. Moreover, the mechanical mechanism of floating sand column under different parameters is investigated. Most studies of the literature focus on the behavior of geosynthetic-encapsulated sand columns embedded in clay with end supported by a hard stratum. This paper studies the behavior of floating sand column embedded in different shear-strength clay, which is used to evaluate the effectiveness of geosynthetic-encapsulated sand columns under appropriate development of sand column expansion and subsidence. The analysis shows that for a sand column with diameter ranging between 0.5~1.5m wrapped by a geosynthetic having stiffness ranging between 100 ~ 5000 kN/m, the floating sand columns are suitable to be placed in clay with shear strength ranging between 20 ~ 35 kPa. Critical length of an encased floating sand column is defined as the length that bearing capacity of the column is no longer increases with the increase of column length. As for a 1 meter diameter sand column wrapped with geosynthetic of 1000 kN/m stiffness, the critical length is 6 m for column embedded in every four clay types adopted in this study. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 目錄 I 圖目錄 V 表目錄 XII 照片目錄 XIII 第一章 緒論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 研究方法 3 1-3 論文組織及研究內容 5 第二章 文獻回顧 8 2.1 砂柱工法 9 2.2 砂柱加勁方式 11 2.3砂柱試體外包加勁之研究 12 2.4 軟弱黏土層外包加勁砂柱之實驗研究 15 2.5 軟弱黏土層中外包加勁砂柱之數值模擬分析 19 2.6懸浮砂柱模型試驗 22 第三章 黏土中外包加勁砂柱模型建立 24 3-1 數值分析程式FLAC 24 3-1-1 FLAC程式簡介 24 3-1-2 FLAC 分析模式 25 3-1-3 FLAC基本運算原理 25 3-1-4 FLAC數值模擬步驟與流程 30 3-2 砂土塑性模式 31 3-3 砂土之數值分析參數 35 3-3-1 砂土材料基本性質 35 3-3-2 砂土數值參數 36 3-4 砂土三軸數值模擬 46 3-4-1 數值網格、邊界、初始條件 46 3-4-2 程式驗證 48 3-4-3 砂土模擬與驗證 50 3-5 黏土之數值分析參數 52 3-5-1 黏土性質 52 3-5-2 黏土壓密試驗 53 3-6 黏土壓密試驗數值模擬 55 3-6-1 數值網格、邊界、初始條件 55 3-6-2 黏土壓密模擬與驗證 56 3-7 加勁材之數值分析參數 58 3-7-1 加勁材料基本性質 58 3-7-2 加勁材彈性模數與柏松比 58 3-8 黏土中外包加勁砂柱之數值模擬 60 3-8-1黏土承載行為數值模擬之條件 60 3-8-2黏土中砂柱承載行為數值模擬之條件 62 3-8-3黏土中外包加勁砂柱承載行為數值模擬之條件 64 3-8-4土壤與加載鋼版間之界面性質 65 3-9 數值模擬分析結果 68 第四章 曼谷黏土數值分析模式 70 4-1修正劍橋黏土模式 70 4-1-1 增量彈性準則 71 4-1-2 降伏勢能函數 71 4-1-3 修正劍橋黏土模式之重要參數 72 4-2 曼谷黏土之數值分析參數 76 4-2-1 黏土基本性質 76 4-2-2 黏土參數求取方法 78 4-2-3曼谷黏土各項參數 82 第五章 懸浮砂柱模型建立 84 5-1 懸浮砂柱邊界效應 84 5-1-1 數值網格、邊界、初始條件 84 5-1-2砂柱之承載行為 85 5-1-3懸浮砂柱深度之決定 87 5-2 懸浮砂柱數值模擬 88 5-2-1 數值網格、邊界、初始條件 88 5-2-2純黏土之承載行為 90 5-2-3懸浮砂柱之承載行為 91 5-2-4懸浮砂柱之柱體變形、徑向應變 92 5-2-5外包加勁懸浮砂柱之承載行為 95 5-2-6外包加勁懸浮砂柱之柱體變形、徑向應變 96 第六章 參數研究 97 6-1 參數研究規劃 97 6-2加載沉陷之深度 99 6-3加勁材勁度對承載行為之影響 101 6-3-1非常軟弱黏土中加勁材勁度對承載行為之影響 101 6-3-2軟弱黏土中加勁材勁度對承載行為之影響 111 6-3-3軟弱至中等黏土中加勁材勁度對承載行為之影響 122 6-3-4中等黏土中加勁材勁度對承載行為之影響 132 6-4黏土強度對承載行為之影響 142 6-4-1勁度100kN/m加勁材,黏土強度對承載行為之影響 142 6-4-2勁度500kN/m加勁材,黏土強度對承載行為之影響 144 6-4-3勁度1000kN/m加勁材,黏土強度對承載行為之影響 146 6-4-4勁度2000kN/m加勁材,黏土強度對承載行為之影響 148 6-4-5勁度5000kN/m加勁材,黏土強度對承載行為之影響 150 6-5樁徑對承載行為之影響 154 6-6樁底沉陷量 168 6-7不同樁長對承載行為之影響 170 6-7-1非常軟弱黏土中加勁樁長度對承載行為之影響 175 6-7-2軟弱黏土中加勁樁長度對承載行為之影響 178 6-7-3軟弱至中等黏土中加勁樁長度對承載行為之影響 181 6-7-4中等黏土中加勁樁長度對承載行為之影響 184 6-7-5加勁砂石樁在不同黏土層中行為彙整 187 第七章 結論 194 參考文獻 196 圖目錄 圖1.1黏土中端點支撐之外包加勁砂柱 2 圖1.2黏土中懸浮外包加勁砂柱 2 圖1.3研究計畫流程圖 7 圖2.1砂柱破壞形式 (取自 Brauns,1978) 10 圖2.2合成材不同加勁方式(Latha & Murthy,2007) 11 圖2.3外包加勁試體之應力-應變試驗結果 (取自Al-Refeai,1985) 13 圖2.4不同勁度加勁材外包下之圍壓增量(取自蔡君平,2006) 14 圖2.5不同勁度加勁材外包下之體積應變抑制率(取自蔡君平,2006) 14 圖2.6載重試驗模型示意圖(取自Murugesan & Rajagopal,2007) 15 圖2.7不織布地工織物,外包石柱、傳統石柱與黏土之壓力-沉陷曲線 (取自Murugesan & Rajagopal,2007) 16 圖2.8編織地工織物,外包石柱、傳統石柱與黏土之壓力-沉陷曲線 (取自Murugesan & Rajagopal,2007) 16 圖2.9 不織布地工合成外包材之環箍應變變化 (取自Murugesan & Rajagopal,2007) 17 圖2.10 不同外包材外包石柱之壓力-沉陷曲線 (取自Murugesan & Rajagopal,2007) 18 圖2.11 不織布部分外包石柱之效果 (取自Murugesan & Rajagopal,2007) 18 圖2.12黏土床與石柱有限元素模型 (取自Malarvizhi & Ilamparuthi,2007) 20 圖2.13不同壓力之石柱腫脹曲線 (取自Malarvizhi & Ilamparuthi,2007) 20 圖2.14外包加勁材環箍力變化 (取自Malarvizhi & Ilamparuthi,2007) 21 圖2.15不同摩擦角之水平向位移-地工格網勁度曲線圖 (取自Malarvizhi & Ilamparuthi,2007) 21 圖2.16懸浮砂柱模型(取自Ali et al.,2014) 22 圖2.17不同加勁材外包加勁懸浮砂柱之結果(取自Ali et al.,2014) 23 圖2.18懸浮砂柱挫曲現象(取自Dash & Bora,2013) 23 圖3.1 FLAC程式計算流程 29 圖3.2 試驗砂土之粒徑分佈曲線(取自朱志峯,2006) 36 圖3.3 No.201試驗砂之應力-應變-體積變化曲線 (朱志峯,2006) 37 圖3.4土壤彈性模數與圍壓之關係(取自郭建明,2013) 39 圖3.5不同圍壓下發揮摩擦角與累積剪塑性應變之關係 (取自郭建明,2013) 41 圖3.6尖峰軸差應力下累積剪塑性應變與圍壓之關係(取自郭建明,2013) 42 圖3.7發揮膨脹角與累積剪塑性應變之關係(取自郭建明,2013) 43 圖3.8初始膨脹下累積剪塑性應變與圍壓之關係(取自郭建明,2013) 44 圖3.9尖峰膨脹角下累積剪塑性應變與圍壓之關係(取自郭建明,2013) 45 圖3.10砂土三軸數值網格模型 47 圖3.11Mohr-Coulomb彈性完全塑性模擬砂土三軸應力-應變-體積變化 49 圖3.12數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖 51 圖3.13壓密試驗之e-log p壓密曲線(取自郭建明,2013) 54 圖3.14黏土壓密試驗之數值網格模型 55 表3.3壓密試驗各階段載重累積沉陷量 57 圖3-15黏土壓密試驗各階段載重下之累積沉陷量 57 圖3.16 GT3-MD之單軸拉伸試驗結果(取自余易昇,2012) 59 圖3.17純黏土承載行為模型試驗示意圖 61 圖3.18純黏土承載行為之數值網格 61 圖3.19黏土中純砂柱承載行為模型試驗示意圖 63 圖3.20黏土中純砂柱承載行為之數值網格 63 圖3.21黏土中外包砂柱承載行為模型試驗示意圖 64 圖3.22黏土中外包砂柱承載行為之數值網格 64 圖3.23砂土-鋼版界面直剪試驗結果(取自郭建明,2013) 65 圖3.24不同正向應力下之剪勁度(取自郭建明,2013) 66 圖3.25砂土-鋼版之界面摩擦角(取自郭建明,2013) 67 圖3.26砂柱承載行為之數值模擬 68 圖3.27 GT3-MD外包加勁砂柱數值模擬之柱體變形、加勁材徑向應變 69 圖4.1 飽和黏土均向壓密之 曲線 72 圖4.2 飽和黏土之均向壓密與單向度壓密之 曲線 73 圖4.3 p-q平面內黏土之臨界狀態線 (取自Wood,1990) 74 圖4.4曼谷黏土之土壤性質及地層分布狀況(取自Bergado et al.,2002) 76 圖4.5曼土黏土之土壤分層(取自Voottipruex et al.,2014) 77 圖4.6 ν-log p 座標上黏土之臨界狀態線(取自Wood,1990) 80 圖4.7不同強度曼谷黏土分布區域 83 圖5.1邊界半徑20 m之數值網格模型 85 圖5.2非常軟弱黏土中邊界半徑對砂石樁承載行為影響 86 圖5.3懸浮砂柱模型試驗配置(Ali et al.,2014) 87 圖5.4 懸浮砂柱之數值分析網格 89 圖5.5外包加勁懸浮砂柱之數值分析網格 89 圖5.6砂柱在不同黏土中之承載力-沉陷量關係 91 圖5.7非常軟弱黏土不同沉陷量下之柱體變形與徑向應變 92 圖5.8軟弱黏土不同沉陷量下之柱體變形與徑向應變 93 圖5.9軟弱至中等黏土不同沉陷量下之柱體變形與徑向應變 93 圖5.10中等黏土不同沉陷量下之柱體變形與徑向應變 94 圖5.11純黏土、懸浮砂柱、外包加勁懸浮砂柱承載力-沉陷量關係 (非常軟弱黏土中) 95 圖5.12懸浮砂柱、外包加勁懸浮砂柱之柱體變形與徑向應變 (非常軟弱黏土中) 96 圖6.1外包加勁懸浮砂石樁承載行為之數值模擬結果 100 圖6.2不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1 m) 102 圖6.3不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑1 m) 103 圖6.4不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑1 m) 104 圖6.5 不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1.5 m) 105 圖6.6 不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑1.5 m) 106 圖6.7 不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑1.5 m) 107 圖6.8不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑0.5 m) 108 圖6.9不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑0.5 m) 109 圖6.10 不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑0.5 m) 110 圖6.11不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1 m) 112 圖6.12不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑1 m) 113 圖6.13不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑1 m) 114 圖6.14 不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1.5 m) 115 圖6.15 不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑1.5 m) 116 圖6.16 不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑1.5 m) 117 圖6.17 圖 6.不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑0.5 m) 118 圖6.18 不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑0.5 m) 119 圖6.19 不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑0.5 m) 120 圖6.20不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1 m) 123 圖6.21不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑1 m) 124 圖6.22不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑1 m) 125 圖6.23不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(1.5m) 126 圖6.24 不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑1.5 m) 127 圖6.25 不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑1.5 m) 128 圖6.26不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑0 .5m) 129 圖6.27 不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑0.5 m) 130 圖6.28 不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑0.5 m) 131 圖6.29不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1 m) 133 圖6.30不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑1 m) 134 圖6.31不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑1 m) 135 圖6.32 不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1.5 m) 136 圖6.33 不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑1.5 m) 137 圖6.34 不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑1.5 m) 138 圖6.35不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑0.5 m) 139 圖6.36 不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變(樁徑0.5 m) 140 圖6.37 不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力(樁徑0.5 m) 141 圖 6.38不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑0.5 m) 142 圖 6.39不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1 m) 143 圖 6.40不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1.5 m) 143 圖 6.41不同勁度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑0.5 m) 144 圖 6.42不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1 m) 145 圖 6.43不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1.5 m) 145 圖 6.44不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑0.5 m) 146 圖 6.45不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1 m) 147 圖 6.46不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1.5 m) 147 圖 6.47不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑0.5 m) 148 圖 6.48不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1 m) 149 圖 6.49不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1.5 m) 149 圖 6.50不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑0.5 m) 150 圖 6.51不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1 m) 151 圖 6.52不同黏土強度外包加勁懸浮砂石樁之承載行為(樁徑1.5 m) 151 圖6.53 勁度100 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 156 圖6.54 勁度500 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 156 圖6.55 勁度1000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 157 圖6.56 勁度2000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 157 圖6.57 勁度5000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 158 圖6.58 勁度100 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 159 圖6.59 勁度500 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 159 圖6.60 勁度1000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 160 圖6.61 勁度2000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 160 圖6.62 勁度5000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 161 圖6.63 勁度100 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 162 圖6.64 勁度500 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 162 圖6.65 勁度1000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 163 圖6.66 勁度2000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 163 圖6.67 勁度5000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 164 圖6.68 勁度100 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 165 圖6.69 勁度500 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 165 圖6.70 勁度1000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 166 圖6.71 勁度2000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 166 圖6.72 勁度5000 kN/m,不同樁徑外包加勁懸浮砂石樁之承載行為 167 圖6.73樁長與承載力關係 (軟弱至中等黏土中外包勁度1000 kN/m加勁材) 170 圖6.74不同沉陷量土體之降伏情形 (樁長2 m,軟弱至中等黏土中外包勁度1000 kN/m加勁材) 171 圖6.75樁頂傳遞到樁底應力及樁底沉陷量與樁頂沉陷量關係 172 圖6.76樁頂沉陷量與加勁材圍束應力關係 173 圖6.77不同樁長之降伏情形 (樁頂沉陷量500 mm,軟弱至中等黏土中外包勁度1000 kN/m加勁材) 174 圖6.78非常軟弱黏土中樁長對外包加勁懸浮砂石樁之影響 177 圖6.79軟弱黏土中樁長對外包加勁懸浮砂石樁之影響 180 圖6.80軟弱至中等黏土中樁長對外包加勁懸浮砂石樁之影響 183 圖6.81中等黏土中樁長對外包加勁懸浮砂石樁之影響 186 圖6.82不同加勁材勁度下承載力與樁長之關係 191 圖6.83不同加勁材勁度下樁底沉陷量與樁長之關係 193 表目錄 表3.1 試驗用砂土之基本性質(取自郭建明,2013) 35 表3.2試驗用黏土之性質(取自郭建明,2013) 52 表4.1 曼谷黏土之土壤參數(取自Voottipruex et al.,2014) 77 表4.2不排水剪力強度與SPT–N值的關係 (取自Terzaghi and Peck,1967) 77 表4.3各層黏土之基本性質(取自Voottipruex et al.,2014) 82 表4.4曼谷黏土各項參數 82 表5.1不同強度黏土之理論與數值模擬承載力 90 表6.1參數研究規劃 98 表6.2不同勁度下加勁砂石樁可承受之垂直壓力提升百分比 (非常軟弱黏土中) 110 表6.3不同勁度下加勁砂石樁可承受之垂直壓力提升百分比 (軟弱黏土中) 121 表6.4不同勁度下加勁砂石樁可承受之垂直壓力提升百分比 (軟弱至中等黏土) 131 表6.5不同勁度下加勁砂石樁可承受之垂直壓力提升百分比 (中等黏土中) 141 表6.6各黏土不同樁徑、加勁材勁度下之承載力 153 表6.7不同勁度下加勁砂石樁可承受之垂直壓力提升百分比 168 表6.8不同黏土強度各樁徑樁底沉陷量(沉陷量50mm) 169 表6.8樁頂沉陷量500 mm時樁底之沉陷量(mm) 187 表6.9樁頂沉陷量500 mm時加勁砂石樁之承載力(kPa) 188 表6.10剛性樁之理論承載力(kPa) 189 照片目錄 照片2.1外包加勁三軸試驗之試體照片 (取自Al-Refeai,1985) 12 |
參考文獻 |
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