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系統識別號 U0002-2207201612203100
中文論文名稱 受剪節理面之接觸應力量測
英文論文名稱 Measuring the Contact Stress of Joint Surface During Shear
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 邱偉杰
研究生英文姓名 Wei-Chieh Chiu
學號 601380537
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-06-24
論文頁數 193頁
口試委員 指導教授-楊長義
委員-李宏輝
委員-洪勇善
中文關鍵字 節理面  接觸應力  富士感壓紙  張力裂縫 
英文關鍵字 Joint Surface  Contact Stress  Prescale film  Tension cracks 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 在節理剪力試驗研究上,一般是以外部施加的正向力(N)或剪力(T),除以試體整體受剪面積(A)而計算得作用在節理面間的平均正向應力及平均剪應力。但實際上,因真正受力接觸面積僅發生在少數節瘤面上,故作用於節理面間真實的接觸正向應力及剪應力,可能大於其平均應力計算值。本文是嘗試以富士感壓紙薄膜為量測介質,借感壓紙在受不同壓力作用後,會顯示出不同顏色深淺印痕反應。試驗時,特將感壓紙放置於兩節理平面間,透由內部之應力量測值與外部應力衡盒量測得正向應力及剪應力之關係,期望了解比較剪動過程中,在不同剪動情況下,探討實際的接觸應力與平均應力計算值兩者的差異。
本文主要獲致結論如下:在平面型節理:(1) 其尖峰剪力強度值,只受施加正向應力的大小影響,不受分段剪位移量多寡之影響。(2) 富士感壓紙之印痕,會受不同正向應力及剪動量,造成印痕顏色發生深淺變化及印痕接觸面積的改變。未剪動時,接觸印痕面積為41%~75%;受剪後,會提升至約85~90%。(3) 因分佈接觸應力值與感壓紙印痕深淺分佈有相關,進而可藉以分析接觸應力值的改變。(4) 外部量測剪應力與內部實測接觸剪應力,於受不同分段剪位移量下,在低正向應力時,內部量測接觸剪應力值約為外部剪應力值的1.1~1.4倍間;中度正向應力時,隨分段剪位移量增加,其比值由0.96倍逐漸提升至2.5倍;高正向應力時,比值由0.66倍提升至1.46倍,顯示較高正向應力中,分段剪位移量的增加,會影響實際作用於內部節理面之應力值。
在45°鋸齒型節理:(1) 外加正向應力較高時,使鋸齒,產生張力裂縫所需施加之剪應力較少,所需驅動剪動距離較短。(2) 上坡面出現張力裂縫的位置,不因外加正向應力高低而有所變化,均出現在上坡面受力區之下緣部位。(3)其接觸應力分佈型態,亦不因正向應力高低或錯開位移量不同而有所變化,均為梯型分佈型態,僅在應力最大值分佈位置有所差別。(4)經比較發現透由兩量測方式所量得作用於上坡面之應力值(外部正向分量之應力值6.14±0.36MPa,內部量測接觸應力值5.18±0.08MPa),均與單壓強度值(UCS=5.98±0.56MPa)相近,並與外部正向力與剪力Loadcell量測值之正向分量應力值最為接近,顯示受剪鋸齒節理上坡面之張裂行為與節理壁材單軸抗壓行為有關。
英文摘要 In general joint shear tests, external normal forces (N) or shear forces (T) are divided by the overall area of a specimen under shear forces (A) to calculate the average normal stress and shear stress applied on joint surfaces. However, the actual contact area under force merely occurs on several asperities. Therefore, the actual contact normal stress and shear stress between joint surfaces may be higher than the calculated average stress values. In this study, Prescale films developed by Fujifilm were used as the measurement material, which displays imprint of varying color shades corresponding to different pressure levels applied. During the test, a Prescale film was placed between two joint surfaces. The relationship between normal stress and shear stress was determined through the measurement value of internal stress and external stress measured using a load cell. Different shearing processes were compared to explore the difference between the actual contact stress and the calculated average stress.
The primary findings are as follows.In a planar joint:(1)The peak shear strength is affected by the applied normal stress, rather than by segmentation shear displacement.(2)The imprint on Fuji Prescale film shows varying color shades and contact areas in accordance with different normal stress and shear displacement applied. The imprint contact area was 41%-75% before shearing and 85%-90% after shear stress was applied.(3)Because distributed contact stress is related to the imprint color distribution of Prescale films, changes in contact stress can be analyzed.(4)The externally measured shear stress and the internal contact shear stress measured differ under shear displacements within different segmentations. Under low normal stress, the internal contact shear stress was approximately 1.1 to 1.4 folds that of the external shear stress. When an intermediate level of normal stress was applied, the ratio of internal to external shear stresses increased from 0.96 to 2.5 folds gradually as the segmentation shear displacement increases. When a high level of normal stress was applied, the ratio was increased from 0.66 to 1.46 folds in accordance with increasing segmentation shear displacements. These results revealed that increase in segmentation shear displacements affects the stress actually applied on internal joint surfaces.
In a 45° saw-tooth joint:(1)Low shear stress is required to be applied on the joint to create tension cracks when the externally applied normal stress is high, thereby reducing the distance for driving shearing.(2)The position of tension cracks on the uphill plane consistently locates at the lower edge of the region under force and does not vary with the external normal stress applied.(3)The contact stress distribution patterns are consistently trapezoidal regardless of the applied normal stress and displacement. The distribution patterns differ only at the distribution of maximal stress.(4)Comparison results of external and internal stresses applied on the uphill plane (6.14±0.36MPa for external normal stress and 5.18±0.08MPa for internal contact stress) were close to the uniaxial compressive strength (UCS= 5.98±0.56MPa). It is also close to the external normal stress and shear measured in the load cell. The result indicated that the tension crack behavior on the uphill plane of saw-tooth joint under shear is related to uniaxial compressive behavior of joint wall material.
論文目次 目 錄
第一章 緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 研究方法與內容 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 節瘤破壞過程 4
2.1.1 Xu之破壞階段 4
2.1.2 Pereira & de Freitas 之破壞過程 5
2.2 節瘤破壞機制 8
2.2.1 Patton之雙直線破壞模式 8
2.2.2 張文城之破壞模式 8
2.2.3 Handanyan之破壞模式 9
2.2.4 江東陽之研究 9
2.3 節理面之剪力強度 12
2.3.1 Patton雙直線剪力強度 12
2.3.2 Ladanyi與Archambault之剪力強度模式 12
2.3張力破裂對節理剪力強度之影響 15
2.4節理面接觸應力量測 17
第三章 節理模型試驗及規劃 21
3.1 試驗儀器 21
3.2 模擬材料石膏之基本性質 32
3.2.1 單壓試體製作及養護 32
3.2.2 試驗材料基本性質結果 33
3.2.3 節理試體之製作 33
3.3 富士感壓紙之放置 42
3.4 影像分析過程 45
3.4.1 MatLab影像分析程式 45
3.4.2 建立轉換曲線 45
3.4.3接觸應力之判別 47
3.4.4 節理接觸面之應力分佈圖繪製 47
3.5 節理直剪實驗內容與步驟 54
3.6 感壓紙印痕面積之計算 60
第四章 量測技術可重複性之檢驗與討論 66
4.1 正向應力作用階段 66
4.1.1 對平面型節理 66
4.1.2 對45°鋸齒型節理 68
4.2正向應力及剪應力複合作用階段 87
4.2.1 接觸應力與正向應力之差異 87
4.2.2 對平面型節理 87
4.2.3對45°鋸齒型節理 88
第五章 受剪節理接觸應力之演化 109
5.1 平面節理 109
5.2 45°鋸齒節理面 160
第六章 結論與建議 189
6.1 結論 189
6.2 建議 190
參考文獻 191
表 目 錄
表3.1 富士感壓紙之規格及適用範圍表 24
表3.2 富士感壓紙厚度適用範圍與精度 24
表3.3 水砂紙號數粒徑 35
表3.4 本研究採用試體材料之基本性質結果 35
表3.5 本研究之試驗項目與研究目的 56
表3.6 不同正向應力下感壓紙印痕面積之變化(未剪動) 61
表3.7 剪動時,不同位移下印痕面積之變化(Δu=1mm) 61
表3.8 剪動時,不同位移下印痕面積之變化(Δu=2mm) 61
表4.1 平面節理面上各位置接觸應力 70
表4.2 平均接觸應力值差(平面型節理) 73
表4.3 45°鋸齒節理面上各位置接觸應力 73
表4.4 平均接觸應力值差(45°鋸齒型節理) 74
表4.5 剪動Δu=2mm之剪力強度差異(σ_n=0.43MPa) 90
表4.6 剪動Δu=2mm之剪力強度差異(σ_n=0.87MPa) 90
表4.7 剪動Δu=2mm之剪力強度差異(σ_n=1.31MPa) 90
表4.8 分段剪位移Δu=2mm印痕面積之變化, Ac/A 91
表4.9 45°鋸齒出現張力裂縫時之剪應力差異 92
表4.10 45°鋸齒出現張力裂縫時印痕面積之變化 92
表5.1 各剪動位移階段之平均應力值(σ_n=0.43MPa) 114
表5.2 各剪動位移之平均應力值(σ_n=0.87MPa) 116
表5.3 各剪動位移之平均應力值(σ_n=1.31MPa) 118
表5.4 各分段剪位移剪應力作用及正向應力作用之比值(σ_n=0.43MPa) 120
表5.5 各分段剪位移剪應力作用及正向應力作用之比值(σ_n=0.87MPa) 122
表5.6 各分段剪位移剪應力作用及正向應力作用之比值(σ_n=1.31MPa) 124
表5.7 受剪動造成接觸剪應力之增量比較(σ_n=0.43MPa) 126
表5.8 剪動造成接觸應力比較(σ_n=0.87MPa) 127
表5.9 剪動造成接觸應力比較(σ_n=1.31MPa) 128
表5.10 節理面張力裂縫出現時之平均接觸應力值 163
表5.11 外加正向力作用於節理面之實際正向應力值 163
表5.12 張力裂縫出現時之外部剪應力值 164
表5.13 節理面量測平均接觸應力值與計算應力之比較 165
圖 目 錄
圖1.1 節理面在尖峰強度時少量相互接觸節瘤承受高應力示意(Barton,2008) 2
圖1.2 大小節理模擬試體在尖峰位移時之極少量磨損面積(Yang et al., 2011) 2
圖2.1 Xu將節理之破壞分成6階段(Xu,1987) 6
圖2.2 節瘤之破壞過程分成7階段(Pereira & de Freitas,1993) 7
圖2.3 在接近尖峰強度附近時節瘤之破裂過程:(a)初始鋸齒,(b)開始張裂並向下傳,(c)最終破壞狀(Pereira & de Freitas,1993) 7
圖2.4 Patton雙直線破壞模式(Patton,1966) 10
圖2.5 張文城四種規則鋸齒破壞型式示意圖(張文城,1988) 10
圖2.6 Handanyan 模式規則石膏破壞機制示意圖(Handanyan,1990) 11
圖2.7 Ladanyi剪力強度理論之剪斷面積比 (Ladanyi,1969) 14
圖2.8 節理受剪後鋸齒狀節瘤之破裂情況(Fishman, 1990) 16
圖2.9 以FEM分析平滑節理受各外力後節理面上應力分布型態(Kutter,1971) 18
圖2.10 上下節理試體龕入LVDT量測面間位移之設備(Alvaro Herdocia,1985) 18
圖2.11 以應變計貼在節理試體側壁監測節理面變形之設置(Pereira & de Freitas,1993) 19
圖2.12 應變計黏貼於節瘤側面進行直剪(王景龍,2001) 19
圖2.13 以AE技術測知節理面間節瘤之破裂位置發展(Moradian et al.,2012) 20
圖3.1 50噸齒輪慢式壓力機 25
圖3.2 5噸直接剪力儀 25
圖3.3 Loadcell校正圖 26
圖3.4 LVDT校正圖 26
圖3.5 石膏試體放置於直剪盒示意圖 27
圖3.6 石膏試體位置之感壓紙印痕 27
圖3.7 日本Fuji出產富士感壓紙 28
圖3.8 溫度-濕度對照分類 29
圖3.9 應力-色階濃度之濾定曲線圖 29
圖3.10 上下壓克力方塊接觸面積狀況 30
圖3.11 壓克力方塊試驗示意圖 30
圖3.12 感壓紙逐步受荷重之量測值比較 31
圖3.13 模擬材料單壓試驗及巴西人試驗 36
圖3.14 單壓強度與抗張強度之比較 36
圖3.15 基本摩擦角 36
圖3.16 純石膏之剪應力-剪位移曲線 37
圖3.17 純石膏破壞包絡線 39
圖3.18 圓柱單壓破壞情況 39
圖3.19 #100水砂紙 40
圖3.20 在壓克力模表面貼#100號砂紙模擬粗糙面 40
圖3.21 矽膠母模之翻製過程 41
圖3.22 將感壓紙(Prescale film)放置節理面間示意圖 43
圖3.23 富士感壓紙置於平面型節理面上之情況 43
圖3.24 富士感壓紙置於45°鋸齒型節理面上之情況 44
圖3.25 Fuji公司提供之標準顏色及其對應色階值 49
圖3.26 Matlab讀取顏色之灰階值 49
圖3.27 以Matlab迴歸曲線之公式 50
圖3.28 Matlab迴歸灰階-色階對照曲線圖 50
圖3.29 兩種尺寸感壓紙上之印痕像素個數及基本區域大小 51
圖3.30 以基本區域之平均應力值求取各段(22段)節理面上接觸應力平均值 52
圖3.31 將剪動方向上各段(22段)接觸應力值繪成分佈圖(以σ_n=0.87MPa為例) 53
圖3.32 剪動過程示意圖(平面型節理,分段剪動距離Δu=1mm) 57
圖3.33 剪動位移過程示意圖(45°鋸齒型節理,錯開位移量u=0.1mm及u=4mm) 58
圖3.34 對平面型節理不同剪動位移量之對照組設計規劃 59
圖3.35 對45°鋸齒型節理不同錯開位移量之設計規劃 59
圖3.36 不同正向應力作用下富士感壓紙印痕(u=0) 62
圖3.37 剪動∆u=1mm時印痕之變化 (σ_n=0.87MPa,0°節理) 63
圖3.38 剪動∆u=2mm時印痕之變化 (σ_n=0.87MPa,0°節理) 64
圖3.39 不同正向應力下感壓紙印痕面積之變化(未剪動) 65
圖3.40 不同剪動位移下感壓紙印痕面積之變化(σ_n=0.87MPa) 65
圖4.1 僅施加正向荷重階段σ_n=0.43MPa五組重複試驗之感壓紙印痕結果之五次試驗比較 75
圖4.2 僅施加正向荷重階段σ_n=0.87MPa五組重複試驗之感壓紙印痕結果之五次試驗比較 76
圖4.3 僅施加正向荷重階段σ_n=1.31MPa五組重複試驗之感壓紙印痕結果之五次試驗比較 77
圖4.4 五組重複試驗接觸應力分佈值 (σ_n=0.43MPa) 78
圖4.5 五組重複試驗接觸應力分佈值 (σ_n=0.87MPa) 79
圖4.6 五組重複試驗接觸應力分佈值 (σ_n=1.31MPa) 80
圖4.7 外加正向應力與實際平均接觸應力比較(平面型節理) 81
圖4.8 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σ_n=0.87MPa) 82
圖4.9 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σ_n=1MPa) 82
圖4.10 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σ_n=1.31MPa) 82
圖4.11 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈值(σ_n=0.87MPa) 83
圖4.12 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈值(σ_n=1MPa) 84
圖4.13 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈值(σ_n=1.31MPa) 85
圖4.14 實測平均接觸應力與外加應力比較(45°鋸齒型節理) 86
圖4.15 實測平均接觸應力與外加應力比較(平面型與45°鋸齒型節理) 86
圖4.16 受正向應力與受剪應力之接觸應力比較 94
圖4.17 多段剪動之剪應力-剪位移曲線 95
圖4.18 受剪力前後之感壓紙印痕改變, Test 1 (σ_n=0.43MPa, Δu =2mm) 96
圖4.19 受剪力前後之感壓紙印痕改變, Test 2 (σ_n=0.43MPa, Δu =2mm) 96
圖4.20 受剪力前後之感壓紙印痕改變, Test 1 (σ_n=0.87MPa, Δu =2mm) 97
圖4.21 受剪力前後之感壓紙印痕改變, Test 2 (σ_n=0.87MPa, Δu =2mm) 97
圖4.22 受剪力前後之感壓紙印痕改變, Test 1 (σ_n=1.31MPa, Δu =2mm) 98
圖4.23 受剪力前後之感壓紙印痕改變, Test 2 (σ_n=1.31MPa, Δu =2mm) 98
圖4.24 受剪動Δu=2mm印痕面積之增加百分比 99
圖4.25 受不同分段剪位移量下之平均接觸應力值(σ_n=0.43MPa) 100
圖4.26 受不同分段剪位移量下之平均接觸應力值(σ_n=0.87MPa) 101
圖4.27 受不同分段剪位移量下之平均接觸應力值(σ_n=1.31MPa) 102
圖4.28 45°鋸齒節理出現張力裂縫時剪應力-剪位移曲線 103
圖4.29 45°鋸齒節理受剪前後之感壓紙印痕改變(σ_n=0.87MPa) 104
圖4.30 45°鋸齒節理受剪前後之感壓紙印痕改變(σ_n=1MPa) 105
圖4.31 45°鋸齒節理受剪前後之感壓紙印痕改變(σ_n=1.31MPa) 106
圖4.32 45°鋸齒受剪出現張力裂縫時印痕面積之變化 107
圖4.33 45°鋸齒節理出現張力裂縫時平均應力值 108
圖5.1 各類剪動位移下剪應力-剪位移曲線(平面型節理,σ_n=0.43MPa) 129
圖5.2 各類剪動位移量下剪應力-剪位移曲線(平面型節理,σ_n=0.87MPa) 130
圖5.3 各類剪動位移下剪應力-剪位移曲線(平面型節理,σ_n=1.31MPa) 131
圖5.4 受不同分段剪位移量之平均接觸應力值(σ_n=0.43MPa) 132
圖5.5 受不同分段剪位移量之平均接觸應力值(σ_n=0.87MPa) 133
圖5.6 受不同分段剪位移量之平均接觸應力值(σ_n=1.31MPa) 134
圖5.7 以Δu =1mm分段剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=0.43MPa) 135
圖5.8 以Δu =1mm分段剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=0.43MPa) 136
圖5.9 以Δu =2mm分段剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=0.43MPa) 137
圖5.10 以Δu =2mm分段剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=0.43MPa) 138
圖5.11 以Δu =3mm剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=0.43MPa) 139
圖5.12 以Δu =3mm剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=0.43MPa) 139
圖5.13 以Δu =4mm剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=0.43MPa) 140
圖5.14 以Δu =4mm剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=0.43MPa) 140
圖5.15 以Δu =5mm剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=0.43MPa) 141
圖5.16 以Δu =5mm剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=0.43MPa) 141
圖5.17 以Δu =1mm分段剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=0.87MPa) 142
圖5.18 以Δu =1mm分段剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=0.87MPa) 143
圖5.19 以Δu =2mm分段剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=0.87MPa) 144
圖5.20 以Δu =2mm分段剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=0.87MPa) 145
圖5.21 以Δu =3mm剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=0.87MPa) 146
圖5.22 以Δu =3mm剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=0.87MPa) 146
圖5.23 以Δu =4mm剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=0.87MPa) 147
圖5.24 以Δu =4mm剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=0.87MPa) 147
圖5.25 以Δu =5mm剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=0.87MPa) 148
圖5.26 以Δu =5mm剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=0.87MPa) 148
圖5.27 以Δu =1mm分段剪動後感壓紙之印痕演變(σ_n=1.31MPa) 149
圖5.28 以Δu =1mm分段剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=1.31MPa) 150
圖5.29 以Δu =2mm分段剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=1.31MPa) 151
圖5.30 以Δu =2mm分段剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=1.31MPa) 152
圖5.31 以Δu =3mm剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=1.31MPa) 153
圖5.32 以Δu =3mm剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=1.31MPa) 153
圖5.33 以Δu =4mm剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=1.31MPa) 154
圖5.34 以Δu =4mm剪動後接觸應力分佈圖之演變(σ_n=1.31MPa) 154
圖5.35 以Δu =5mm剪動後感壓紙之印痕演化(σ_n=1.31MPa) 155
圖5.36 以Δu =5mm剪動後接觸應力分佈之演變(σ_n=1.31MPa) 155
圖5.37 受剪應力作用與正向應力作用導致之接觸應力比較 156
圖5.38 分段剪位移量接觸剪應力之變化 157
圖5.39 接觸剪應力與外部剪應力之比值 158
圖5.40 三種正向應力下各分段剪位移與接觸剪應力與外部剪應力之比值比較 159
圖5.41 節理面張力裂縫出現時之剪應力-剪位移曲線(σ_n=1.31MPa) 167
圖5.42 低正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 168
圖5.43 高正向應力時,節理節理破壞裂縫發展示意圖 169
圖5.44 節理破壞過程(σ_n=0.43MPa) 170
圖5.45 節理破壞後其內部破壞情況(σ_n=0.43MPa) 171
圖5.46 節理破壞過程(σ_n=0.87MPa) 172
圖5.47 節理破壞後其內部破壞情況(σ_n=0.87MPa) 173
圖5.48 節理破壞過程(σ_n=1.31MPa) 174
圖5.49 節理破壞後其內部破壞情況(σ_n=1.31MPa) 175
圖5.50 張力裂縫出現在上坡面的位置(σ_n=0.87MPa) 176
圖5.51 張力裂縫出現在上坡面的位置(σ_n=1MPa) 178
圖5.52 張力裂縫出現在上坡面的位置(σ_n=1.31MPa) 180
圖5.53 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σ_n=0.87MPa) 182
圖5.54 節理面出現張力裂縫時之接觸應力分佈(σ_n=0.87MPa) 182
圖5.55 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σ_n=1MPa) 183
圖5.56 節理面出現張力裂縫時之接觸應力分佈(σ_n=1MPa) 183
圖5.57 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σ_n=1.31MPa) 184
圖5.58 節理面出現張力裂縫時之接觸應力分佈(σ_n=1.31MPa) 184
圖5.59 三種正向應力各剪位移之平均接觸應力值 185
圖5.60 受正向應力階段實際作用於節理面之應力值 186
圖5.61 發生張裂縫時,作用於節理面上計算直與量測值之比較 186
圖5.62 材料單壓強度與抗張強度關係 187
圖5.63 發生張裂時量測節理面上接觸應力值與單壓強度關係 187
圖5.64 發生張裂時量測節理面上接觸應力值與抗張強度關係 188


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