水泥攪拌樁設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)分析

孫 潔

(湖南省交通科學(xué)研究院, 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

水泥攪拌樁設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)分析

孫 潔

(湖南省交通科學(xué)研究院, 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

水泥攪拌樁作為一種較好的地基加固技術(shù)，在公路軟土地基處理中應(yīng)用廣泛。結(jié)合工程案例闡述了水泥攪拌樁的適用范圍；研究分析了設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)；總結(jié)了施工要點(diǎn)，包括樁位平面布置、工藝試樁試驗(yàn)、施工工藝流程；通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整和施工強(qiáng)化，最終質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果顯示水泥攪拌樁處置效果可以達(dá)到預(yù)期效果。為高速公路軟土地基水泥攪拌樁設(shè)計(jì)和施工提供參考。

軟弱路基； 水泥攪拌樁； 設(shè)計(jì)要點(diǎn)； 施工要點(diǎn)； 處置效果

水泥攪拌樁是通過(guò)加入固化劑而達(dá)到一定強(qiáng)度的樁體，一般會(huì)選用水泥粉或水泥漿等進(jìn)行，通過(guò)壓縮空氣進(jìn)入軟土基，利用機(jī)械作用將二者進(jìn)行攪拌從而發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，具有一定強(qiáng)度的水泥攪拌樁與樁間軟土共同構(gòu)成復(fù)合地基，從而提高承載力。這種地基更加穩(wěn)定，沉降現(xiàn)象大幅度減少，體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)所在。近些年隨著公路建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，軟土地基路基成為工程中常遇難題，路基含水量較高，大孔隙情況多見(jiàn)，因此具有高壓縮性，這些問(wèn)題對(duì)公路穩(wěn)定造成負(fù)面影響，安全性大幅度降低。為了解決這些問(wèn)題就需要進(jìn)行軟基處理，這是整個(gè)公路建設(shè)關(guān)鍵所在。為了滿足需求，各種軟基處理技術(shù)逐漸應(yīng)用在實(shí)踐當(dāng)中，在這其中水泥攪拌樁處理軟弱路基技術(shù)值得推廣。

1 工程概況

本文案例為湖南境常德至梅城段桃馬聯(lián)絡(luò)線，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為二級(jí)公路，全長(zhǎng)9.76546km，位于長(zhǎng)江中下游區(qū)域，周邊毗鄰洞庭湖等大大小小的湖泊，這就導(dǎo)致大部分路基符合軟弱地基的實(shí)際特征，給現(xiàn)場(chǎng)施工造成了極大的麻煩。在施工過(guò)程中，要充分地考慮到軟土地基承載能力對(duì)整個(gè)路基的實(shí)際影響。對(duì)該地區(qū)土層勘測(cè)報(bào)告顯示主要為以下幾種情況：

1) 素填土: 這類土層顏色多以灰色及深灰色為主，有部分呈現(xiàn)雜色，土質(zhì)含水量較高，大多為粘土，會(huì)有少量碎石混雜其間，此外還會(huì)有其他硬質(zhì)雜物如粗砂，堆填時(shí)約5 m。由于未進(jìn)行專門夯實(shí)，土質(zhì)比較松散，大多以耕土為主，在殘坡積臺(tái)可見(jiàn)到植物根系。這種土層可達(dá)到0.6～7.1 m。

2) 淤泥質(zhì)土: 這種土層為深淺不一的灰色，流塑，含水量可達(dá)到飽和，大多為粘粒，成分中另一主要部分為粉粒，細(xì)膩均勻，土層中可看到已腐敗動(dòng)植物成分，有些地方會(huì)有粉細(xì)砂混入其中，局部還可能有細(xì)砂，呈現(xiàn)淤泥混砂狀態(tài)，由于含有腐敗有機(jī)質(zhì)故可聞到臭味，土質(zhì)細(xì)膩飽和因此切面光滑，無(wú)搖振反應(yīng)，這類土質(zhì)去除水分后強(qiáng)度將會(huì)大幅提高，韌性呈現(xiàn)低到中度不等,可達(dá)3.1～11 m。

3)粉質(zhì)粘土: 這種土層顏色以灰色為主，有可能呈現(xiàn)褐灰、灰白狀態(tài)，含水可以達(dá)到飽和狀態(tài)，具有較高可塑性，成分與淤泥質(zhì)土相似，大多為粘粒、粉粒，多由于洪水造成，切面光滑。這種土層厚度大約1.2～4.2 m。

4 )中砂: 同樣呈現(xiàn)不同深淺灰色，有較淺的灰黃、灰白色，也有較深的褐灰色。密度中等，土質(zhì)飽和，土層顆粒較大，60%可以超過(guò)0.025 mm，其中少量成分為泥質(zhì)，大約占15%，由于粗顆粒較多呈現(xiàn)粗砂狀態(tài)，這種土質(zhì)也來(lái)自于洪水沖積，厚度可達(dá)1.2～5 m。

5)殘積砂質(zhì)粘性土: 顏色與成分與中砂相似，呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，土質(zhì)較硬，多為硬塑 — 堅(jiān)硬，韌性適中，來(lái)自于風(fēng)化殘積，由花崗巖形成，可達(dá)1.5～4.9 m。

6)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖: 呈現(xiàn)灰黃、灰白色，可以清楚觀察到原來(lái)巖石結(jié)構(gòu)，經(jīng)風(fēng)化作用呈現(xiàn)散體 — 碎裂結(jié)構(gòu)，巖芯呈碎屑狀 — 碎塊狀。這類巖石質(zhì)地較軟，硬度不同，巖芯破碎程度存在差別，揭露厚度2.5～9.0 m。

7)中風(fēng)化花崗巖: 顏色較淺，多為灰白色，由中細(xì)粒組成，節(jié)理不發(fā)育，呈現(xiàn)塊狀，柱狀巖芯， RQD=7090，由于質(zhì)地較硬因而風(fēng)化程度略低，巖體保持較完整狀態(tài)，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類，經(jīng)過(guò)測(cè)量該類地層可以達(dá)到1.5～7.5 m。

根據(jù)報(bào)告顯示地層狀況可以確定各部分地基承載力情況，將各天然地基基本狀況用表1進(jìn)行表示。了解各土層性質(zhì)，所有指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 地基承載力容許值土質(zhì)類別容許承載力f/kPa土質(zhì)類別容許承載力f/kPa淤泥質(zhì)土45砂質(zhì)粘土層220粉質(zhì)粘性土130強(qiáng)風(fēng)化層花岡巖400中砂層200中風(fēng)化層花崗巖2000

表2 各土層性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)巖土類別天然含水量W/%天然重度γ/(kN·m-3)天然孔隙比e液性指數(shù)IL淤泥質(zhì)土47.5816.711.341.13粉粘性土24.5119.010.810.21殘積砂質(zhì)粘性土22.6228.110.870.31壓縮系數(shù)壓縮模量/MPa直接快剪固結(jié)快剪C/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)1.122.178.928.4612.377.700.316.1122.1116.6128.5120.600.335.8917.2424.4117.6319.5

從該地地質(zhì)報(bào)告及各地層多項(xiàng)指標(biāo)對(duì)工程地質(zhì)條件基本了解，表層軟土層主要為淤泥質(zhì)土，這種土質(zhì)具有很好流塑性，呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。路基基礎(chǔ)下層部分為中砂及殘積砂質(zhì)粘性土，這些土層相對(duì)較好。軟土地基深度范圍較大，測(cè)量可以達(dá)到4～10 m，大多分布于一般路段(K2+215～K3+234)。

2 道路軟基處理方案選擇

1) 水泥攪拌樁法是處理正常固結(jié)軟地基一種有效方式，可用于淤泥與淤泥質(zhì)土類地基加固，另外對(duì)于粉土、粘性土等不穩(wěn)定軟地基也具有提高穩(wěn)定性作用，素填土和無(wú)流動(dòng)地下水的飽和松散砂土類地基這種方法同樣有效。但不是所有天然軟地基都適合此類方法，如果pH值小于4，含水量相對(duì)較少、低于30%的地基土使用會(huì)受到限制。除此之外對(duì)于土層可塑性要求較高，若塑性指數(shù)超過(guò)25選用該種方法則要慎重。對(duì)于存在腐蝕性地下水或較多有機(jī)物土層也需通過(guò)測(cè)試來(lái)確定是否應(yīng)用該種方法進(jìn)行加固。由于水泥攪拌樁法應(yīng)用時(shí)需要機(jī)械進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，而存在碎石等大塊物質(zhì)攪拌會(huì)受到影響，施工速度有可能因此變慢，在實(shí)際應(yīng)用中要充分考慮這種因素，可事先清除雜物提高速度。

2) 本項(xiàng)目所處路段地基以含水較多淤泥質(zhì)土為主，因此承載率相對(duì)較低，不能夠滿足設(shè)計(jì)要求，路面使用將會(huì)受到影響，必須對(duì)軟基進(jìn)行處理之后才能夠鋪筑路基。設(shè)計(jì)之前首先需要了解該地段土層情況并根據(jù)實(shí)際探測(cè)結(jié)果分析。淤泥質(zhì)土是該段天然軟地基主要成分，這種土質(zhì)含水量較高，在該處分布深度較廣，勘測(cè)結(jié)果顯示可以達(dá)到4～10 m。在施工過(guò)程中需要綜合考慮這些情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)具體情況具體處理。

3) 本項(xiàng)目工程期限有嚴(yán)格限制，因此在處理軟基時(shí)不可過(guò)度耗費(fèi)時(shí)間，必須在現(xiàn)在工期要求范圍內(nèi)完成，保證地基固結(jié)沉降，在穩(wěn)定性上滿足要求。進(jìn)行工期估算時(shí)需要考慮具體實(shí)際情況、結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)完成。對(duì)于上述幾種方案優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，其中花費(fèi)工期較長(zhǎng)的塑料排水板法不能夠滿足現(xiàn)實(shí)需要，另外袋裝砂井法耗時(shí)較多也被排除，經(jīng)過(guò)篩選得到以下4個(gè)方案，其中包括水泥攪拌樁法，另外3種為PHC管樁、強(qiáng)夯置換法、CFG樁。

4) 通過(guò)造價(jià)估算對(duì)這4個(gè)方案進(jìn)行初選，比較結(jié)果見(jiàn)表3， CFG樁、PHC管樁工程造價(jià)不具有優(yōu)勢(shì)，而強(qiáng)夯置換法不適合處理含水量高的淤泥質(zhì)土，因此最終選定采用水泥攪拌樁方案。

表3 初選軟基處理方案比較處理方案優(yōu)勢(shì)造價(jià)/(元·m-2)CFG樁工期短、工藝操作性好、便于質(zhì)量控制200PHC管樁工期短、滲透力強(qiáng)、質(zhì)量檢測(cè)方便300水泥攪拌樁經(jīng)濟(jì)性明顯,工期易掌控170強(qiáng)夯置換工藝性成熟,施工方法簡(jiǎn)單130

3 水泥攪拌樁設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 選取最不利斷面

最不利斷面選擇對(duì)軟基處理至關(guān)重要，這需要進(jìn)行綜合考慮，首先路基填土高度是考慮的重要因素，一般會(huì)選擇較大高度部分；其次軟土地基厚度也是一方面，大多會(huì)選擇厚度較高位置。對(duì)于目前所掌握工程資料進(jìn)行綜合分析確定最不利驗(yàn)算斷面，樁號(hào)K2+360處成為最終選擇，該處路基高度及地基厚度分別為6.608 m和10.2 m，取鉆孔36土樣作為設(shè)計(jì)資料完成水泥攪拌樁設(shè)計(jì)計(jì)算，表4顯示鉆孔資料，表5為土工試驗(yàn)報(bào)告。鉆孔處土樣e—P關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

表4 孔號(hào)36地質(zhì)情況地層序號(hào)分層區(qū)間厚度/m巖土類別名稱各土層類特性①2.4素填土層類灰色、雜色;主要為粘性土;呈濕—飽和狀態(tài);有少許硬質(zhì)物,例如碎石、粗砂等②8.0淤泥質(zhì)土層類灰色—深灰色;主要是粉粒土;呈飽和流塑狀態(tài),土質(zhì)干強(qiáng)度高,韌性中等,土質(zhì)均勻③1.9粉粘性土層灰色及褐灰色;主要為粘粒及粉粒;呈飽和可塑狀態(tài);切面狀態(tài)光滑,成因?yàn)楹榉e④3.1中砂層灰白及褐灰色;含60%顆粒物,15%的成份為泥質(zhì);呈飽和中密狀態(tài);粗顆粒局部含量較高,洪積成因

表5 孔號(hào)36土工試驗(yàn)報(bào)告土樣編號(hào)取樣深度/m天然含水量/W/%天然重度γ/(kN·m-3)天然孔隙比e36-1 3～3.2 42.916.31.30736-2 5～5.2 46.516.71.30936-3 7～7.2 41.616.91.21436-4 9～9.2 40.516.61.23636-511～11.222.519.10.734液性指數(shù)IL壓縮系數(shù)壓縮模量/MPa直接快剪C/kPaφ/(°)1.081.042.2579.21.141.062.2189.21.080.962.34107.81.082.221.02710.40.090.286.432218.5

圖1 不同土樣的e — P關(guān)系曲線圖

3.2 最不利斷面驗(yàn)算

1) 依據(jù)相關(guān)公路工程設(shè)計(jì)規(guī)范，建立如圖2所示，關(guān)于軟土地基最不利斷面的計(jì)算圖示。為使道路路基具備更強(qiáng)的整體穩(wěn)定性，故通過(guò)反壓護(hù)道的方式對(duì)路基橫斷面兩側(cè)進(jìn)行處理，同時(shí)鋪設(shè)厚度為50 cm的砂墊層在水泥攪拌樁頂端。

圖2 最不利斷面計(jì)算圖示(單位： m)

2)初步選擇最不利斷面驗(yàn)算的各項(xiàng)參數(shù)，見(jiàn)表6～表11。

表6 路堤設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)高度值(路堤土層+路面結(jié)構(gòu)層)/m設(shè)計(jì)頂寬/m邊坡坡度6.60832.001/1.5

表7 路堤設(shè)計(jì)分層參數(shù)分層類別層厚度值/m重度值/(kN·m-3)內(nèi)摩擦角/(°)內(nèi)聚力值/kPa路堤土層5.88917.030.020.0路面結(jié)構(gòu)層0.72123.035.022.0砂墊層0.5020.035.00.00

表8 施工荷載加載級(jí)數(shù)序號(hào)開(kāi)始時(shí)間結(jié)束時(shí)間填土高度/m010第6個(gè)月5.87902第7個(gè)月第8個(gè)月0.24003第32個(gè)月第33個(gè)月0.441 注:工后沉降時(shí)間:180月(基準(zhǔn)期);荷載級(jí)數(shù):03。

表10 水泥攪拌樁參數(shù)選取布置形式布置間距值/m樁長(zhǎng)值/m樁土應(yīng)力比樁直徑/m樁抗剪強(qiáng)度值/kPa等邊三角形1.5011.004.000.5035.00

表11 施工超載分布值超載序號(hào)定位距離/m分布寬度/m超載值/kPa010.004.002.50024.0011.0012.760315.002.000.000417.0011.0012.760528.004.002.50

將上述參數(shù)輸入理正巖土工程計(jì)算分析軟件進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)果中關(guān)于水泥攪拌復(fù)合地基的承載力參數(shù)符合施工要求，在工后使用期15 a內(nèi)，復(fù)合地基出現(xiàn)27 cm沉降，這一數(shù)值低于一般路段50 cm的的容許工后沉降值，同時(shí)也低于一般構(gòu)造物(如通道、涵洞等)基礎(chǔ)30 cm容許工后沉降值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，由此說(shuō)明在本次工程施工過(guò)程中對(duì)軟土路段地基使用水泥攪拌樁進(jìn)行處理后，所獲得的復(fù)合地基可以獲得較為理想的效果。

4 水泥攪拌樁施工要點(diǎn)分析

4.1 樁位平面布置

水泥攪拌樁的樁位平面布置情況，如圖3所示。使用直徑為0.5 m的水泥攪拌樁，樁間距為1.5 m，呈等邊三角形進(jìn)行布置。

圖3 樁位平面布置(單位： cm)

4.2 工藝試樁試驗(yàn)

通過(guò)分析工程地質(zhì)勘察報(bào)告發(fā)現(xiàn)，此次工程施工區(qū)域內(nèi)的軟土地基的含水率在30%到50%這一分布區(qū)間內(nèi)，故對(duì)地基進(jìn)行處理時(shí)可通過(guò)濕噴法進(jìn)行操作。初選使用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)，且水灰比在0.45到0.55之間的普通硅酸鹽水泥進(jìn)行處理，但為確保樁體滿足設(shè)計(jì)需要，需要進(jìn)行3次試樁試驗(yàn)后方可開(kāi)展大面積施工作業(yè)，如表12所示，為前2次試驗(yàn)結(jié)果。

參照表12中2次試樁的試驗(yàn)結(jié)果，基于節(jié)省工期和降低工程造價(jià)的考慮，在確保不影響施工質(zhì)量的前提下，以上述2次試驗(yàn)為基礎(chǔ)，改良優(yōu)化本次施工中水泥攪拌樁的施工工藝。經(jīng)多方研究，并對(duì)可行性進(jìn)行論證，最終確定了第3次試樁的施工方案： ①再試驗(yàn)14根水灰比為0.5的水泥攪拌樁，同時(shí)將減水劑類型以木質(zhì)素減水劑替換原本的三乙醇胺減水劑，將減水劑含量控制在0.6%左右； ②以3噴4攪(即除第1次下鉆外，其余幾次下鉆均噴漿)替換原本4噴4攪的施工工藝； ③結(jié)合施工機(jī)械的實(shí)際性能，要求“下2-上1-下2-上2”，(其中1、2均為機(jī)械檔位)，同時(shí)水泥攪拌樁需鉆入持力層不低于0.5 m；根據(jù)改良后的施工工藝進(jìn)行第3次試驗(yàn)，除能獲得良好的成樁效果，地基承載力等參數(shù)均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求外，同時(shí)也可以使工期和工程造價(jià)獲得有效地節(jié)省，故而此次改良后的施工工藝能夠用于大面積施工。

表12 試樁試驗(yàn)記錄類別控制水灰比樁號(hào)外加劑種類外加劑摻量/%水泥品牌實(shí)水泥用量/kg水泥等級(jí)工藝要求樁長(zhǎng)度/m水泥用量均值/(kg·m-1)攪拌及噴漿時(shí)長(zhǎng)/min成樁效果0.553649木質(zhì)素(減水劑)0.549利民牌90042.56噴+6攪9.3091.3935成樁36480.561140010.70126.1639成樁試驗(yàn)一0.503760木質(zhì)素(減水劑)0.601利民牌105042.56噴+6攪9.40106.3724.5成樁37610.6039509.1087.9325成樁0.503885木質(zhì)素(減水劑)0.34利民牌95042.56噴+6攪9.1083.3525成樁38860.349509.1087.8925未成樁試驗(yàn)二0.553951三乙醇胺減水劑1.00利民牌75042.54噴+4攪9.1077.0124成樁39521.007759.1079.6922成樁

4.3 施工工藝流程及施工質(zhì)量控制

1) 根據(jù)上述3次試樁試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，并結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件對(duì)初選參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，展開(kāi)正式施工作業(yè)，具體施工流程如圖4所示。施工過(guò)程中，使用2檔進(jìn)行攪拌下沉，使用1檔進(jìn)行提升。

圖4 3噴4攪施工工藝流程

2) 工程質(zhì)量控制：水泥用量的多少受到水灰比以及噴漿量的直接影響，而水泥攪拌樁的成樁質(zhì)量的優(yōu)劣以及樁體強(qiáng)度的高低均從很大程度上受到水泥用量的影響，因此在水泥攪拌樁的施工過(guò)程中，水灰比以及噴漿量是有效管控工程質(zhì)量的重點(diǎn)。在對(duì)水灰比進(jìn)行控制時(shí)，可使用泥漿比重計(jì)對(duì)水泥漿的比重進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，并參照水灰比與水泥漿比重二者間的關(guān)系，對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析，以此達(dá)到對(duì)水灰比的控制目的；除此以外可以通過(guò)流量計(jì)達(dá)到控制噴漿量的目的。

5 施工效果檢驗(yàn)

1) 施工效果檢驗(yàn)工作首先需對(duì)水泥攪拌樁的成樁質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。在成樁7 d后，選取總樁數(shù)5%的水泥攪拌樁為樣本進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)樣本樁頭進(jìn)行淺部開(kāi)挖，開(kāi)挖深度應(yīng)不少于以停漿面為基準(zhǔn)向下0.5 m。開(kāi)挖后，對(duì)樁體的直徑以及成樁均勻程度進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)分析檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本次施工所制的水泥攪拌樁樁徑以及成樁質(zhì)量均符合設(shè)計(jì)和使用的各項(xiàng)指標(biāo)。

2) 對(duì)水泥攪拌樁成樁質(zhì)量檢測(cè)完成后，還需在其成樁28 d后對(duì)復(fù)合地基的載荷進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。選擇總樁數(shù)50%的水泥攪拌樁作為檢測(cè)樣本，使用1.396 m×1.396 m的承壓板開(kāi)展試驗(yàn)。通過(guò)分析試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，此次試驗(yàn)中各檢測(cè)點(diǎn)的復(fù)合地基承載力特征值均高于10 kPa，符合設(shè)計(jì)和使用的各項(xiàng)指標(biāo)。由此可見(jiàn)，此次施工的施工效果良好，達(dá)到了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文以實(shí)際案例為支撐，提出了水泥攪拌樁設(shè)計(jì)與施工需要重視的要點(diǎn)。采用水泥攪拌樁的方案對(duì)施工區(qū)域內(nèi)的軟土地基進(jìn)行處理，需通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)算及工藝性試樁試驗(yàn)，得出合理的施工參數(shù)，才能進(jìn)一步展開(kāi)大面積軟地基施工。本案例項(xiàng)目最終通過(guò)各項(xiàng)質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果分析得出，使用水泥攪拌樁對(duì)軟土地基進(jìn)行處理的方案，符合相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果顯示水泥攪拌樁處置效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求，為同類型公路工程軟土地基處理，提供了技術(shù)參考和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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2016-11-16

孫潔( 1985-) ，女，工程師，主要從事公路與市政道路設(shè)計(jì)。

1008-844X(2017)01-0058-05

U 416.1

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