索連板球基礎(chǔ)上拔機(jī)理

雒億平 薛晶 言志信

摘 要：針對(duì)既抗壓又抗拔基礎(chǔ)存在的缺陷和不足，尤其是特殊場地條件下施工困難的問題，構(gòu)建了索連板球基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)主要由水泥土柱、上板、下球體和須發(fā)錨索4部分構(gòu)成，其中水泥土柱、下球體與須發(fā)錨索構(gòu)成球索基礎(chǔ)，由該球索基礎(chǔ)承擔(dān)上拔力。通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，分析了球索基礎(chǔ)的抗拔機(jī)理及其與土體之間的相互作用，以及球索基礎(chǔ)周圍土體的變形開裂過程，揭示了球索基礎(chǔ)的變形破壞規(guī)律和上拔力與埋深比之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：球索基礎(chǔ);極限上拔力;抗拔機(jī)理;埋深比

中圖分類號(hào)：TU476

?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1674-4764（2018）06-0022-07

Uplift mechanism of foundation of plate and ball connected

by anchor cable

Luo Yiping1，2 ， Xue Jing1， Yan Zhixin1，3

（1.School of Civil Engineering and Mechanics， Lanzhou University， Lanzhou 730000， P. R. China; 2.The Research

Institute of Economics and Technology of Gansu Province Electric Power Company， State Grid Corporation

of China， Lanzhou 730050，P. R. China; 3. School of Civil and Transportation Engineering，

Henan University of Urban Construction， Pingdingshan 467036， Henan， P. R. China）

Abstract：An anchor cable connecting plate and ball was developed mainly for overcoming deficiency of current foundation subjected to both compressive and pull-out stresses， as well as the difficulty of construction in problematic ground conditions. The basis primarily consists of the cement soil column， the upper plate， the lower ball and the beard anchor. The cement soil column， lower ball and the beard anchor formulate the ball cable foundation， which handles the uplift force. Combining theoretical analysis with numerical simulation， the anti-tensile mechanisms of the ball cable foundation were explored， and the interaction between the ball cable foundation and soil mass was investigated. Moreover， we also studied the deformation process of the soil mass surrounding the ball cable foundation. The results revealed the evolving law of the deformation of the soil mass surrounding the ball cable， and the relationship between the uplift force and the bury depth.

Keywords：ball and cable foundation; extreme uplift force; resistance uplift mechanism; buried depth ratio

迄今為止，絕大部分基礎(chǔ)為抗壓基礎(chǔ)，即基礎(chǔ)主要承受上部結(jié)構(gòu)施加的豎向下壓荷載，且滿足變形和穩(wěn)定性要求，典型的基礎(chǔ)形式包括獨(dú)立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)等。然而，隨著工程建設(shè)的發(fā)展，一些基礎(chǔ)形式不僅要具備一般基礎(chǔ)的抗壓和抗水平滑移功能，而且要具備足夠大的抗拔能力[1-2] ，現(xiàn)有抗拔基礎(chǔ)形式較少，主要有“大開挖”基礎(chǔ)、“掏挖擴(kuò)底樁”基礎(chǔ)、“爆擴(kuò)樁”基礎(chǔ)等?！按箝_挖”基礎(chǔ)是指埋置于預(yù)先挖好的基坑內(nèi)并回填，且將回填土夯實(shí)的基礎(chǔ)，以擾動(dòng)的回填土為抗拔土體，從而保持基礎(chǔ)穩(wěn)定[3-5] ;“掏挖擴(kuò)底樁”基礎(chǔ)是指以鋼筋籠為骨架，混凝土灌注于以機(jī)械或人工掏挖成的土胎內(nèi)的基礎(chǔ)，以天然土體的抗拔能力而保持基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定[6-7] ;“爆擴(kuò)樁”基礎(chǔ)是指以鋼筋為骨架，混凝土灌注于以爆擴(kuò)成型的土胎內(nèi)擴(kuò)大端的短樁基礎(chǔ)，抗拔土體基本接近于未擾動(dòng)的天然土[8] 。另外，筆者發(fā)明了利用埋置于地基土體中的錨板抗拔的聯(lián)合板索基礎(chǔ)[1，9] 。無論是“大開挖”基礎(chǔ)，還是“掏挖擴(kuò)底樁”基礎(chǔ)或是“爆擴(kuò)樁”基礎(chǔ)，施工均有較大難度，而且存在工程量大、耗時(shí)長、成本高等問題，且對(duì)環(huán)境造成較大破壞，提供的抗拔力有限、加固效果不夠理想[1，10] ;雖然聯(lián)合板索基礎(chǔ)能夠提供較大的抗拔力，并能降低工程費(fèi)用，但施工難度仍然較大[1，9] 。人們在探索不同基礎(chǔ)型式的同時(shí)，對(duì)砂土和黃土中錨板的抗拔機(jī)理進(jìn)行了研究[1，10] ，并探討了擴(kuò)底樁基礎(chǔ)極限抗拔承載力的理論計(jì)算[6-7] ，但少有研究涉及上拔力作用下基礎(chǔ)周圍土體變形破壞過程的分析，至于風(fēng)積砂土地基，至今仍無合適的基礎(chǔ)型式，更未對(duì)其開展研究[11] 。

1 索連板球基礎(chǔ)

提出了一種減小對(duì)地基擾動(dòng)，提高抗壓、抗拔強(qiáng)度，并優(yōu)化荷載傳遞機(jī)制，同時(shí)減小土體變形的基礎(chǔ)，如圖1（a）所示。該基礎(chǔ)主要由水泥土柱、上板、下球體和須發(fā)錨索4部分構(gòu)成，即主要包括構(gòu)建于土地基的水泥土柱、嵌入地基中的上板、埋于地下的下球體和聯(lián)系上板與下球體的須發(fā)錨索4部分。圖1（b）所示的須發(fā)錨索由耐拉細(xì)絲（通常為鋼絞線）構(gòu)成。起初所述耐拉細(xì)絲的下部順周長方向均勻分布于裝有雷管的抗水炸藥周圍，即起初的耐拉細(xì)絲下部捆扎裝有雷管的抗水炸藥，并被置于地基中通過多次爆破形成的球形空腔之內(nèi)。該球形空腔通過先在性能軟弱，即抗壓強(qiáng)度不高易變形土體中構(gòu)建水 泥土柱對(duì)軟弱地基進(jìn)行處理，然后沿水泥土柱的軸線鉆孔至其底，并在底部進(jìn)行多次爆破擴(kuò)孔而形成。用注漿體澆注球形空腔后引爆炸藥，利用炸藥爆炸的爆轟壓力驅(qū)使剛澆注未固結(jié)的注漿體充填球形空腔，并使包圍在未固結(jié)注漿體中的須發(fā)錨索散開分布于球形空腔。注漿體固結(jié)后，須發(fā)錨索底部獲得錨固，將其頂端與所述上板連接到一起，然后施加預(yù)應(yīng)力于須發(fā)錨索，再次用注漿體澆注球形空腔和水泥土柱中的鉆孔，構(gòu)建起上板和下球體通過下部錨固于球形空腔而其余部分錨固于水泥土柱鉆孔之中的所述須發(fā)錨索相聯(lián)系的索連板球基礎(chǔ)[11] 。

索連板球基礎(chǔ)上板主要抵抗下壓，承受下壓力;同時(shí)，抵抗水平滑移，承受水平力。下球體主要抵抗上拔，承受上拔力。對(duì)下球體的上拔力主要通過須發(fā)錨索傳遞，即須發(fā)錨索主要傳遞上拔力。

索連板球基礎(chǔ)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）擴(kuò)孔炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟氣體對(duì)鉆孔孔底強(qiáng)烈地沖擊壓縮，致使鉆孔底周圍土體被粉碎，形成大小足夠的空腔。通過注漿形成帶底端擴(kuò)大頭的錨固體，所提供的錨固力足以使上部結(jié)構(gòu)上拔穩(wěn)定;炸藥 爆炸所產(chǎn)生的爆轟氣體對(duì)鉆孔孔底土體強(qiáng)烈作用，使孔底周圍土體得到壓縮，同時(shí)將土體中的裂隙推開，充填注漿體后將改善和提高地基（鉆孔底部周圍土體）的物理力學(xué)性能;鉆孔底注漿后即刻起爆被掩埋的炸藥，爆炸作用強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)注漿體充填孔底球形空腔，并使須發(fā)錨索散開分布于球形空腔，注漿體將須發(fā)錨索錨固，形成以錨固于孔底球形空腔和水泥土柱鉆孔中的須發(fā)錨索為核心的全方位、立體、復(fù)合錨固，使工程的安全得到保障。

2）索連板球基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，從根本上改變了施工和基礎(chǔ)型式，顯著地節(jié)約了投資，減少了棄土，使環(huán)境得到保護(hù)。

2 球索基礎(chǔ)上拔機(jī)理

索連板球基礎(chǔ)的抗拔功能完全由埋置于地基中的下球體、須發(fā)錨索和水泥土柱構(gòu)成的球索基礎(chǔ)承擔(dān)，因此，可通過對(duì)球索基礎(chǔ)建模進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)索連板球基礎(chǔ)的抗拔研究。

2.1 淺埋球索基礎(chǔ)的上拔

采用FLAC3D建模，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并綜合考慮應(yīng)力、位移的精度要求和計(jì)算速度，確定模型中土體單元的尺寸，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分?；谇蛩骰A(chǔ)的結(jié)構(gòu)及其與周圍土體的相互作用，對(duì)球索基礎(chǔ)及其周圍的網(wǎng)格劃分較細(xì)，隨著與球索基礎(chǔ)距離的增大，網(wǎng)格尺寸以1.1的比率增大，建立的數(shù)值模擬模型為：水泥土柱直徑6 cm，下球體直徑15 cm，埋深比（下球體球心的入土深度與其直徑之比）2;土體模型尺寸為 X×Y×Z =1 m×1 m×0.425 m，共劃分網(wǎng)格25 480 個(gè)，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)28 033個(gè)。將土體作為彈塑性介質(zhì)，遵從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，對(duì)模型進(jìn)行非線性分析[12] ，研究球索基礎(chǔ)的抗拔機(jī)理和特性。

結(jié)合甘肅地區(qū)的砂土地質(zhì)環(huán)境和條件以及工程要求開展研究，砂土樣取自具有較好代表性、地處騰格里沙漠區(qū)的甘肅省民勤縣，基本反映了甘肅地區(qū)非飽和砂土的特性。數(shù)值模擬中的物理力學(xué)參數(shù)均通過現(xiàn)場取樣測試，然后按相似比換算獲得。理論上，砂土的黏聚力為0，但由于水的表面張力導(dǎo)致砂土存在假黏聚力，測試值為1.25～12.5 kPa，故數(shù)值模擬中黏聚力取值為1.25 kPa，如表1所示。

根據(jù)對(duì)錨板抗拔研究的經(jīng)驗(yàn)[13-14] ，位移場能較好地反映土體的變形，而剪應(yīng)變場能較好地反映土體破壞面的形成，將它們作為深入分析索連板球基礎(chǔ)的球索與土體的相互作用、協(xié)同工作和變形演化及其影響因素的重要依據(jù)。球索基礎(chǔ)是抵抗上拔的結(jié)構(gòu)，上拔過程中的抗拔力主要源于基礎(chǔ)本身的自重、破裂面內(nèi)土體重量以及破裂面之外土體在破裂面上施加的剪力和拉力。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，淺埋球索基礎(chǔ)在上拔力作用下經(jīng)歷3個(gè)階段。

第1階段，即起始階段。如圖2（a）所示，該階段球索基礎(chǔ)受到的上拔力較小，與這一階段較小的上拔力對(duì)應(yīng)，基礎(chǔ)上拔位移和土體變形均比較小，土體沒有發(fā)生破壞。

第2階段，即發(fā)展階段。如圖2（b）所示，該階段隨球索基礎(chǔ)受到的上拔力增大，下球體對(duì)周圍土體的作用也隨之增強(qiáng)，下球體之上部分土體受到的剪應(yīng)力達(dá)到土體的抗剪強(qiáng)度而破壞，即局部剪切破壞;同時(shí)，受到上拔力作用的水泥土柱發(fā)生拉伸變形，從而帶動(dòng)其周圍的部分土體產(chǎn)生向上的位移，甚至部分土體發(fā)生粘結(jié)破壞。圖2（b）中水泥土柱周圍部分土體由于上拔力的作用導(dǎo)致其同時(shí)受到剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的作用。隨上拔力增大，土體變形破壞逐步發(fā)展，土體中受影響范圍以錨索為對(duì)稱軸水平向拓展，并且從下球體和地面兩端沿錨索向中部發(fā)展，環(huán)繞下球體上表面斜向上一定范圍內(nèi)的土體中陸續(xù)形成破壞區(qū)，并最終發(fā)展至地表，形成倒鐘形的破壞面。下球體上表面土體受到的力可分解為沿下球體徑向和切向的分力，隨下球體受上拔力作用而發(fā)生向上的位移，切向分力將使土體發(fā)生拉伸破壞，所以，下球體表面土體發(fā)生剪切破壞的同時(shí)，還發(fā)生拉伸破壞，下球體之下的土體也受拉伸作用而發(fā)生粘結(jié)破壞脫離下球體。

第3階段，即整體破壞階段。如圖2（c）所示，該階段下球體對(duì)上拔力特別敏感，即上拔力稍有增大，球索基礎(chǔ)的位移獲得顯著增大。下球體上部土體中的剪切破壞面與地表拉伸破壞面貫通時(shí)，土體破壞，土體中形成過下球體球心的水平截面邊緣，即水平大圓開始直至地表的軸對(duì)稱破壞曲面，圖2（c）所示即為對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)。

隨著球索基礎(chǔ)受上拔力作用向上位移，巖土體中的塑性區(qū)將按照圖3所示的破壞模式逐漸從下球體向地表發(fā)展，土中的剪應(yīng)變區(qū)向上發(fā)展的同時(shí)，以一定角度外傾橫向，即水平向拓展，逐漸發(fā)展至土體表面，把剪切變形的峰值點(diǎn)用線連起來，將形成以過下球體球心和過水泥土柱軸線的錨索為軸延伸到地表，并在向上過程中逐步向周圍拓寬的旋轉(zhuǎn)曲面，破壞面為軸對(duì)稱的曲面。

從圖4中可以看出，隨著上拔力的增大，剪應(yīng)變隨之增大，砂土中的塑性區(qū)得以發(fā)展。起初砂土中的剪應(yīng)變最大值區(qū)域分布在水泥土柱周圍和下球體上表面斜上方的與 X 軸正負(fù)方向均為15°～45°區(qū)域的土體內(nèi);隨著上拔力的不斷增大，剪應(yīng)變獲得持續(xù)增加，其最大值區(qū)域不斷拓展，向斜上方延伸，最終貫通地表導(dǎo)致球索基礎(chǔ)破壞。

圖5揭示了淺埋球索基礎(chǔ)上覆土體地表塑性區(qū)隨上拔力增長的發(fā)展過程。隨著上拔力的持續(xù)增大，巖土體中的塑性區(qū)得到大的發(fā)展，剪應(yīng)變獲得大的增長，地表面上錨索周圍區(qū)域土體發(fā)生拉伸破壞。這是由于在上拔荷載作用下，剪切破裂面是曲面，地表面上塑性區(qū)邊緣處土體受到的力是斜向上的，該力使得地表土體在向上隆起的同時(shí)，土體在水平方向的破壞范圍從下至上逐步擴(kuò)大，地表土體的塑性區(qū)遠(yuǎn)大于下球體最大水平截面面積，即大圓的面積。當(dāng)?shù)乇砝炱茐拿媾c下部剪切破壞區(qū)域貫通形成完整的破壞面時(shí)，基礎(chǔ)失效。當(dāng)上拔力進(jìn)一步增大，剪切變形和拉伸變形都得以擴(kuò)張，在兩者共同作用區(qū)域形成剪切 拉伸破壞復(fù)合變形破壞區(qū)，此時(shí)的土體已發(fā)生整體破壞，上拔力不變，位移持續(xù)增長。

與數(shù)值模擬相對(duì)應(yīng)，進(jìn)行了室內(nèi)相似模型試驗(yàn)。室內(nèi)相似模型試驗(yàn)根據(jù)甘肅省民勤縣砂土樣測試數(shù)據(jù)，相似比取8進(jìn)行換算，從而獲得室內(nèi)相似模型試驗(yàn)砂土相似材料的物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而配制出砂土的相似材料，開展室內(nèi)相似模型試驗(yàn)，即如圖6所示的淺埋球索基礎(chǔ)拉拔試驗(yàn)。模型試驗(yàn)同樣表明，隨著錨索上拔力的持續(xù)增大，錨索和水泥土柱發(fā)生向上的位移，周圍的地表面不斷隆起，并隨上拔位移的增大，即土體的不斷隆起，錨索和水泥土柱周圍出現(xiàn)徑向和環(huán)向裂縫，且裂縫持續(xù)增多，其寬度和深度持續(xù)擴(kuò)大，其分布范圍自錨索發(fā)展至錨索周圍的一定區(qū)域，如圖6、圖7所示。數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了相互印證。

2.2 深埋球索基礎(chǔ)的上拔

在球索基礎(chǔ)淺埋條件下，即球索基礎(chǔ)的埋深比較小時(shí)，隨著埋深的增大，其極限抗拔力得到持續(xù)提高，土體內(nèi)和地表的破裂范圍也得到持續(xù)的增大，其破裂如圖3所示，為倒鐘形開口朝上直至地表的旋轉(zhuǎn)曲面。但球索基礎(chǔ)的埋深繼續(xù)增大時(shí)，情況發(fā)生根本變化，其破裂范圍不僅不再增大，反而減小，同時(shí)破裂面的形狀也不再是倒鐘形開口朝上直至地表的旋轉(zhuǎn)曲面，而是轉(zhuǎn)換成花瓶狀的旋轉(zhuǎn)曲面，即球索基礎(chǔ)的剪切應(yīng)變和塑性區(qū)呈花瓶形分布，且隨球索基礎(chǔ)埋深比的增大，花瓶口、瓶頸的直徑逐漸減小，主要集中在下球體的上方，瓶口位置在錨桿和水泥土柱出露地表處。將這種根本變化對(duì)應(yīng)的球索基礎(chǔ)埋深定義為臨界埋深，相應(yīng)的埋深比定義為臨界埋深比，球索基礎(chǔ)埋深小于臨界埋深定義為淺埋，相應(yīng)地，大于臨界埋深定義為深埋。研究發(fā)現(xiàn)砂土地基的臨界埋深比一般為2.5～3.5。如圖8、圖9所示，采用前述的方法建模，對(duì)埋深比為5的深埋球索基礎(chǔ)進(jìn)行研究，由圖可見，球索基礎(chǔ)深埋條件下，其破壞形式由淺埋時(shí)的整體破壞轉(zhuǎn)換為局部剪切破壞，對(duì)其極限抗拔力也產(chǎn)生大的影響。

如圖8所示的花瓶口，即球索基礎(chǔ)出露地表位置的塑性區(qū)，主要是因?yàn)樵谏习瘟Φ淖饔孟虑蛩骰A(chǔ)水泥土柱對(duì)土體的剪切作用帶動(dòng)土體產(chǎn)生向上的位移。此外，圖中的花瓶肚，即球索基礎(chǔ)下球體上方的塑性區(qū)，主要是因?yàn)樵谏习瘟Φ淖饔孟虑蛩骰A(chǔ)下球體對(duì)其周圍的土體施加力的作用，使部分土體產(chǎn)生塑性變形和位移。

2.3 埋深比對(duì)球索基礎(chǔ)上拔的影響

已有錨板抗拔研究經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)均顯示[15-16] ，錨板的埋深比 H/D 在抗拔中的作用至關(guān)重要，對(duì)抗拔承載力的影響極大。隨著埋深比的增大，抗拔承載力不斷增大，但增幅不斷減小，增長之勢趨緩，且埋深比增大到某值時(shí)，基礎(chǔ)的上拔情況發(fā)生根本的改變。

分別取埋深比 H/D 為1、2、2.5、3、3.5、4、5對(duì)大厚度非飽和砂土中的球索基礎(chǔ)進(jìn)行研究，得到了各埋深下的上拔力 位移曲線，如圖10所示。

由圖10可以看出，不同埋深比下的球索基礎(chǔ)上拔力與位移的關(guān)系。起初，上拔力隨位移呈線性增長，此時(shí)的土體仍處于彈性壓縮階段，但此階段僅僅經(jīng)歷很小的位移。隨著上拔力的繼續(xù)增大，基礎(chǔ)相對(duì)于砂土之間產(chǎn)生較大位移和變形，部分土體發(fā)生剪切破壞，承載力的增長減緩，呈曲線上升，即基礎(chǔ)周圍的土體進(jìn)入局部剪切破壞階段。且隨著上拔力繼續(xù)增大，基礎(chǔ)周圍的土體整體進(jìn)入塑性破壞階段，很小的上拔力增量可獲得基礎(chǔ)上拔位移的大幅度增長，甚至基礎(chǔ)突然被拔出。

從圖10還可以看出，隨著球索基礎(chǔ)埋深比的增加，特別是埋深比 H/D 從3開始，在上拔力作用下，進(jìn)入局部剪切破壞階段后的位移增量相對(duì)較大，土體整體進(jìn)入到塑性破壞階段，上拔力 位移曲線已沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，說明此時(shí)球索基礎(chǔ)已經(jīng)進(jìn)入深埋階段。之后，僅下球體周圍土體發(fā)生局部剪切破壞，下球體周圍的塑性區(qū)已不能擴(kuò)展至地表，地表的塑性區(qū)和破壞完全由錨索和水泥土柱的上拔造成，不再受埋深比影響。

此外，從圖10還可以看出，與深埋錨板局部破壞時(shí)的極限抗拔力不增長的情況不同[1、10] ，深埋條件下，隨著球索基礎(chǔ)埋深比的增加、水泥土柱長度的增加，其柱壁與土體的作用面積增大，極限抗拔力隨之緩慢上升。

3 結(jié)論

現(xiàn)有抗拔基礎(chǔ)型式有限，已不能適應(yīng)特殊地基條件和工程要求的需要，針對(duì)這個(gè)問題發(fā)明了索連板球基礎(chǔ)，以滿足工程對(duì)抗拔基礎(chǔ)之急需。索連板球基礎(chǔ)是一種全新的基礎(chǔ)型式，對(duì)索連板球基礎(chǔ)的抗拔進(jìn)行深入研究，得到以下結(jié)論：

1）索連板球基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，改變了施工和基礎(chǔ)型式，節(jié)約了投資，減少了棄土，使環(huán)境得到保護(hù)。

2）淺埋條件下，隨上拔力的增大，索連板球基礎(chǔ)周圍土體的變形和位移也隨之增大，可將整個(gè)過程可分為3個(gè)階段。

3）淺埋條件下，隨上拔力的增大，土體的相對(duì)位移和變形增大，剪切破壞發(fā)生和發(fā)展，由局部剪切破壞直至整體破壞，形成自下球體貫通至地表的倒鐘形開口朝上直至地表的旋轉(zhuǎn)破裂曲面。深埋條件下，隨著上拔力的增大，球索基礎(chǔ)出露地表處出現(xiàn)塑性區(qū)，繼而水泥土柱周圍，最后下球體上方，塑性區(qū)呈花瓶狀旋轉(zhuǎn)曲面。

4）淺埋條件下，隨著索連板球基礎(chǔ)所受上拔力的增大，其上拔位移漸趨加速增長，但埋深比增大到某一值時(shí)，球索基礎(chǔ)由淺埋過渡到深埋階段。

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