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문제 정의
- 본 연구에서는 CGS공법을 포화점성토지반에서 침하 발생 억제를 위하여 시험시공을 통하여 그 적용성을 파악하고자 하였다. 시험시공 위치는 강원도 00 지역으로 현재 입주중 인 APT단지 내 부지로서 입주후에도 지속적으로 대규모 지반침하가 발생하여 시급히 대책이 요망되는 곳이다.
- 시험시공은 적정한 CGS설치 패턴 즉, 설치직경, 배치형태, 설치간격을 정하기 위하여 2개 Type 으로 구분하였고 CGS주입전·후의 개량효과확인을 위하여 현장 및 실내토질시험이 실시되었으며 계측관리와 FDM해석을 실시하여 지반거동특성을 파악하였다. 시험시공 결과를 분석하여 본시공에서의 현장 적용성을 고찰하고, 유사 현장에서의 본 공법 적용을 위한 기초자료로 이용하고자 하였다.
- 유한차분해석(FLAC)을 실시하였다. 이와 같은 해석결과는 CGS주입에 따른 지반의 거동특성 파악과 주변구조물에 악영향이 없도록 하기 위한 대책수단으로 이용하였다.
- 해석 시 주요 평가항목은 CGS에 의한 침하억제효과, CGS 주입에 의한 주변지반 및 구조물에 미치는 영향으로 CGS 주입시공중 주변지반 및 구조물의 안정성 확보를 목적으로 하였다. 검토를 위하여 시험시공시 획득한 각종 자료 및 기 실시된 지반조사자료를 이용하였으며, 영향검토는 유한 차분 해석 Prog罗皿인 FHAC을 이용하여 CGS 주입에 따른 주변지반 및 구조물의 거동특성을 파악하였다.
- 본 해석에서의 모델선정은 CGS시공으로 인한 주변 지반의 변형과 침하특성, CGS시공으로 인한 지반개량 효과를 FDM해석을 통하여 파악하고자 하였다. 지반의 거동 모델은 Mohr-Coulomb Model을 적용하였다.
- 이와 같은 현상은 CGS주입에 의해 주변구조물에 영향을 미칠 수 있는 것으로서, 계측관리결과를 근거로 하여 FDM 해석을 실시하여 침하 . 융기, 수평변위 특성을 파악하고자 하였다.
- 본 연구에서는 APT건물 건축이 준공된 지역의 연약지반처리가 완료된 현장에서 예상되는 압밀침하를 억제시키기 위한 공법으로 선정된 CGS공법의 침하억제 효과와 현장적용성을 확인하였으며 그 결과를 요약 . 정리하면 다음과 같다.
가설 설정
- 흙과 Compaction Grouting 주입재 사이에 뚜렷한 접촉면이 있다.
- ③ 주입고결체의 형태는 토질의 물리 . 역학적 특성 및 상재구조물의 하중 등 여러 요인에 의하여 불규칙한 형태로 고결될 수도 있으나 균질 토에서는 대개 원기둥 형태로 형성된다.
제안 방법
- 시험시공 위치는 강원도 00 지역으로 현재 입주중 인 APT단지 내 부지로서 입주후에도 지속적으로 대규모 지반침하가 발생하여 시급히 대책이 요망되는 곳이다. 시험시공은 적정한 CGS설치 패턴 즉, 설치직경, 배치형태, 설치간격을 정하기 위하여 2개 Type 으로 구분하였고 CGS주입전·후의 개량효과확인을 위하여 현장 및 실내토질시험이 실시되었으며 계측관리와 FDM해석을 실시하여 지반거동특성을 파악하였다. 시험시공 결과를 분석하여 본시공에서의 현장 적용성을 고찰하고, 유사 현장에서의 본 공법 적용을 위한 기초자료로 이용하고자 하였다.
- CGS주입시 배치형태는 그림 3과 같이 삼각형 및 정방형 배치로 CGS주입을 실시하였으며, A tee(2.0m 간격, 。800), B Type(2.5m간격, 。1000)으로 구분하여 각각에 대한 개량효과 및 시공성을 파악하였다. 또한 CGS 주입전 .
- 또한 CGS 주입전 . 후의 개량효과를 파악하기 위하여 Type 별로 현장시험(표준관입시험, 동적콘관입 시험, 현장 베인 전단시험)을 실시하였다. 또한 현장시험시 불교란시료를 채취하여 실내토질시험을 실시하여 CGS주입에 의한 개량전 .
- 후의 개량효과를 파악하기 위하여 Type 별로 현장시험(표준관입시험, 동적콘관입 시험, 현장 베인 전단시험)을 실시하였다. 또한 현장시험시 불교란시료를 채취하여 실내토질시험을 실시하여 CGS주입에 의한 개량전 . 흐의 지반개량특성을 파악하였다.
- 또한 현장시험시 불교란시료를 채취하여 실내토질시험을 실시하여 CGS주입에 의한 개량전 . 흐의 지반개량특성을 파악하였다.
- 또한 적용한 표준배합비는 표 1과 같이 계획하였으며 주입재의 허용 Slump치는 0~5cm범위를 유지하도록 계획하였다.
- 정량 및 정압주입이 효과적으로 가능하도록 초기 주입속도를 3초/stroke, O.DmVmin으로 주입하였으나 지표 융기와 주입재의 유동성을 방지하기 위하여 6초stroke, O.O&nVrain으로 추가주입을 시행하였다.
- CGS주입시공중 및 시공완료후의 주변지반의 거동특성을 파악하기 위하여 계측관리를 실시하였다. 계측항목은 지하수위계, 간극수압계, 경사계, 지표면침하핀 등이며 각 Type별로 비교 평가가 가능하도록 동일하게 배치하여 그림 4와 같이 계획하였다.
- 계측항목은 지하수위계, 간극수압계, 경사계, 지표면침하핀 등이며 각 Type별로 비교 평가가 가능하도록 동일하게 배치하여 그림 4와 같이 계획하였다.
- 연약지반의 지반침하 방지공법으로 CGS공법을 적용할 경우 주변지반 및 구조물에 미치는 영향을 파악하기 위하여 현장시험결과에 따른 지반물성치와 계측 결과를 이용하여 유한차분해석(FLAC)을 실시하였다. 이와 같은 해석결과는 CGS주입에 따른 지반의 거동특성 파악과 주변구조물에 악영향이 없도록 하기 위한 대책수단으로 이용하였다.
- 포화 점성토지반내에 CGS공법에 의한 저유동성 몰탈의 주입과정중 과잉간극수압 특성을 파악하기 위하여 각 Type별로 2개 심도에 대하여 진동현식 간극수압계(V/W Type Piezom아er)와 지하수위계를 설치하여 계측관리를 하였다. A Type의 경우 그림 7(a)에서와 같이 CGS 주입과정중 최대 6.
- 포화점성토 지반중에 CGS 설치직경별로 CGS 주입에 따른 지중수평 변위 발생량을 측정하였다. 지중수평 변위계 설치위치는 각 타입 별 CGS설치간격으로 하여 A Type 의 경우는 2.
- 지중수평 변위 발생량을 측정하였다. 지중수평 변위계 설치위치는 각 타입 별 CGS설치간격으로 하여 A Type 의 경우는 2.0m, B Type의 경우는 2.5m이격하여 시공 중 주요 공정별 변위특성을 파악하였다.
- 융기량을 파악하는 것은 CGS주입에 의한 주변지반의 거동을 이해하는 매우 주요한 관리 방안중의 하나이다. 본시험시공에서는 요구되는 CGS구체의 직경과 설치 간격을 결정하기 위하여 주입속도와 슬럼프치를 조절하면서 주입을 실시하였으며 원지반과 주입중 및 주입 완료 후의 침하 . 융기 특성을 파악하기 위하여 각 Type별로 15개소씩 지표면 침하판을 설치하여 계측관리를 실시하였다.
- 본시험시공에서는 요구되는 CGS구체의 직경과 설치 간격을 결정하기 위하여 주입속도와 슬럼프치를 조절하면서 주입을 실시하였으며 원지반과 주입중 및 주입 완료 후의 침하 . 융기 특성을 파악하기 위하여 각 Type별로 15개소씩 지표면 침하판을 설치하여 계측관리를 실시하였다. 시공과정에서 주요공정별 침하.
- CGS주입에 의해 주변지반에 미치는 영향을 검토하고 이에 대한 대책을 수립하기 위한 접근방법으로 개량조건을 고려한 유한차분해석(FDM)을 실시하였다. 해석 시 주요 평가항목은 CGS에 의한 침하억제효과, CGS 주입에 의한 주변지반 및 구조물에 미치는 영향으로 CGS 주입시공중 주변지반 및 구조물의 안정성 확보를 목적으로 하였다.
- 해석 시 주요 평가항목은 CGS에 의한 침하억제효과, CGS 주입에 의한 주변지반 및 구조물에 미치는 영향으로 CGS 주입시공중 주변지반 및 구조물의 안정성 확보를 목적으로 하였다. 검토를 위하여 시험시공시 획득한 각종 자료 및 기 실시된 지반조사자료를 이용하였으며, 영향검토는 유한 차분 해석 Prog罗皿인 FHAC을 이용하여 CGS 주입에 따른 주변지반 및 구조물의 거동특성을 파악하였다.
- 주입지점에서 거리는 좌우 WD(D: CGS 직경) 이상 하부 5D이상을 이격 시켜 경계조건이 단면해석에 미치는 교란 요소를 감소시켰다. 단면해석은 미리 형성한 원지반에 실제 현장에서 시공된 CGS 공동을 설치하고, CGS주입시 측정된 주입압을 내공에 주어 CGS 복합지반을 해석하였다. 본 해석에 적용된 입력 물성 치는 지반조사에서 구한 표준관입 시험치와 실내토질실험 결과를 이용하여 산정하였으며 그 외에는 일반적으로 적용되는 값을 기본으로 하였다.
- 단면해석은 미리 형성한 원지반에 실제 현장에서 시공된 CGS 공동을 설치하고, CGS주입시 측정된 주입압을 내공에 주어 CGS 복합지반을 해석하였다. 본 해석에 적용된 입력 물성 치는 지반조사에서 구한 표준관입 시험치와 실내토질실험 결과를 이용하여 산정하였으며 그 외에는 일반적으로 적용되는 값을 기본으로 하였다. 또한 CGS에 의한 연약지반에서의 거동영향을 파악하기 위하여 CGS 주입에 따른 계측수행결과(지중수평변위겨】)의 변위를 임의로 발생 시켜 주변구조물의 응력상태를 파악할 수 있도록 물성치를 변화시켜 적용하기도 하였으며 이에 따른 적용물성치는 표 7에 나타내었다.
- 본 해석에 적용된 입력 물성 치는 지반조사에서 구한 표준관입 시험치와 실내토질실험 결과를 이용하여 산정하였으며 그 외에는 일반적으로 적용되는 값을 기본으로 하였다. 또한 CGS에 의한 연약지반에서의 거동영향을 파악하기 위하여 CGS 주입에 따른 계측수행결과(지중수평변위겨】)의 변위를 임의로 발생 시켜 주변구조물의 응력상태를 파악할 수 있도록 물성치를 변화시켜 적용하기도 하였으며 이에 따른 적용물성치는 표 7에 나타내었다.
- 이와 같은 침하가 추가로 발생할 경우 일반적으로 규정하는 허용잔류침하량 기준을 크게 상회하게 되므로 지반개량은 필수적이라고 본다. 따라서, 지반조사로 파악한 압밀특성결과를 이용하여 전체침하량 및 추정 압밀 도로 부터 파악된 현재상태에서 CGS 주입후의 발생 침하량을 해석하였다. CGS 직경 800mm, 설치간격 2.
- 융기현상을 파악할 수 있었다. 이와 같은 현상은 CGS주입에 의해 주변구조물에 영향을 미칠 수 있는 것으로서, 계측관리결과를 근거로 하여 FDM 해석을 실시하여 침하 . 융기, 수평변위 특성을 파악하고자 하였다.
- 특히 주입시공으로 인한 개량대상지역 외부로의 융기 현상 및 인접구조물에의 악영향을 최소화 하기 위하여 그림 15에서와 같이 구조물이나 대상지반의 주변 둘레를 1차주입공으각 정방형배치의 주입공 중앙부에 2차 내지 3차로 주입공을 배치, 주입함으로서 목적하는 지반개량 효과를 극대화시킬 수 있도록 주입순서를 계획하였다.
대상 데이터
- 하였다. 시험시공 위치는 강원도 00 지역으로 현재 입주중 인 APT단지 내 부지로서 입주후에도 지속적으로 대규모 지반침하가 발생하여 시급히 대책이 요망되는 곳이다. 시험시공은 적정한 CGS설치 패턴 즉, 설치직경, 배치형태, 설치간격을 정하기 위하여 2개 Type 으로 구분하였고 CGS주입전·후의 개량효과확인을 위하여 현장 및 실내토질시험이 실시되었으며 계측관리와 FDM해석을 실시하여 지반거동특성을 파악하였다.
- 본 시험시공 현장은 강원도 OO지구 APT단지로서 건물 자체는 말뚝기초로 지지되어 침하현상은 발견되지 않고 있으나 건물주변 주차장지역의 고함수비 연약지반에 대해서는 Sand Drain공법으로 기 처리되었음에도 불구하고 최고 80cm전후의 압밀침하가 발생 되었으며 추가적인 침하가 예상된다. 시추조사 결과, 지질 분포상태는 지표로부터 매립토층, 충적층, 풍화대층으로 구성되어 있으며 각각의 지층에 대한 토질특성을 살펴보면 다음과 같다.
- 주입재료의 선정, 배합시 골재 체분석시험을 통하여 Ideal-Line(Samson, 1997)에 근접하는 재료를 선정하였다. 또한 적용한 표준배합비는 표 1과 같이 계획하였으며 주입재의 허용 Slump치는 0~5cm범위를 유지하도록 계획하였다.
- 시험시공지역은 부지조성공사 완료후 지속적으로 침하가 발생하여 향후 예상되는 잔류침하량은 약 50cm이다. 이와 같은 침하가 추가로 발생할 경우 일반적으로 규정하는 허용잔류침하량 기준을 크게 상회하게 되므로 지반개량은 필수적이라고 본다.
- 본 연구는 1999년도 한양대학교 교내연구비 지원( 과제명 : 부등침하 또는 기울어진 구조물의 복원 및 기초보강 신공법 연구)에 의하여 이루어졌으며, 시험시공을 위한 현장제공 및 장비지원.계측관리 등 물심양면의 큰 지원을 해준 덴버코리아 그라우팅(주)를 비롯한 성하지질공업(주), 한미기초(주)등 3사의 관계자 여 러분께심심한 감사를 드립니다.
이론/모형
- 일반적으로 CGS공법의 주입방식에는 Top-Down 방식과 Bottom-Up방식 및 두 방식의 조합형이 있으나 여기서는 지반개량 및 기초보강시에 주로 이용되는BottonW 방식을 적용하였다. 주입방법은 다음과 같이 선택 주입토록 계획하였다.
- 지반의 거동 모델은 Mohr-Coulomb Model을 적용하였다. 해석 단면의 경계조건은 좌우측은 횡방향 변위을 고정시키고 하부는 종횡방향의 변위를 고정시키는 고정지점을 설치하였다.
성능/효과
- Type 별 평균 증가량은 A Type(2.0m간격, 0 800)에서 1.8, B Type(2.5m간격, 1000)에서 2.5였으며 그림에서와 같이 지반처리 대상지층인 GL-6~ 12m의 고함수비의 유기질 충적층에서의 N치의 변화는 A Type 및 B Type 모두에서 전반적으로 증가(매립토층 일부구간에서 개량 후 N치가 감소하는 경향을 보이고 있으나 이것은 지반의 시료채취위치의 변화와 지반의 불균질성에 따른 미소한 변화라고 사료됨)하고 있는 경향을 보여주고 있으며 이 결과는 CGS주입으로 인해 주변지반에서의 압축강화로 지반의 강도증대효과가 있음을 보여준 것이다.
- 6, 표 3과 같다. 주입완료후 타격수( 现)의 증가는 평균 A Type이 11.0, B Type이 10.1 로 원지반의 타격수 ( 观)와 비교하여 두 Type모두 크게 증가하였다. 또한, A Type의 경우 삼각형배치보다 정방형배치의 타격수가 크게 증가하였으며, B Type의 경우 심도 약 8m까지는 삼각형 배치의 타격수 증가경향이 크고 8m이하는 정방형배치의 타격수가 크게 증가하였다.
- 또한, A Type의 경우 삼각형배치보다 정방형배치의 타격수가 크게 증가하였으며, B Type의 경우 심도 약 8m까지는 삼각형 배치의 타격수 증가경향이 크고 8m이하는 정방형배치의 타격수가 크게 증가하였다. 또한 동일한 면적치환비 조건에서 설치직경이 작은 A Type의 경우에서개량이 크게 나타나고 있으며, 삼각형 배치시 보다 면적치환비가 작은 정방향 배치시에서 개량이 다소 크게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 이것은 적절한 면적 치환비와 CGS설치시 지반교란이 작을수록 지반 개량 특성이 크게 평가되는 것으로 나타났다.
- 655 kg/cnf 로서주입전에 비해 약 3배로 증대되었다. 이와 같이 CGS 주입에 의해 CGS구체 주변지반의 강도특성은 표준 관입시험 및 동적콘관입시험 결과에서와 같이 강도가 크게 개선되었음을 확인할 수 있었다.
- 8배 정도 증가한 것으로 나타났다. 또한 전반적으로 정방향 배치시 보다 삼각형 배치시 2배이상의 강도 증대가 있음을 확인할 수 있었다.
- CGS주입 에의한 점착력 증가율은 설치직경 이 작은 A Type의 경우 크게 발생하였으나 절대치는 B Type의 경우가 더 컸다. 이와 같은 현상은 직접전단시험결과에서도 유사한 결과를 얻었으며 동일한 면적치환비조건에서 CGS 설치직경 이 작을수록 강도증대효과가 큼을 확인할 수 있었다.
- 표 8어서와 같이 CGS주입후 발생침하량은 개량공법 적용 없이 현재상태로 방치할 경우와 비교하여 크게 감소시킬 수 있으며, 예상되는 잔류침하량은 2.4cm涅서 일반적으로 정하는 구조물기초의 허용잔류침하량 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 시험시공시와 같이 치환율을 12.
- 4cm涅서 일반적으로 정하는 구조물기초의 허용잔류침하량 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 시험시공시와 같이 치환율을 12.5%로 할 경우 본 공사 적용시 향후 발생할 수 있는잔류침흐-량을 크게 억제시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 그림에 나타낸 바와 같이 CGS이격거리별 수평 변위 특성을 살펴보면 설치직경을 ©=800mm로 할 경우, 이격거리 3m에서 최대 13.68cm로 나타났으며 0=lOOOmm인경우 19.98cm로 나타나 설치직경이 커질수록 발생 수평 변위가 크다. CGS 설치직경을 0=800mm로 하여 3m 이격시와 0=1000 mm시의 수평변위 발생량을 동일하게 하기 위하여는 5m이상의 이격이 필요한 것으로 나타났다.
- 98cm로 나타나 설치직경이 커질수록 발생 수평 변위가 크다. CGS 설치직경을 0=800mm로 하여 3m 이격시와 0=1000 mm시의 수평변위 발생량을 동일하게 하기 위하여는 5m이상의 이격이 필요한 것으로 나타났다. 해석결과로부터 주변지반의 변위로 인한 영향을 최소화하기 위하여 동일한 CGS에 의한 치환율에서도 설치직경을 작게하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
- 계측관리를 통한 침하 . 융기특성 파악 결과 동일한면적치환비 조건에서 CGS설치직경이 ©800imn인 경우 평균융기량은 3cm, 0 1000mm인 경우 4cm정도로 나타나 설치직경이 증가할수록 발생융기량이 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 것은 CGS설치 직경을 증가시키려면 주입시 주입압을 증가시켜야 하는 것으로 주입압을 증가시키면 주변지반이 교란되어 연약화되는현상에 의한 것으로 판단된다.
- FDM해석결과로 부터 현재 침하가 발생한 시점에서 CGS로 지반개량을 실시할 경우 무처리시 예상되는 발생 침하량을 크게 억제시키는 것으로 해석되었다. 이와 같은 결과는 CGS에 의한 파일지지효과와 주변 지반 의지 지력 특성의 개선에 의한 복합지반효과(Nagar町 2000) 를 얻을 수 있게 된다.
- 지반자체의 강성증대에 따른 압밀 특성의 개선은 그림 17로부터 설명이 가능하다. 시험시공 결과로 부터 면적치환비 12.5%조건에서 CGS 파일 자체의 강성에 의해 증가된 지지력 증가는 각 type 별로 10ton/nf를 상회하는 것으로 검토되고 주변 지반의 압축강화에 의한 지지력 증대를 종합적으로 고려하면 CGS에 의해 개량된 지반은 작용하중조건에 의해 지반지지력 증대효과와 더불어 추가 발생침하를 억제시킬수 있는 적용성이 양호한 공법인 것으로 판단된다.
- (1) CGS주입 전 . 후에 실시한 압밀시험 결과 포화점 성토 시반에서의 Cc, Cv특성의 개선은 파악하기는 어려웠으나 현재 압밀상태를 표현할 수 있는 선행 압밀 하중은 CGS주입 후 크게 증가하여 CGS 주입으로 인훈: 압밀침하의 억제효과를 확인할 수 있었다.
- (2) CGS주입의 적용성은 본 현장의 지반조건과 주입 효과 등을 고려하였을 때 주입재의 배합비는 1043(모래:점토질화강토석분)으로 주입량은 천공 Im당 0.5m5, 1 회 펌핑량은 0.006m3로 주입할 경우에 양호하였으며 주입형태는 정압주입과 정량주입의 병행 형태를 취할 경우 개량효과가 가장 우수함이 확인되었다.
- (3) CG8공법 적용에 따른 개량전·후의 실내토질역학시헏결과 강도특성이 크게 개선되었으며 표준 관입시험 결과 N치가 평균 2.1 증가하였으며 동적콘관입시험 결과 평균 10.5 증가하였다. 동일한 면적치환비의 조건에서도 CGS의 설치직경이 클 경우에는 CGS설치시 지반의 교란으로 강도특성이 감소될 수 있으며, 지반조건을 고려한 적절한 CGS 설치직경 및 간격을 적용할 경우에는 주변지반의 지지력 특성을 증가시킬 수 있는 것으로 판단된다.
- (4) CGS주입에 따른 침하 . 융기특성을 파악한 결과 동일한 면적치환비(12.5%) 조건에서 CGS 설치직경이 작을수록 융기 량이 작게( 0 800mm: 3cm, 。1000mm: 4cm) 나타났다. CGS공법의 현장적용시 주입량이 부족할 경우 개량효과가 작고 주입량이 과다할 경우 주변 지반의 이완으로 주입효과가 저감되는 현상을 고려할 필요가 있다.
- (5) 현장계측과 FDM해석 결과로부터 CGS주입에 의한 수평 변위 특성을 파악할 수 있었으며, CGS 설치직경을 800mm로 할 경우 주변구조물에 미치는 영향을 최소화할 수 있고 이격거리는 약 3.0m이상 이어야 함을 알 수 있다.
- 이와 같이 포화점성토지반에서 CGS주입에 의한 주변 지반의 개량특성을 파악하기 위하여 CGS설치 Type 별로 원지반과 CGS주입완료후에 대하여 현장 및 실내토질시험을 실시한 결과 현저한 지지력 특성의 개선을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 이와 같은 현상은 CGS 설치 시 주변에 설치한 CGS의 연쇄적 인 영향에 의해 주변 지반의 작용응력이 변화되고 있음을 나타내고 있는 것으로 판단된다. 따라서, 이와 같은 수평응력발생 특성을 고려한 주변지반 및 구조물의 영향을 최소화할 수 있는 대책이 필요한 것으로 판단된다.
- 개선되었음을 설명 할 수 있게 된다. 본 시험시공 결과로부터 압밀특성의 개선을 정확히 파악하기는 다소 어려우며 강도특성의 개선에 따른 압밀특성의 개선 효과를 유추할 수 있는 사항 정도로 여겨지므로 향후 다양한 시험결과의 분석을 통하여 압밀특성 파악이 가능할 것으로 본다. 그러나 현재의 압밀상태를 표현할 수 있는 선행압밀하중은 다음 그림 18에서와 같이 매우 크게 증가하여 압밀특성이 개선되었음을 확인할 수 있게 된다.
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