집중강우 시에는 사면의 얕은 심도에서 파괴가 빈번하게 발생한다. 사면의 표층 지반은 심도에 따라서 조밀해지는 특성이 있으며 지반의 투수특성과 강도특성도 달라지므로 강우시 사면의 얕은 심도에서 발생하는 파괴의 원인분석과 안정해석은 이러한 지반특성 변화를 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 사면의 표층 부근의 지반특성 변화가 강우시 사면의 안정성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석해 보고자 하였으며, 표층 근처에서 심도에 따라 구한 지반특성 값을 적용하는 방식에 따라 강우침투와 사면안정해석 결과의 차이를 비교해 보았다. 실제 강우시 파괴가 발생한 사면을 대상으로 사면의 표층에서 심도별로 시료를 채취하여 전단강도와 투수특성 등 지반특성을 구하였으며, 파괴를 유발한 강우기록을 적용하여 침투해석과 안정해석을 실시하였다. 해석결과 깊이별 지반의 특성 변화를 고려한 경우와 단일지층으로 가정하여 고려하는 방식에 따라 간극수압 분포, 예상파괴면, 안전율 변화에 차이가 있는 것으로 나타났으며, 깊이별 지반 특성 변화를 고려하는 경우가 실제 파괴거동과 유사한 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 강우침투에 의한 표층파괴현상을 규명하고자 하는 경우 지반의 심도별 지반특성 변화를 고려할 필요가 있음을 의미한다.
집중강우 시에는 사면의 얕은 심도에서 파괴가 빈번하게 발생한다. 사면의 표층 지반은 심도에 따라서 조밀해지는 특성이 있으며 지반의 투수특성과 강도특성도 달라지므로 강우시 사면의 얕은 심도에서 발생하는 파괴의 원인분석과 안정해석은 이러한 지반특성 변화를 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 사면의 표층 부근의 지반특성 변화가 강우시 사면의 안정성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석해 보고자 하였으며, 표층 근처에서 심도에 따라 구한 지반특성 값을 적용하는 방식에 따라 강우침투와 사면안정해석 결과의 차이를 비교해 보았다. 실제 강우시 파괴가 발생한 사면을 대상으로 사면의 표층에서 심도별로 시료를 채취하여 전단강도와 투수특성 등 지반특성을 구하였으며, 파괴를 유발한 강우기록을 적용하여 침투해석과 안정해석을 실시하였다. 해석결과 깊이별 지반의 특성 변화를 고려한 경우와 단일지층으로 가정하여 고려하는 방식에 따라 간극수압 분포, 예상파괴면, 안전율 변화에 차이가 있는 것으로 나타났으며, 깊이별 지반 특성 변화를 고려하는 경우가 실제 파괴거동과 유사한 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 강우침투에 의한 표층파괴현상을 규명하고자 하는 경우 지반의 심도별 지반특성 변화를 고려할 필요가 있음을 의미한다.
Intensive rainfall causes frequent slope failures at the shallow depths of slopes. Because soil layers at shallow depths of slopes usually become dense, and its permeability and soil strength vary according to depth, forensic studies and stability analyses of shallow slope failure need to consider t...
Intensive rainfall causes frequent slope failures at the shallow depths of slopes. Because soil layers at shallow depths of slopes usually become dense, and its permeability and soil strength vary according to depth, forensic studies and stability analyses of shallow slope failure need to consider the depth-variant soil properties. In this study, the effect of depth-variant soil properties on surface failure of slopes during rain infiltration is investigated using numerical analysis. Three different cases considering depth-variant soil properties were conducted and the results were compared. For the analysis, undisturbed soils at three different depths were sampled at actual slope failure sites and the properties including strength and permeability characteristics at each depth were obtained. Stability analysis and seepage analysis were conducted using actual rainfall records. The comparison of the results shows that analysis could lead to an erroneous conclusion according to the way of considering depth-variant soil properties. The case in which depth-variant soil properties were considered predicted similar failure times and failure shapes with the actual failure. Therefore it is recommended that the depth-variant soil properties should be considered for the analysis of shallow slope failure during rain infiltration.
Intensive rainfall causes frequent slope failures at the shallow depths of slopes. Because soil layers at shallow depths of slopes usually become dense, and its permeability and soil strength vary according to depth, forensic studies and stability analyses of shallow slope failure need to consider the depth-variant soil properties. In this study, the effect of depth-variant soil properties on surface failure of slopes during rain infiltration is investigated using numerical analysis. Three different cases considering depth-variant soil properties were conducted and the results were compared. For the analysis, undisturbed soils at three different depths were sampled at actual slope failure sites and the properties including strength and permeability characteristics at each depth were obtained. Stability analysis and seepage analysis were conducted using actual rainfall records. The comparison of the results shows that analysis could lead to an erroneous conclusion according to the way of considering depth-variant soil properties. The case in which depth-variant soil properties were considered predicted similar failure times and failure shapes with the actual failure. Therefore it is recommended that the depth-variant soil properties should be considered for the analysis of shallow slope failure during rain infiltration.
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문제 정의
풍화토 사면은 깊이가 깊어짐에 따라 조밀해지며, 비록 20cm 라는 얕은 깊이에서도 투수특성 및 강도특성이 달라진다. 본 연구에서 이러한 투수특성 및 강도특성의 변화가 사면의 파괴 형상과 안전율에 영향을 크게 미치는 것을 확인하였다. 따라서 사면안정해석을 실시할 때에는 얕은 깊이라 하더라도 깊이에 따라 변화하는 지반의 특성을 반영하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
심도에 따른 지반특성의 변화는 강우 침투에 따른 사면의 안정성에 큰 영향을 미치지만 기존의 사면 안정성에 관한 연구에서는 이러한 지표부근의 지반 특성 변화를 고려하지 않고 단일의 층으로 가정하여 해석하는 사례가 대부분이었다. 본 연구에서는 사면의 표층부근의 심도별 전단강도 및 투수특성 변화가 강우시 사면의 안정성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석해 보고자하였으며, 표층 근처에서 구한 값을 적용하는 방식에 따라 사면의 안정해석 결과가 어떻게 차이가 나는지를 비교하였다. 이를 위해 실제 강우시 파괴가 발생한 사면에 대하여 사면의 표층에서 심도별로 불교란 시료를 채취하고 전단강도와 투수특성 등 지반특성을 구하였으며, 파괴를 유발한 강우기록을 적용하여 침투해석과 안정해석을 실시하였다.
가설 설정
사면 표층파괴에 영향을 미치는 심도는 최대 2m까지로 가정하였다. 모든 해석 조건에 대하여 2m 이상 깊이에 대해서는 0.4~0.6m에서 구한 투수 및 강도특성과 동일하다고 가정하고 해석을 수행하였다.
깊이별 지반조건의 변화를 고려하는 방법에 따라 사면표층파괴의 안정성을 분석하기 위하여 해석조건을 다음과 같이 세가지 CASE로 나누어 해석을 실시하였다. 사면 표층파괴에 영향을 미치는 심도는 최대 2m까지로 가정하였다. 모든 해석 조건에 대하여 2m 이상 깊이에 대해서는 0.
6m보다 깊은 심도에서는 시료 채취에 어려움이 있기 때문에 투수 및 강도특성을 가정할 수밖에 없다. 실내시험 결과, 0.4~0.6m의 포화단위중량이 1.98로 매우 크게 나타났으며, 깊이가 깊어지더라도 더 큰 단위중량을 가지기 어렵다고 판단하여 0.6~2.0m 물성값을 0.4~0.6m의 지반과 동일하다고 가정하여 해석하였다.
그러나 오랜 시간 동안 노출된 실제 사면 표층의 지반은 깊이에 따라 조밀해 지는 경우가 많으며, 이로 인해 깊이에 따라 강도특성과 강우 침투에 영향을 주는 투수 특성이 달라지게 된다. 이에 착안하여 사면표층에서 발생하는 얕은 깊이의 파괴는 사면 표층의 깊이별 지반조건의 변화에 영향을 받게 될 것이라 예상하였다.
제안 방법
CASE-1) 표층부 지반특성 변화를 고려: 지층의 변화를 시험결과를 바탕으로 0~0.6m깊이의 층을 0.2m씩 세 층으로 나누고 각 층에 대하여 실험결과로 나타난 투수특성 및 강도특성 값을 그대로 이용하여 해석을 수행하였다. 0.
CASE-3) 표층부 지반특성의 최상부 값을 이용: 일반적으로 사면안정해석을 실시할 때, 시료채취는 가장 표층에서만 이루어지기 때문에 CASE-2와 마찬가지로 표층부 지층변화 특성을 무시하고, 0~0.6m까지의 시험결과 중 최상부(0~0.2m)의 지반특성을 0~2.0m까지 적용하여 해석을 수행하였다.
05m 로 설정하였다. 강우침투를 고려한 해석을 수행하기 위해서는 사면내 초기 간극수압분포를 설정해야 하는데, 본 연구에서는 대상지역 표면의 모관흡수력을 구한 후 정상상태 해석을 수행하여 초기조건을 설정하였다. 표층에서 측정한 자연함수비와 비중, 간극비를 이용하면 표층에서의 체적함수비(0.
깊이별 지반조건의 변화를 고려하는 방법에 따라 사면표층파괴의 안정성을 분석하기 위하여 해석조건을 다음과 같이 세가지 CASE로 나누어 해석을 실시하였다. 사면 표층파괴에 영향을 미치는 심도는 최대 2m까지로 가정하였다.
실제로 사면의 표층에서 시료를 20cm 간격으로 채취하여 본 결과, 깊이에 따라 상대밀도가 40%, 58%, 80%로 차이가 확연히 나타났으며, 이에 따라 투수특성 및 강도특성이 달라지는 것을 실내시험을 통해 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 3가지의 CASE에 대하여 침투해석 및 사면안정해석을 수행하고 비교 분석함으로써 표층의 깊이별 전단강도 및 투수특성 변화가 얕은 사면파괴에 미치는 영향을 분석하였다.
불교란 시료에 대해서는 직접전단시험과 정수두 투수계수 시험을 실시하였는데, 직접전단시험은 황동관과 동일한 크기의 직접전단상자를 제작한 후 시료를 추출하여 시험하였고, 포화투수시험은 시료가 담겨있는 황동관을 직접 이용할 있도록 별도의 시험장치를 고안하여 실시하였다(Fig. 2).
사면안정해석은 침투해석결과를 이용하여 절편법으로 해석을 수행하였으며 강우침투시간에 따른 사면의 안전율 변화를 구하였다. 사면안정해석은 모멘트와 힘의 평형을 고려한 절편법인 Morgenstern-Price법을 이용하였다.
본 연구에서는 사면의 표층부근의 심도별 전단강도 및 투수특성 변화가 강우시 사면의 안정성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석해 보고자하였으며, 표층 근처에서 구한 값을 적용하는 방식에 따라 사면의 안정해석 결과가 어떻게 차이가 나는지를 비교하였다. 이를 위해 실제 강우시 파괴가 발생한 사면에 대하여 사면의 표층에서 심도별로 불교란 시료를 채취하고 전단강도와 투수특성 등 지반특성을 구하였으며, 파괴를 유발한 강우기록을 적용하여 침투해석과 안정해석을 실시하였다.
5)을 이용하면 표층에서의 초기 모관흡수력을 구할 수 있는데, 해석결과 40kPa의 모관흡수력이 사면상부에서 발생하는 것으로 나타났다. 초기조건이 결정된 후 강우침투 해석은 실제 파괴를 유발한 강우(7월 26일 오전6시~29일 오전6시)를 지표면 경계조건으로 적용하여 시간에 따른 침투와 지층내 간극수압분포를 구하였다. 침투해석에서는 포화 투수계수보다 큰 시간당 강우량은 지표를 따라 흐르거나 유출되도록 고려하였다.
대상 데이터
대상 사면의 지반특성을 구하기 위하여 파괴가 발생한 구간으로부터 인접한 위치에서 시료를 채취하였다. 시료는 황동관을 이용하여 표층에서부터 20cm 간격으로 세 깊이(20, 40, 60cm)에서 불교란 시료 및 교란시료를 채취하였다.
대상사면은 Fig. 1과 같이 서울 남부지역에 위치한 절토사면으로서 사면의 표면은 얕은 뿌리의 잔디로 덮여있다. 사면의 높이는 약 5.
본 연구에서는 침투해석과 안정해석을 위해 SEEP/W 와 SLOPE/W(Geoslope, 1998)를 사용하였으며, 해석은 실제 파괴가 발생한 사면을 대상으로 하였다.
사면 파괴를 유발한 강우자료는 대상지역에서 가장 가까운 기상관측소인 관악관측소(509)의 기록을 이용하였다. 파괴 추정 일시는 2011년 7월 27일 07~09시이며, 이를 토대로 7월 26일 06시~7월 29일 06시 사이의 강우기록과 파괴추정 시간을 Fig.
대상 사면의 지반특성을 구하기 위하여 파괴가 발생한 구간으로부터 인접한 위치에서 시료를 채취하였다. 시료는 황동관을 이용하여 표층에서부터 20cm 간격으로 세 깊이(20, 40, 60cm)에서 불교란 시료 및 교란시료를 채취하였다. 지반의 기본 특성을 파악하기 위하여 비중, 입도분포, 상대밀도 등의 시험을 수행하였고, 입도분포시험 결과 대상현장의 흙은 모두 SW로 분류되었으며, 세립분의 함량은 10~20%로 측정되었다.
데이터처리
CASE-2) 표층부 지반특성의 평균값을 이용: 표층부 지층변화 특성을 무시하고, 0~0.6m까지의 시험결과 평균값을 0~2.0m까지 적용하여 해석을 수행하였다.
이론/모형
사면안정해석은 침투해석결과를 이용하여 절편법으로 해석을 수행하였으며 강우침투시간에 따른 사면의 안전율 변화를 구하였다. 사면안정해석은 모멘트와 힘의 평형을 고려한 절편법인 Morgenstern-Price법을 이용하였다.
여기서 함수특성곡선의 매개변수값(α, n, m)은 Kim (2012)이 제안한 화강풍화토의 상대밀도에 따른 함수특성곡선을 보간하여 추정하였는데, 본 연구에서 사용한 풍화토는 Kim(2012)이 사용한 풍화토와 흙의 종류 및 분류가 화강편마암질 풍화토이고 통일분류법상 SW로서 그 특성이 매우 유사한 것으로 판단하였다.
성능/효과
8(c)는 사면의 표층을 단일층으로 가정하고 표층의 물성값를 해석에 적용한 CASE-3의 시간에 따른 사면의 안전율 분포 변화를 강우 패턴과 함께 도시한 결과이다. 가장 연약한 표층의 물성값를 적용한 CASE-3의 경우, 안전율이 낮게 산정될 것이라는 예상과 달리, 모든 시간에서 안전율이 1 보다 크게 나타났다. 앞의 두가지 CASE와 비교하였을 때, 집중호우 직전 안전율이 가장 작았지만, 호우로 인한 안전율의 변화가 가장 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
7(c)는 집중강우 기간 동안(7월 26일 오전 6시부터 72시간 동안) 발생한 사면 내 간극수압 분포를 각 CASE 별로 도시한 것으로서 시간경과에 따른 사면내 침투과정을 확인할 수 있다. 결과에서 알 수 있듯이 사면 상부에 발생하였던 초기 40kPa의 모관 흡수력은 강우 침투에 따라 급격히 소산되어 21시간 경과 후에는 0으로 수렴하는 것을 관찰할 수 있다. 또한 집중 호우 기간 중 35시간 이후에 사면 하부의 지하수위(간극수압 0인 깊이)가 점차 상승하는 것을 확인할 수 있다.
결과에서 알 수 있듯이 사면 상부에 발생하였던 초기 40kPa의 모관 흡수력은 강우 침투에 따라 급격히 소산되어 21시간 경과 후에는 0으로 수렴하는 것을 관찰할 수 있다. 또한 집중 호우 기간 중 35시간 이후에 사면 하부의 지하수위(간극수압 0인 깊이)가 점차 상승하는 것을 확인할 수 있다. 한편, peak 강우강도시간과 그 직후시간인 27~28시간 후부터 사면 상부에 1kPa 내외의 양의 간극수압이 모든 CASE에서 발생하며, 강우강도가 줄어드는 29시간 후부터는 사면에 음의 간극수압이 다시 나타나는 것을 확인할 수 있다.
실제로 사면의 표층에서 시료를 20cm 간격으로 채취하여 본 결과, 깊이에 따라 상대밀도가 40%, 58%, 80%로 차이가 확연히 나타났으며, 이에 따라 투수특성 및 강도특성이 달라지는 것을 실내시험을 통해 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 3가지의 CASE에 대하여 침투해석 및 사면안정해석을 수행하고 비교 분석함으로써 표층의 깊이별 전단강도 및 투수특성 변화가 얕은 사면파괴에 미치는 영향을 분석하였다.
시험결과는 Table 1에 나타내었다. 이에 따르면 사면 표면에서 0.6m심도까지의 지반특성은 심도가 깊어짐에 따라 크게 변화하는 것을 알 수 있는데, 표층에서 0.2m 까지는 상대밀도가 40%정도로서 매우 느슨한 상태로 존재하며 0.6m에서는 상대밀도가 약 80%정도로 비교적 조밀한 상태로 나타났다. 포화투수계수는 지표면 근처와 0.
시료는 황동관을 이용하여 표층에서부터 20cm 간격으로 세 깊이(20, 40, 60cm)에서 불교란 시료 및 교란시료를 채취하였다. 지반의 기본 특성을 파악하기 위하여 비중, 입도분포, 상대밀도 등의 시험을 수행하였고, 입도분포시험 결과 대상현장의 흙은 모두 SW로 분류되었으며, 세립분의 함량은 10~20%로 측정되었다. 상대밀도는 표층에서부터 심도별로 각각 40%, 58%, 80%로 측정되었다.
파괴형상 역시 CASE-1의 경우 40~60cm 의 얕은 파괴로 실제 대상사면의 파괴를 잘 모사하였다. 지반조사를 깊은 심도까지 실시하여 그 결과가 반영된 CASE-2는 비교적 CASE-1의 안전율 및 파괴형상에 근접하였으나, 가장 표층 흙의 특성만 반영된 CASE-3의 경우에는 안전율 및 파괴형상을 잘 예측하지 못하였다. CASE-3의 경우에는 물의 침투가 실제 침투양상과 달리 균질하게 이루어지기 때문에 CASE-1과 달리 사면의 표층에서 불안정한 면이 없게 되어 층서 구분이 있는 2.
한편, peak 강우강도시간과 그 직후시간인 27~28시간 후부터 사면 상부에 1kPa 내외의 양의 간극수압이 모든 CASE에서 발생하며, 강우강도가 줄어드는 29시간 후부터는 사면에 음의 간극수압이 다시 나타나는 것을 확인할 수 있다. 침투해석 결과, 첨두강우강도 직후 (28시간 째)에 CASE-1에서는 깊이 0.4m에서 0.75kPa의 최대 간극수압이 발생하며, 1.2m까지 양의 간극수압을 갖는 형상을 보인다. CASE-2의 경우에는 1.
강우침투를 고려한 해석을 수행하기 위해서는 사면내 초기 간극수압분포를 설정해야 하는데, 본 연구에서는 대상지역 표면의 모관흡수력을 구한 후 정상상태 해석을 수행하여 초기조건을 설정하였다. 표층에서 측정한 자연함수비와 비중, 간극비를 이용하면 표층에서의 체적함수비(0.18)를 구할 수 있고, 이렇게 산정된 체적함수와 함수특성곡선(Fig. 5)을 이용하면 표층에서의 초기 모관흡수력을 구할 수 있는데, 해석결과 40kPa의 모관흡수력이 사면상부에서 발생하는 것으로 나타났다. 초기조건이 결정된 후 강우침투 해석은 실제 파괴를 유발한 강우(7월 26일 오전6시~29일 오전6시)를 지표면 경계조건으로 적용하여 시간에 따른 침투와 지층내 간극수압분포를 구하였다.
또한 집중 호우 기간 중 35시간 이후에 사면 하부의 지하수위(간극수압 0인 깊이)가 점차 상승하는 것을 확인할 수 있다. 한편, peak 강우강도시간과 그 직후시간인 27~28시간 후부터 사면 상부에 1kPa 내외의 양의 간극수압이 모든 CASE에서 발생하며, 강우강도가 줄어드는 29시간 후부터는 사면에 음의 간극수압이 다시 나타나는 것을 확인할 수 있다. 침투해석 결과, 첨두강우강도 직후 (28시간 째)에 CASE-1에서는 깊이 0.
9(a)는 CASE-1의 최소 안전율 단계에서 예상파괴면을 도시한 결과이다. 해석 결과 사면의 표층을 3층으로 구분하여 해석한 경우, 파괴형상은 얕은 파괴이며, 그 깊이는 40~60cm로 나타났다.
8(b)는 사면의 표층을 하나의 층으로 가정하고 평균값을 해석에 적용한 CASE-2의 집중호우 기간 동안 시간에 따른 사면의 안전율 분포 변화를 강우 패턴과 함께 도시한 결과이다. 해석 시간 동안 모든 방법에 대하여 안전율을 1보다 크게 평가하는 것을 확인할 수 있다. CASE-1과 마찬가지로 peak 강우 강도 직후에 가장 낮은 안전율을 나타내며, peak 강우 강도 이후 점차 안전율이 회복되는 경향을 보인다.
해석결과 실제 파괴시간 및 파괴형태와 유사한 결과를 나타내는 해석조건은 CASE-1으로서 집중강우 시 사면 표층의 파괴 현상을 구하기 위해서는 표층 지반의 변화를 고려할 필요가 있음을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사면의 표층 지반의 특징은 무엇인가?
집중강우 시에는 사면의 얕은 심도에서 파괴가 빈번하게 발생한다. 사면의 표층 지반은 심도에 따라서 조밀해지는 특성이 있으며 지반의 투수특성과 강도특성도 달라지므로 강우시 사면의 얕은 심도에서 발생하는 파괴의 원인분석과 안정해석은 이러한 지반특성 변화를 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 사면의 표층 부근의 지반특성 변화가 강우시 사면의 안정성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석해 보고자 하였으며, 표층 근처에서 심도에 따라 구한 지반특성 값을 적용하는 방식에 따라 강우침투와 사면안정해석 결과의 차이를 비교해 보았다.
표층 근처에서 구한 값을 적용하는 방식에 따라 사면의 안정해석 결과의 차이를 비교하기위해 무엇을 하였는가?
본 연구에서는 사면의 표층부근의 심도별 전단강도 및 투수특성 변화가 강우시 사면의 안정성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석해 보고자하였으며, 표층 근처에서 구한 값을 적용하는 방식에 따라 사면의 안정해석 결과가 어떻게 차이가 나는지를 비교하였다. 이를 위해 실제 강우시 파괴가 발생한 사면에 대하여 사면의 표층에서 심도별로 불교란 시료를 채취하고 전단강도와 투수특성 등 지반특성을 구하였으며, 파괴를 유발한 강우기록을 적용하여 침투해석과 안정해석을 실시하였다.
사면파괴의 발생과정은 무엇인가?
집중 강우 시 발생하는 사면파괴는 사면의 표층부분에서 발생하는 경우가 많은데, 이러한 얕은 깊이의 사면 파괴는 강우가 지반내로 침투되면서 모관흡수력(matric suction)으로 인해 일시적으로 증가되어 있던 지반의 전단강도가 감소하면서 발생하거나 표층 부근 지층의 투수특성 변화로 인해 일시적인 지하수위(perched water table)가 형성되어 파괴가 발생하는 것으로 알려져 있다 (Ng and Shi, 1998). 자연사면이나 장기간 노출된 절토사면은 표층부근의 퇴적이나 풍화로 인해 상대적으로 느슨한 상태로 존재하며 심도가 깊어짐에 따라 조밀해지는 지층구성을 갖는 경우가 많으며, 심도에 따라 지반의 전단강도와 강우침투에 영향을 주는 함수특성 및 투수특성이 달라지게 된다(Lee, 1991).
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