[논문]CPR 공법의 압축재하시험을 통한 기초지반의 보강효과

강성승; 김정한; 노정두; 고진석

doi:10.9720/kseg.2019.3.211

[국내논문] CPR 공법의 압축재하시험을 통한 기초지반의 보강효과
Effect of CPR Foundation Reinforcement Assessed by Compressive Loading Tests 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.29 no.3, 2019년, pp.211 - 222

강성승 (조선대학교 에너지자원공학과) , 김정한 (효원이엔씨(주)) , 노정두 (조선대학교 에너지자원공학과) , 고진석 (조선대학교 에너지자원공학과)

초록
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본 연구는 CPR 공법을 적용한 압축재하시험을 통하여 지반의 항복하중과 허용지지력을 평가하여 기초 지반 보강효과를 확인하기 위한 것이다. 주입재의 평균압축강도는 계획된 강도보다 높게 나타났다. 또한 각 지층에서 표준관입시험 결과는 시험 전보다 시험 후의 평균 N값이 향상되었다. 즉, 이것은 지반의 지지력을 증대시키는 효과를 가져왔음을 의미한다. 두 종류의 CPR 말뚝 압축재하시험 결과에 의하면, 최대 재하하중에 의한 전침하량과 순침하량은 CPR 말뚝직경 허용범위를 초과하는 침하량을 나타냈다. 침하량 기준과 하중-침하량 곡선에 의해 산정한 항복하중 및 허용지지력은 적용되는 방법에 따라 값의 편차가 크게 나타났다. 따라서 허용지지력은 다양한 항복하중 산정법을 적용한 후 종합적인 분석을 통하여 최적의 값을 결정할 필요성이 있다고 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluates the yield load and allowable bearing capacity of ground in compressive loading tests to confirm the effect of CPR foundation reinforcement. The average compressive strength of the injection materials was higher than the planned compressive strength. Standard penetration tests for each stratum showed that foundation reinforcement improved the average N values, thereby increasing the bearing capacity of the ground. Compressive loading tests on two CPR piles revealed that the total and net settlement due to the maximum load exceed that permissible for the CPR pile diameter. The yield load and allowable bearing capacity calculated by the settlement criterion and the load-settlement curves varied greatly with the method applied. Therefore, it seems to be necessary to determine the optimum value through comprehensive analysis after applying various yield load calculation methods.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Layout for CPR test, red circles : D400, blue circles : D500, test boreholes for SPT : BH-1, BH-2, AH-1, AH-2.
그림 Fig. 2. Study area for CPR test (retrieved from https://map.naver.com).
표 Table 1. Stratum distribution and results of standard penetration test (SPT)
표 Table 2. Physical properties and unified soil classification system (USCS)
그림 Fig. 3. Sieve analysis of aggregate.
표 Table 3. Mixing ratio of grout material
표 Table 4. Injection amount and pressure at each borehole by CPR injection
그림 Fig. 4. Results of standard penetration test (SPT) before (BH-1, BH-2) and after (AH-1, AH-2) injection.
표 Table 5. Results of standard penetration test (SPT) before (BH-1, BH-2) and after (AH-1, AH-2) injection on four boreholes
그림 Fig. 5. Schematic diagram for compressive load test.
그림 Fig. 6. Results of compressive load test on CPR piles of (a) No. 1 (D400) and (b) No. 3 (D500) based on the methods proposed by Terzaghi and Peck (1967) and British Standards Institution (1986).
표 Table 6. Analyzed results of compressive load test on CPR piles of No. 1 (D400) and No. 3 (D500)
그림 Fig. 7. Estimation of yield load and allowable bearing capacity on No. 1 (D400) and No. 3 (D500) obtained from (a), (d) S-P, (b), (e) logP-logS, and (c), (f) Davisson methods.

AI 본문요약
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문제 정의

(2013) 은 CGS 공법에 의한 석회암 공동지역의 구조물기초지반 보강을 실시하여 보강효과를 공학적으로 검토한 결과, 공동 내 재료 충전 상태가 양호하였으며 공동도 적절하게 보강된 것으로 나타났다. 본 연구는 현장 타설말뚝 공법으로 적용 가능한 CGS 공법의 구근 전단력과 연직력 향상을 위해개발된 CGS 공법의 하나인 Compaction Grouting Compound Pile with Reinforcement(CPR) 공법을 적용한 압죽재하시험을 통하여 지반의 항복하중과 허용지지력을 평가하여 기초지반 보강효과를 검토하고자 한다. 이를 위해 매립층과 퇴적층으로 구성된 지반에 직경 400 mm와 500 mm 두 종류의 CPR 말뚝을 형성시킨 후 시공 전후의 지반상태를 비교하였다.
각 하중단계의 재하간격은 5분으로 하였으며, 침하량은 각 하중단계마다 기록하였다. 본 연구의 말뚝 압축재하시험은 CPR 말뚝 D400과 D500에 대해 실시하였다. 전자의 경우 최대 계획하중은 1, 200 kN, 허용하중은 400 kN 으로 하였으며, 후자는 1, 800 kN 과 600 kN 으로 각각 설정하였다 재하대는 최대 계획하중의 1.

제안 방법

시험 말뚝은Fig. 1 과 같이] CPR 시험 말뚝 직경 o400 mm (D400, Nos. 1, 2)크기 2공, o500 mm (D500, Nos. 3, 4) 크기 2공 총 4동을배치하고, 재하시험 시 반력 말뚝으로 이용하고자 외부(Nos. 5~14)에 10공을 배치하였다. 또한 주입재 주입 전후의 지반상태 변화를 측정하기 위한 표준관입시험 (standard penetration test, SPT) 용 4개의 시험공(BH-1, BH-2, AH-1, AH-2) 을배치하였다.
재하하중 단계는 최대 계획하중의 5% 또는 허용하중의 15%로 정하였다. 각 하중단계의 재하간격은 5분으로 하였으며, 침하량은 각 하중단계마다 기록하였다. 본 연구의 말뚝 압축재하시험은 CPR 말뚝 D400과 D500에 대해 실시하였다.
이를 위해 매립층과 퇴적층으로 구성된 지반에 직경 400 mm와 500 mm 두 종류의 CPR 말뚝을 형성시킨 후 시공 전후의 지반상태를 비교하였다. 또한 압축재하시험을 통하여 침하량 기준 및 하중-침하량 곡선에 의한 항복하중과 허용지지력을 비교 - 분석하였다.
5~14)에 10공을 배치하였다. 또한 주입재 주입 전후의 지반상태 변화를 측정하기 위한 표준관입시험 (standard penetration test, SPT) 용 4개의 시험공(BH-1, BH-2, AH-1, AH-2) 을배치하였다.
본 연구에서는 재하단계별 하중증가 비율 및 각 하중단계의 경과시간 등을 고려하여 급속재하시험 방법을 적용하였다. 말뚝 압축재하시험을 수행함으로써 하중-시간-침하량 거동특성을 알 수 있으며, 침하량 기준과 하중-침하량 곡선으로부터 항복하중과 허용지지력을 구할 수 있다. 재하하중 단계는 최대 계획하중의 5% 또는 허용하중의 15%로 정하였다.
0 N/mm² 정도 발현 되도록 280 kg/m3 를 배합하였다. 배합 수는 주입재 슬럼프가 5 cm 이하를 유지도록 200 L/m3 를 기준으로 매 공마다 슬럼프 시험을 실시하여 조절하였다(Table 3).
압축재하시험 방법으로는 일반적으로 왼속재하시험(slow maintained-load test), 급속재하시험(quick maintained-load test), 하중증가평형시험(incremental equilibrium test), 일정침하율시험 (constant rate of penetration test), 일정침하량시험 (constant settlement increment test), 반복하중재하시 험 (cyclic loading test), 스웨덴 반복하중재하시험 (Swedish cyclic test) 등 7가지로 분류할 수 있다(ASTM D1143-81,1994). 본 연구에서는 재하단계별 하중증가 비율 및 각 하중단계의 경과시간 등을 고려하여 급속재하시험 방법을 적용하였다. 말뚝 압축재하시험을 수행함으로써 하중-시간-침하량 거동특성을 알 수 있으며, 침하량 기준과 하중-침하량 곡선으로부터 항복하중과 허용지지력을 구할 수 있다.
시공 전 CPR 말뚝 시험구간 외부에 좌우 2개소(BH-1, BH-2) 에서 지층과 지반상태를 확인하기 위하여 한국공업규격(Korean Industrial Standards, KS) 표준관입시험법(Standard Penetration Test, SPT) KS F 2307(1987) 에 근거하여 1.0 m간격으로 시험을 실시하였다. 지층은 상부로부터 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암 순으로 나타났다(Table 1).
시험 말뚝의 주입재 강도는 일반적으로 조골재량과 시멘트량을 조절하여 8.0~24.0 N/mm² 범위를 적용하는데, 본 연구에서는 12.0 N/mm² 으로 설정하였다. 보강재는 직경 o22 mm 크기의 SD300의 인장력 (3, 000 kgf/cm²) 을 가진 철근 1 가닥을 시험체에 삽입한 말뚝으로 하였다.
0 N/mm² 보다 더 높게 나타났다. 시험 시공 중 증가된 간극수압을 소산시키기 위하여 충분한 시간을 고려하여 한 달 후 Fig. 1 에 도시된 위치인 시험공 중앙 부위 2 개소(AH-1, AH-2) 에서 1.0 m 간격으로 표준관입시험을 실시하였다. 주입재 주입 전후의 표준관입시험 결과를 Table 5 에 정리하였다.
시험 시공은 로터리 퍼켜션형의 유압식 천공기를 이용하여 천공하였으며, 이때 지반 교란이 최소화되도록 천공수를 조절하였다. 천공수가 많을 경우 주변 지반을 교란시 켜 그라우트 주입 시 수압파쇄 현상을 일으킬 가능성이 있으므로 천공 수량을 철저히 조절해야 한다.
말뚝에 하중이 재하되었을 때 하중(P)-시간(t)-침하량(S) 거동특성에 의하여 항복하중을분석하여 판정하는 다양한 방법들 즉P-S 분석, logP-logS 분석, S-logt 분석, ds/d(logt)-P 분석, Davisson 분석 등이 있다(Choi, 2009). 이들 방법 중 본연구에서는 P-S 분석, logP-logS 분석, Davisson 분석 등 세 가지 방법들로부터 항복하중을 판정하였다. CPR 말뚝 D400에 대한 항복하중을 산정하면 Fig.
펌프 토출량의 차이는 전체 주입량에 오차를 가져오며 계획된 주입량 보다 적게 주입되는 현상이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 펌프에서 압송 배관으로 토출된 양을 초음파 유량계를 통해 실시간으로 측정하고, 주입 중 주입심도 주입시간, 주입 라인 손실 (line loss), 주입관 상부 압력 (header pressure) 및 주입관 선단 압력 (tip pressure) 등 관련 자료들을 획득하였다. 실시간 주입압력과 주입량은 CAMS(Compaction grouting Real time Automatic Monitoring System) 를 이용하여 모니터링하였다.
본 연구는 현장 타설말뚝 공법으로 적용 가능한 CGS 공법의 구근 전단력과 연직력 향상을 위해개발된 CGS 공법의 하나인 Compaction Grouting Compound Pile with Reinforcement(CPR) 공법을 적용한 압죽재하시험을 통하여 지반의 항복하중과 허용지지력을 평가하여 기초지반 보강효과를 검토하고자 한다. 이를 위해 매립층과 퇴적층으로 구성된 지반에 직경 400 mm와 500 mm 두 종류의 CPR 말뚝을 형성시킨 후 시공 전후의 지반상태를 비교하였다. 또한 압축재하시험을 통하여 침하량 기준 및 하중-침하량 곡선에 의한 항복하중과 허용지지력을 비교 - 분석하였다.
본 연구의 말뚝 압축재하시험은 CPR 말뚝 D400과 D500에 대해 실시하였다. 전자의 경우 최대 계획하중은 1, 200 kN, 허용하중은 400 kN 으로 하였으며, 후자는 1, 800 kN 과 600 kN 으로 각각 설정하였다 재하대는 최대 계획하중의 1.5 배 이상의 재하용량으로 시험 도중 말뚝의 편심을 방지할 수 있도록 수직과 수평을 정확히 맞추도록 하였다(Fig. 5). 재하하중은 5,000 kN 용량의 유압잭을 이용하여 가했으며, 측정은 로드셀을 이용하였다.
주입재의 압축강도를 확인하기 위해 직경 10 cm, 높이 20 cm 몰드 공시체를 9 개 제작 하여 수중 양생 후 KS F 2404에 근거하여 압축시험을 실시하였다. 그 결과 압축강도는 12.
사용된 케이싱은 주입 작업의 효율성을 고려하여 BX 크기로 길이 100 cm, 외경 73 mm 내경 52 mm 규격을 사용하였다. 천공 근입 심도는 풍화암 상부층과 풍화토 하부층인 N < 50/20 근입시켜 GL-9.0 m 까지 천공하였다.
재하하중은 5,000 kN 용량의 유압잭을 이용하여 가했으며, 측정은 로드셀을 이용하였다. 침하량은 말뚝에 180° 간격으로 부착된 변형률게이지를 이용하여 측정되었다. 재하하중 및 변위 자료는 60채널 TDS-530 모델의 데이터로거를 이용하여 획득하였다
현장 타설 말뚝의 경우 반력 말뚝은 앵커를 반력체로 이용하는 것이 일반적이다. 하지만 CPR 말뚝 특성상 주입재의 강도가 균질하고 주변 마찰력이 우수하기 때문에 본 시험 시공에서는 CPR 말뚝을 반력 말뚝으로 이용하였다. 시험 말뚝은Fig.
현장 타설말뚝 공법으로 적용 가능한 CGS 공법의 하나인 CPR 공법을 적용하고, 압축재하시험을 통하여 지반의 항복 하중과 허용지지력을 평가하여 기초지반 보강효과를 확인하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

대상 데이터

0 N/mm² 으로 설정하였다. 보강재는 직경 o22 mm 크기의 SD300의 인장력 (3, 000 kgf/cm²) 을 가진 철근 1 가닥을 시험체에 삽입한 말뚝으로 하였다. CPR 시험 말뚝 D400의 최대압축강도와 허용압축강도는 1, 619.
그 중 가장 중요한 재료는 골재로서 골재의 배합 비는 시공성과 지반보강 효과를 좌우한다. 본 시험 시공에 사용된 골재는 10 mm 이하의 석분과 토사를 혼합하여 Fig. 3 과 같이 이상선 (Ideal Line) 에 근접한 입도분포를 가지도록 배합하였다. 골재의 물성시험는 KS F 2503(2014), KS F 2504(2014), KS F 2511(2012) 규정에 근거하여 실시하였다.
본 연구를 위한 시험 장소는 행정구역상 광주광역시 광산구 신창동 526-2로 동쪽으로 약 100 m 지점에 영산강 상류 수계, 북쪽으로 약 10 m 정도의 구릉선 산자락 끝 지점에 위치한다. 본 장소는 논으로 이용되다가 매립된 부지로 지형 특성상 하상 퇴적층이 발달되었다(Fig.
3 kN 으로 산정되었다. 본 연구에서는 시험 말뚝의 항복하중 특성을 파악하기 위해 시험 말뚝 Nos. 1~4에 대해 압축재하시험을 하였으며, 이들 중 결과 분석과 해석에는 시험 말뚝 Nos. 1, 3을 사용하였다. 압축재하시험을 위한 재료의 허용강도와 최대계획하중은 D400의 경우 422.
천공수가 많을 경우 주변 지반을 교란시 켜 그라우트 주입 시 수압파쇄 현상을 일으킬 가능성이 있으므로 천공 수량을 철저히 조절해야 한다. 사용된 케이싱은 주입 작업의 효율성을 고려하여 BX 크기로 길이 100 cm, 외경 73 mm 내경 52 mm 규격을 사용하였다. 천공 근입 심도는 풍화암 상부층과 풍화토 하부층인 N < 50/20 근입시켜 GL-9.
침하량은 말뚝에 180° 간격으로 부착된 변형률게이지를 이용하여 측정되었다. 재하하중 및 변위 자료는 60채널 TDS-530 모델의 데이터로거를 이용하여 획득하였다
N 값은 5/30~16/30으로 폭넓게 분포하며, 지층은 느슨 또는 중간 상태로 조- 되었다. 퇴적층의 두께는 GL-3.2~-8.5 m 의 5.3 m 두께로 실트질 모래와 자갈이 소량 함유된 층으로 N 값은 14/30~32/30, 지층은 중간 또는 조밀한 상태로 조사되었다. 풍화토층은 GL-8.

이론/모형

3 과 같이 이상선 (Ideal Line) 에 근접한 입도분포를 가지도록 배합하였다. 골재의 물성시험는 KS F 2503(2014), KS F 2504(2014), KS F 2511(2012) 규정에 근거하여 실시하였다. 밀도는 2.
시료에 대한 기본 물성값은 표준관입시험 시 채취된 매립층과 퇴적층의 시료를 한국공업규격의 시험법을 적용하여 구하였다. 이에 따르면 매립층과 퇴적층의 자연함수비 (KS F 2306, 2015)는 17.
이러한 문제점을 해결하기 위해 펌프에서 압송 배관으로 토출된 양을 초음파 유량계를 통해 실시간으로 측정하고, 주입 중 주입심도 주입시간, 주입 라인 손실 (line loss), 주입관 상부 압력 (header pressure) 및 주입관 선단 압력 (tip pressure) 등 관련 자료들을 획득하였다. 실시간 주입압력과 주입량은 CAMS(Compaction grouting Real time Automatic Monitoring System) 를 이용하여 모니터링하였다. D400 시험공의 주입량은 0.

성능/효과

7 의 과정을 통해서 산정되었다. P-S 분석에 의해 평가한 항복하중은 1, 350.2 kN 이며, 안전율을 고려한 허용지지력은 675.1 kN 으로 산정되었다 (Fig. 7d). logP-logS 분석에 의해 평가한 항복하중은 1, 334.
7a). logP-logS 분석에 의해 평가한 항복하중은 973.4 kN 이며, 안전율을 고려한 허용지지력은 486.7 kN 으로 산정되었다(Fig. 7b). Davisson 분석에 의해 평가한 항복하중은 692.
압축시험을 실시하였다. 그 결과 압축강도는 12.1~13.4 N/mm², 평균 압축강도 12.8 N/mm² 으로 계획된 12.0 N/mm² 보다 더 높게 나타났다. 시험 시공 중 증가된 간극수압을 소산시키기 위하여 충분한 시간을 고려하여 한 달 후 Fig.
Terzaghi and Peck(1967) 이 제안한 침하량 및 안전율에 근거한 CPR 말뚝의 항복하중과 허용지지력은 D500이 D400보다 약 14% 더 높게 나타났다. 그리고 영국기초공업기준의 침하량과 안전율에 근거한 CPR 말뚝의 항복하중과 허용지지력은 D500 이 D400보다 약 24% 더 높게 나타났다. 하중-침하량 곡선으로부터 산정한 CPR 말뚝의 항복하중 및 허용 지지 력 크기는 P-S 분석 > logP-logS 분석 > Davisson 분석 순으로 나타났다.
압축재하시험 후 실시한 표준관입시험의 결과에 의하면 매립층과 퇴적층 모두에서 평균 N 값이 시험 전 보다 향상된 것으로 나타나, 압축재하시험에 의해 지반이 더 조밀하게 형성되었음을 나타냈다. 급속재하시험에 의한 CPR 말뚝의 최대재하하중은 D500이 D400보다 약 16% 더 높은 것으로 나타났다. Terzaghi and Peck(1967) 이 제안한 침하량 및 안전율에 근거한 CPR 말뚝의 항복하중과 허용지지력은 D500이 D400보다 약 14% 더 높게 나타났다.
6a). 또한 영국기초공업기준에서 제안한 전체 침하량 40 mm (말뚝 직경의 10%) 및 안전율 3.0 기준(British Standards Institution, 1986)에 근거하여 CPR 말뚝의 항복하중과 허용지지력을 계산한 결과 1, 098.3 kN/본과 366.1 kN/본으로 각각 산정되었다(Fig. 6a).
6b). 또한 영국기초공업기준에서 제안한 전체 침하량 50 mm (말뚝 직경의 10%) 및 안전율 3.0 기준(British Standards Institution, 1986) 에 근거하여 CPR 말뚝의 항복하중과 허용지지력을 계산한 결과 1, 448.8 kN/본과 482.9 kN/본으로 각각 산정되었다(Fig. 6b).
주입재 주입 전후의 표준관입시험 결과를 Table 5 에 정리하였다. 매립 층에서는 N 값이 평균 2~5 정도 증가되어 시험 전 보다 16~63% 향상 효과를 보여 지반의 상대밀도를 높이는 결과를 나타냈다. 퇴적층에서는 N 값이 평균 2~7정도 증가되어 시험 전보다 8~36% 정도 향상되는 효과를 보여 시험 전 보다 지반이 더 조밀하게 형성되었음을 나타냈다(Fig.
골재의 물성시험는 KS F 2503(2014), KS F 2504(2014), KS F 2511(2012) 규정에 근거하여 실시하였다. 밀도는 2.67 g/cm³, 함수량 7.5%, 통일 분류법상 SW~SM 으로 분류되며, 세립토 (0.08 mm 통과량) 비율이 9.7%로 이상적인 비율을 가진 골재로 판단되었다. 시멘트는 그라우트의 압축강도가 12.
0 mm) 를 초과하는 침하량이다. 순침하량은 64.76 mm 로 확인되었으며, 이 값은 순침하량 분석 기준인 CPR 말뚝 직경의 2.5% (12.5 mm) 를 초과하는 것으로 나타났다. Terzaghi and Peck(1967) 이 제안한 침하량 25.
주입재의 평균 압축강도는 계획된 것보다 더 높게 나타났다. 압축재하시험 후 실시한 표준관입시험의 결과에 의하면 매립층과 퇴적층 모두에서 평균 N 값이 시험 전 보다 향상된 것으로 나타나, 압축재하시험에 의해 지반이 더 조밀하게 형성되었음을 나타냈다. 급속재하시험에 의한 CPR 말뚝의 최대재하하중은 D500이 D400보다 약 16% 더 높은 것으로 나타났다.
7과 같다. 즉, P-S 분석에 의해 평가한 항복하중은 1, 060.0 kN이며, 안전율을 고려한 허용지지력은 530.0 kN 으로 산정되었다(Fig. 7a). logP-logS 분석에 의해 평가한 항복하중은 973.
매립 층에서는 N 값이 평균 2~5 정도 증가되어 시험 전 보다 16~63% 향상 효과를 보여 지반의 상대밀도를 높이는 결과를 나타냈다. 퇴적층에서는 N 값이 평균 2~7정도 증가되어 시험 전보다 8~36% 정도 향상되는 효과를 보여 시험 전 보다 지반이 더 조밀하게 형성되었음을 나타냈다(Fig. 4). 풍화토 층도 N 값이 소폭 증가되었다.
0 mm) 를 초과하는 침하량이다. 하중을 완전 제거한 후의 순침하량은 69.23 mm 로 확인되었으며, 이 값은 순침하량 분석 기준인 CPR 말뚝 직경의 2.5% (10.0 mm) 를 초과하는 것으로 나타났다. Terzaghi and Peck(1967) 이 제안한 침하량 25.

후속연구

하지만 P-S 분석과 logP-logS 분석에 의한 항복하중과 허용지지력은 큰 차이를 보이지 않은 반면 Davisson 분석에 의한 값은 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 결론적으로 침하량 기준과 하중-침하량 곡선에 의해 산정된 항복하중 및 허용지지력은 적용되는 방법에 따라 값의 편차가 크게 나타나므로 허용지지력은 다양한 항복하중 산정법을 적용한 후 종합적인 분석을 통하여 최적의 값을 결정할 필요성이 있다고 사료된다.

참고문헌 (19)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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