Apuntes - Mecanica de Suelos

7/23/2019 Apuntes - Mecanica de Suelos

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SUELOS

“Los que realmente comprenden los suelos

pueden, y frecuentemente lo hacen, aplicar la

mecánica del suelo sin una clasificación

formalmente aceptada”

Arthur Casagrande.

1 - DEFINICIONES

A pesar de que todas las estructurasciviles creadas por el hombre a lolargo de la historia se apoyan outilizan materiales provenientes dela superficie o el subsuelo terrestre,

el estudio teórico y el desarrollo práctico relacionado con suelos yrocas recién comenzósistemáticamente a comienzos delSiglo XX.

Actualmente, toda la comunidad internacional relacionada con laIngeniería Civil reconoce al Dr. Ing. Karl Terzaghi como el hombreque dio origen a una nueva rama llamada Mecánica de Suelos apartir de la publicación cláica Erdbaumechanik en !"#$.

A partir de la década del 70 los avances en la tecnología electrónica yen los procedimientos de construcción, así como los cada vez más grandes

y arriesgados proyectos civiles, llevan a una mayor especialización ydiversificación de estas y otras ramas anexas o vinculadas. Esto llevó a lacreación de una disciplina mayor, la Ingeniería eot!cnica.

entro de la !ngeniería "eotécnica se pueden distinguir actualmente lassiguientes ramas#

a$ la "ecánica de #uelos y la "ecánica de $ocas %deforma&ilidad,resistencia al corte, etc.$

&$ la eología Aplicada a la Ingeniería o “eología de Ingeniería”

c$ la Ingeniería de %undaciones y &'neles %cimentaciones, muros decontención, taludes, t'neles, presas, etc.$,

d$ la Ingeniería de (a)imentos %pavimentos rígidos y felxi&les, vías ferreas,etc.$

(erzag)i %*+-$ define la ecánica de /uelos como#

“La Mecánica de Suelos es la aplicación de las leyes de la Mecánica y la

Hidráulica a los problemas de Ingeniería ue !ra!an con sedimen!os y o!ras

acumulaciones de par!ículas sólidas" producidas por la desin!egración

mecánica o descomposición uímica de las rocas#$

Esta disciplina comprende#

a$ las teorías so&re el comportamiento de los suelos su1etos a cargas, &asadas en)ipótesis simplificativas2

&$ la investigación de las propiedades físicas de los suelos reales2 y

c$ la aplicación del conocimiento teórico y empírico a los pro&lemas prácticos.

%n el lengua&e geot'cnico corriente el t'rmino (uelo) puede etar

indicando a por lo meno do coa mu* di+erente.

a los materiales presentes en la naturaleza en estado inalterado(depósi!o suelo)-.

a todos aquellos materiales *me+clados, remoldeados, amasados,estaili+ados, etc.- que pro)ienen de un determinado depósito natural y

que son utili+ados por el homre en oras ci)iles %“ma!erial suelo$&.

l primer caso se refiere al suelo y a las rocas tal como

están en la naturaleza. !fábrica, cementación, heterogeneidades"

l segundo se refiere al problema del #S$ de estos comomateriales de construcción.

3 ir/eland !"01$, define un suelo como# 45..material natural, compuetopor capa * horizonte, de compueto minerale, *2o orgánico con

epeore variado, que di+iere del material original por propiedademor+ológica, +íica, química * minerálogica.6

3 Esta clase de materiales %los suelos$, ue será definido en los párrafossiguientes, puede represen!arse esuemá!icamen!e como un sis!ema

discon!inuo compues!o por dos o !res 'ases %sólida" líuida y(ogaseosa&, lo ue lleva a ue su deformación general, cuando se somete acargas, sea el resultado de las deformaciones individuales y deldeslizamiento relativo entre partículas.

3 %te material el uelo- que proviene de la hiperg'nei de la roca,puede permanecer3

3 (in itu) uelo reiduale-

3 o er tranportado.

Horizontes y Capas

%on estas denominaciones, suele aparecer o nombrarse a los diferentes sectores que

puede presentar un suelo en la vertical, con cierta continuidad lateral.

sto se da como consecuencia de que en la medida que los procesos hipergénicos

act&an, las diferentes capas de clastos o detritos se van haciendo más espesas, y se

diferencian en capas o subcapas morfológicamente distintas.

Perfil de Suelo

Se entiende por perfil de un suelo a la sección vertical de un terreno, constituido por

una secuencia de horizontes o capas, separables por sus caracter'sticas

morfológicas, f'sicas, qu'micas y mineralógicas.

Clae de 4uelo

8as formas de clasificar los suelos puede ser en función de#

(extura9otencia de las capas

9osición del nivel freático/uscepti&ilidad a inundaciones Aptitud natural:alidad como material de préstamo:apacidad soporte

rena&ilidad:onductividad )idráulica

#.!.5 CA6ACT%6I7ACI89 D% 4:%;<4

El o&1etivo de caracterizar y clasificar un suelo, es el de poder prever sucomportamiento, mecánico e )idráulico, en o&ras de ingeniería, en minería, en

medio am&iente, lograr conocer su forma de ocurrencia, y la geometría de suscapas, como de sus elementos constitutivos, en el lugar de estudio.

9ara el dise;o final de fundaciones y estructuras importantes la )escripción eIden!i'icación de suelos y rocas y la determinación de sus *ropiedades +ndice" permiten clasificar los materiales en grandes grupos.

En muc)os casos estos resultados de&en suplementarse con otros ensayos dela&oratorio y<o campo ue permitan determinar sus *ropiedades Ingenieriles comoser#

3 permea&ilidad,3 resistencia al corte y

3 deforma&ilidad, &a1o las condiciones de carga esperadas.

3 Antiguamente la !ngeniería descri&ía la naturaleza de lossuelos con términos generales como 4arena fina6 o 4arcilla

&landa6.

3 :on el correr del tiempo y dependiendo de cada autor lossuelos se dividieron, para su descripción e identificación, con

diferentes términos# suelos co)esivos y no=co)esivos, suelosgranulares y arcillosos, etc.

3 Actualmente los términos &ásicos usados en la !ngeniería

"eotécnica para la identificación y clasificación visual encampo y la&oratorio de los suelos son# grava, arena, limo yarcilla. Estos términos se corresponden con un determinadotama;o de partícula.

( )a graduación, determinada mediante análisis granulométrcos, permite definir a los suelos como* bien o mal graduados, uniformes yde granulometr'a discontinua.

( )a forma de las partículas gruesas de un suelo influye en lacompacidad y estabilidad del depósito en su con+unto. Se describe conlos términos redondeada, subredondeada, angulosa y subangulosa,

dependiendo de la agudeza de sus aristas y vértices.

( entro de los suelos de grano fino, de tama-o microscópico ysubmicroscópico, se encuentran* los limos !M" !entre ,/0 y ,0

mm, distinguibles mediante microscopio" y las arillas !C" !menoresa ,0 mm, distinguibles mediante microscopio electrónico", tantoorgánicas como inorgánicas. %omo estos tama-os de part'culas no sondistinguibles visualmente, se deberá usar como criterio de

identificación a otra propiedad de los mismos.

FASES DEL SUELO

%quemáticamente todo lo materiale in conolidar preentan T6%4?A4%4, que on3

S!lida" #aseosa y $%&uida)as propiedades del suelo estarán dadas por las relaciones entre 1S$S 2

3$)#45S de las diferentes fases.

Gaseosa

Líquida

Sólida

Volúmenes

Wg≈ 0

Relaciones volumétricas:

Porosidad !" Relación de vacíos Grado de saturación !"

Relaciones en #eso:

$ontenido de %umedad!"

( l concepto de 6tres fases7 implica que los sólidos son estables y queel agua es fácilmente separable de la masa de suelo !en estado libre".

( 1ara casi la totalidad de los suelos transportados la primer hipótesises esencialmente cierta, pero en el caso de algunos suelos conestructuras susceptibles de romperse o desmoronarse y8o muysensibles a la acción qu'mica, sus propiedades pueden cambiar

rápidamente en ciertas ocasiones !9aylor, :;<=".

( )a Figura, muestra el diagrama esquemático clásico, de las 6tres

fases7 de un suelo> sólida !part'culas minerales", gaseosa y l'quida!agua generalmente"> las tres relaciones volumétricas más importantes

en la ?eotécnica* porosidad, relación de vacíos y grado de saturación

y la relación en peso* contenido de humedad .

( 'elaiones de (ol)men8a porosidad %n$ es la relación entre el volumen de vacíos %BvCBDBg$ y el

volumen total de suelo %B(CBsBDBg$. Estos valores se expresan en porcenta1e.3 En arcillas naturales, la porosidad varía com'nmente entre -0 y F0G, pudiendo

exceder el +0G. 9ara una masa granular esta&le de esferas iguales, esteparámetro depende de la forma en ue éstas están dispuestas %en la disposiciónmás densa posi&le n es de FG y en la más suelta es de 7G$.

3 8a relación de ,acíos %e$ es la relación entre el volumen de los vacíos %Bv$ y elvolumen de los sólidos %B/$. /e expresa en forma decimal y puede alcanzarvalores superiores a la unidad.

3 8a relación de )acíos y la porosidad están relacionados por las siguientesfórmulas# e B !2 !5n2 n B e2!e

En general se puede afirmar ue al disminuir el valor de estas relaciones en unsuelo, disminuye su permea&ilidad y compresi&ilidad y aumenta su resistencia al

corte. 3 El grado de sa!uración 4- indica el porcenta1e de volumen de vacíos ue estálleno de agua. Es la relación entre el volumen de agua %BD$ y el volumen de

vacíos %Bv$.Esta relación puede variar entre 0 %suelo seco$ y *00 G %suelo saturado$.

'elaiones de Pesos

)a relación en peso por e@celencia es el contenido de humedad ohumedad . sta variable es fundamental para la ingenier'a debido a

que las propiedades resistentes y la compresibilidad de un sueloson función de la misma.

H BB8BS CID

)as relaciones entre vol&menes y pesos, se emplean en*

eterminación de la masa del suelostimación de asentamientos

?rado de compactación para terraplenes, etc.

,*,*- N.$ISIS #'N/$OM0'ICO

Se puede decir, a modo de introducción, que )$S JKL59SS#)$S S 1#5 $L5AL 5 ?L#1$S %$5

%ALA%9LMS9J%AS ?LA5#)$4N9LJ%AS SJ4J)ALS.

Clasificación Textural

Se agrupan los suelos por tama-os de granos, descartando las gravas y

tama-os mayores. Se pueden dividir en*

renas$imo

rillaste método se basa en el análisis granulométrico de las diferentes fracciones de suelos.

( ste procedimiento seencuentra normalizado*

( por la SM D 7,,-89 !61articlePSize Analysis ofSoils7",

( la preparación de lasmuestras en seco para estos

fines por la SM D 7,1-:; !6ry 1reparation ofSoil Samples for 1articlePSize Analysis andetermination of Soil

%onstants7".

( 1or este medio una muestra desuelo puede dividirse en partes,llamadas fracciones, basadas en eltama-o de part'cula

( . n la Jngenier'a %ivil esfrecuente dividir los suelos en dosgrandes fracciones usando el tamiz

5Q<. Kracción ?ruesa y KracciónKina.

'EP'ESENCI<N #'.FIC DE$MI=DO

( )os resultados de este análisis mecánico se representan en un gráficocuya abscisa lleva los diámetros de las part'culas, en escalasemilogar'tmica, y en ordenadas el porcenta+e de part'culas de diámetroinferior al considerado

& '(&)'(&)& µm ')*+,*+'0*+&0*+,0*+&00 *+'00

0,00* 0,0* 0,* * *0 *00

A&ertura %mm$

9 o r c e n t a 1 e p a s a n t e

Iidrómetro (amices

HIDRÓMETRO

&uella parte de la muestra demasiado fina para ser retenida por tamies 3“fracción

finos” 5 y &ue Aa sido arrastrada por el agua de la>ado es analizada por !todos de an"lisis granulo!tricos por #$a %&eda" los uales se +asan en la >eloidad de sedimentai!n de las

part%ulas de una suspensi!n de suelo*

Este an2lisis se fundamenta en la 'e( de )to*es 3de 1:;B5 &ue india &ue la >eloidad a la

&ue ae una part%ula esf@ria a tra>@s de un medio l%&uido 3de >isosidad onoida5 esfuni!n del di2metro y del peso espe%fio de la part%ula*

Para determinar estas fraiones e?isten >arias t@nias" siendo el m@todo del

Hidróetro 3SM D 7,,-895 el m2s utilizado en la #eot@nia*

Este proedimiento fue propuesto simult2neamente por #oldsAmidt 3Noruega-1,85 y por

ouyouos 3EE//1,5* Posteriormente" de+ido a di>ersos errores de la prue+a original"

el +u,lic Road -dinistration enomend! al Dr* * Casagrande una in>estigai!n para la

orrei!n de los resultados* Como resultado se adopt! el Aidr!metro aerodin2mio.

n los minerales arcillosos, que son laminares, las cargas superficiales

son intensas, por lo que presentan una carga total alta. sto lleva a un

capo electrost"tico "s intenso cerca de la superficie de la part$cula

de arcilla ( decrece con la distancia.

)i ,ien la ol!cula de agua/ es neutra/ polar/ funciona con una carga positi#a ( otra negati#a/ lo 0ue la lle#a a un coportaiento de

DI+O'O

sto genera el fenómeno conocido como DO$E CP DE

DIF/SI<N

1.5 ;I=IT%4 D% ATT%6%6@ E;A4TICIDAD

Atter&erg ideó el método para descri&ir en forma cuantitativa el efecto de la)ariación de humedad en la consistencia de los suelos finos.

8a definición de ue los contenidos de )umedad sirven de fronteras para cadaestado físico de las arcillas se de&e al agrónomo sueco A. Atter&erg. e estaforma a las fronteras ar&itrarias %definidas por Al&ert Atter&erg %*+**$ y Art)ur:asagrande %*+-$$, expresadas como contenidos de )umedad entre cada

4estado de consistencia6, son llamadas Límites de Attererg.

$os l%mites se +asan en el concepto de que un suelo de grano fino solamente puede e@istir en cuatro &estados de consistencia' seg&n su contenido dehumedad.

#n suelo se encuentra en estado sólido cuando está seco, pasando al a-adiragua a los estados semisólido, plástico y finalmente lí#uido.

)os contenidos de humedad en los puntos de transición de unos estados a otrosse denominan límite de contracción !o de retracción", límite plástico y límite

lí#uido.

3 Estos ensayos fueronestandarizados por:asagrande, usándose laCaoleta de Caagrande.

3 /e esta&leció el 8ímite8íuido, con el cual elcontenido de agua del suelopara ue la ranura se cierrecon > golpes.

3 El límite líuido sedetermina conociendo - o contenidos de aguadiferentes, con loscorrespondientes LMs de

golpes y trazando la /ur,ade /asagrande. Esta curvase )ace graficando el:ontenido de Agua=LM de"olpes

%asagrande en su %arta fi+ó una l'nea que sirviera de frontera entre los diferentes tipos

%asagrande, en su %arta fi+ó una l'nea que sirviera de frontera entre los diferentes tiposde suelos finos, conocidos como 'I3E- -.

sta l'nea fue calculada en forma emp'rica y pasa por las coordenadas del e+e !," y!0,".

sta l'nea, y la vertical ! '$nea 9", trazada por el punto !,0" dividen a la gráfica encuatro zonas.

n la zonas que quedan sobre la )'nea A se sit&an las ArcillasJnorgánicas !%".

Va+o la )'nea A quedan los suelos inorgánicos, limos !4", poco plásticos.

9ambién por VA[$ de la )'nea A, suelos orgánicos !$".

A su vez, en estos suelos, se distinguen los suelos de altacompresibilidad !R" y los de ba+a !)".

%on esta con+unción, aparecen los T grupos de suelos del gráfico.

SISEMS DE C$SIFICCI<N

SISEMS DE C$SIFICCI<NSistema SHO 3American Association of State RighHayand 9ransportation $fficials"

epartamento de :aminos 9'&licos de los Estados Rnidos, implantado desde*++, y )a sufrido varias modificaciones.

entro de sus aplicaciones iniciales, se la usó para la evaluación de suelos en#

♦ su&rasantes de carreteras♦ terraplenes

Este sistema divide a los suelos en tres categorías#= "ranular# ->G o menos en 9eso, ue pasa el U 00.

= 8imo=Arcilla# :on más del ->G ue pasa el U 00.= /uelos orgánicos %A=H$

8os dos primeros, en función de su graduación y plasticidad son su&divididosen clases ue van desde A=* )asta A=H, esta su&división indica vagamente uecon el aumento del LM disminuye la :alidad del /uelo %desde el punto de vistavial$. (ra&a1ar con ta&las.

8as su&divisiones de clases indica variaciones en la 9lasticidad.

Esta clasificación es complementada por el !L!:E E "PR9J, y uedaexpresado en la siguiente fórmula#

!" C 0.a 0.00> ac 0.0* &d

a C G pasa U 00, más ue ->G sin exceder 7>G. & C G pasa U 00, V *>G sin exceder >>G.

c C parte de 88, V 0 y sin exceder F0= d C parte del !p, V *0, sin exceder a -0.

8os valores de !" varían de 0 a 0.Este LM se coloca entre paréntesis siguiendo la clase, por e1emplo# A ? %0$2 A ? > %+$.

Clasifcación de suelos y mezclas de agregados para la Construcción VialRecommended Practice --S6T7 8 ',9;& /S#eci.cations Parte '1 '<;=

Clai+icación@eneral =ateriale @ranulare%->G o menos pasa el tamiz LM00$ =ateriale limo5arcilloo%más de ->G pasa el tamiz LM00$

A5! A5# A50Clai+icación de

@rupo A5!5a A5!5bA5H

A5#51 A5#5$ A5#5 A5#50A51 A5$ A5 A505$

Análii de tamizado J paa-

.00 mm %U LM*0$ >0 máx ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====

0.> mm %U LM0$ -0 máx >0 máx >* min ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====0.07> mm %U LM00$ *> máx > máx *0 máx -> máx -> máx -> máx -> máx -F min -F min -F min -F min

Caracterítica de +racción paa K 9L1M

8ímite 8íuido %88$ ==== ==== 0 máx * min 0 máx * min 0 máx * min 0 máx * minSndice 9lástico %!9$ F máx L9 *0 máx *0 máx ** min ** min *0 máx *0 máx ** min ** min

aterialesconstituyentessignificativos

@ragmentos depiedra, grava y

Arenafina

"rava y arena limosa o arcillosa /uelos limosos /uelos arcillosos

:lasificación generalcomo su&rasante

Excelente a &uena Pegular a po&re

El !9 del su&grupo A=7=> es igual o menor ue 88 menos -0. El !9 del su&grupo A=7=F es mayor ue 88 menos -0 %ver @rá+ico siguiente$.8a casilla A=- antes de la A= es de&ido al proceso de eliminación de izuierda a derec)a. Lo indica superioridad de A=- so&re A=.

:omo consecuencia de estos grupos, podemosrepresentar una serie de su&grupos, ue son lossiguientes#

"rupos

C; * CO :8 # /o&re la línea A, con un 88 menor a >0G, !p mayor a 7G.

:I # arri&a de la línea A, con un 88 mayor a >0G. =; * =O

8 # /e su&divide en dos# Wona &a1o la 8ínea A, 88 menor a >0G /o&re la 8ínea A, !p menor a .

I # de&a1o de la 8ínea A, 88 mayor a >0G.

<; * <O

8as zonas de estos dos grupos son las mismas ue las de los grupos 8 yI, pero los orgánicos están más próximos a la 8ínea A.

/ompacidad

9ara suelos no co)esivos, se )allacomparando la relación de vacíos realcon la variación de la relación de vacíosdel suelo al pasar de estado suelto alcompacto.

9ermite estimar la facilidad de

penetración en el suelo de una &arra deacero.

/ompresibilidad

/e determina por ensayos de la&oratorio, o seaestima en función del ;; o la relación devacíos.

*ermeabilidad /e parte de la &ase ue los poros no soncavidades aisladas. /on conductos

intercomunicados y por los cuales puedecircular el agua.

/olor Ba )a depender del contenido de cementantes ue tengan los

granos ue integran el suelo.

/omposición

epende de la composición mineralógica de los granos de suelo.

En la "eología de !ngeniería dentro del concepto de composiciónincluimos#

•(ama;o de los granos

•"raduación•@orma de los granos •:omposición propiamente dic)a •9lasticidad

6.- MICROESTRUCTURA Y TEXTURA

%uando se describe un depósito natural de suelo se deben distinguirademás, las siguientes caracter'sticas generales de su fábrica*

Textura USe refiere al grado de firmeza y uniformidad del suelo yse describe con términos tales como* pulverulento, suave, arenoso,

áspero, etc. icha distinción se hace seg&n cuál sea la sensaciónque produce un trozo de material al tacto.

Consistencia -Se refiere al grado de adherencia entre las part'culasdel suelo y a la resistencia ofrecida a las fuerzas que tienden a

deformar o a romper el agregado de suelo. sta caracter'stica sedetermina en suelos con alta proporción de finos, siendo funcióndel contenido de humedad que presenta el agregado en esemomento.

%tructura =se refiere a la forma en ue las partículas se disponendentro de la masa de suelo. /eg'n 9ecX et al. %*+>-$, losdepósitos de suelos presentan dos tipos de estructura#

structura primaria ?forma en ue se disponen las partículas en unsuelo. epende de la sedimentación del suelo o de lameteorización de la roca. Esta puede ser# simple, cuando existe contacto intergranular esta&le2

floculada, &ordes de las láminas de arcilla tienden a atraerse enuna estructura suelta pero esta&le2 y dispersa, láminas de arcilla se repelen tomando posiciones casiparalelas.

structura #ecundaria ? trata so&re las varias discontinuidadesproducidas en el suelo por su )istoria de tensiones después de sudeposición o formación. Estos elementos pueden imponerpropiedades particulares a los materiales de un depósito.

El arreglo in!erno de las par!ículas" el agua y el aire" en unma!erial %el suelo&#

En ecánica de /uelos, el término estructura o microestructura, seusa para descri&ir la geometría del arreglo partícula5poro de unsuelo.

8a variedad de texturas va a depender de #

a$8a forma de los granos &$@uerza entre las partículas c$"énesis del suelo

Estas texturas se pueden agrupar en #•Lo co)esivas•:o)esivas•:ompuestas

9< C<O%4IQA4

Estos suelos están compuestos por granos, ue pueden serrepresentados por esferas o poliedros regulares.

8a estructura más simple es la de cada grano en contacto con susvecinos, tanto en la )orizontal como en la vertical.

/eg'n sea la posición de los granos, variará la relación de vacíos,si colocamos granos redondeados unos so&re otros, donde cadaesfera está inmediatamente al costado y arri&a de su vecina,genera una relación de vacíos de 0.+0.

En cam&io si colocamos las esferas en forma desfasada, donde lafila de encima ocupa el espacio entre las dos de a&a1o, la relaciónde vaciós es de 0.->.

:uando tenemos una estructura con una relación de vacíos de0.+0, tenemos un material /uelto, en cam&io, una relación devacíos de 0.->, tenemos un material :ompacto. Es así ue

mane1amos los conceptos de emax, emin.

8a emin de un suelo se logra :ompactándolo, por apisonado ovi&ración, esto se de&e )acer con control para no romper losgranos de suelo.

Existen suelos cuyas partículas son de Qa1a Esfericidad, tienden atener forma de 9lacas.

8as placas se acu;an, y pueden llegar a formar una masa esta&le.

Al manipular estos suelos, las placas se orientan paralelamente ala dirección de su movimiento, lo ue genera un comportamientodiferente en los sentidos perpendicular y paralelo a la orientaciónde las placas.

structuras ispersas

/i las particulas se acercan entre si, la repulsión entre ellas, )ace ue cada unase coloue a distancia máxima grano a grano.En esta estructura los granos redondeados se distri&uyen en toda la masagenerando alteraciones estructurales locales.8os suelos con estructura dispersa suelen ser densos e impermea&les.

structuras Kloculadas

Esta estructura se forma cuando dos particulas de diámetro menor a 0.00mmse tocan, se ad)ieren y sedimentan 1untas. Jtras partículas se ad)ieren a lasanteriores, formando un grumo, ue al llegar al fondo forman entre si estructurassimilares a las de un panel.Estos suelos son de peso liegero y muy compresi&les, son suscepti&les alreamasado .

structuras %ompuestasEn estas se define un esueleto consstituido por los granos gruesos, y por unamatriz constituida por masas coloidales de flóculos, ue generan un nexo entrelos integrantes del esueleto.

Apuntes - Mecanica de Suelos

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