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1、手把手教你應(yīng)用赤平投影(CAD圖解)來(lái)慶超一、序言 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法有許多,但無(wú)論是平面滑動(dòng)的單一楔形斷面滑體、單滑塊和多滑塊分析法,還是楔體滑動(dòng)的仿平面分析法、楔體分割法、立體分析法、霍克分析法以及巖土工程勘察規(guī)范(GB5002194)推薦法等,在計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)時(shí),需要知道滑體控制平面(包括結(jié)構(gòu)面和坡面、坡頂面)或直線(包括平面的法線)的地質(zhì)產(chǎn)狀,以及平面與平面、直線與直線、直線與平面間夾角等。其中平面和直線的產(chǎn)狀可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲取,除此之外的幾何參數(shù),在沒有發(fā)明極射赤平投影之前,都是用計(jì)算法求得,不僅它們的計(jì)算公式復(fù)雜,而且計(jì)算過(guò)程繁瑣,也很容易出錯(cuò)。如果采用極射赤平投影求解邊
2、坡穩(wěn)定性分析所需的幾何參數(shù),那就可以簡(jiǎn)化這些幾何參數(shù)的計(jì)算過(guò)程,而且一般情況下只需要在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量出各個(gè)控制平面的地質(zhì)產(chǎn)狀即可。二、極射赤平投影的基本原理(一)投影要素 極射赤平投影(以下簡(jiǎn)稱赤平投影)以圓球作為投影工具,其進(jìn)行投影的各個(gè)組成部分稱為投影要素,包括: 1.投影球(也稱投射球):以任意長(zhǎng)為半徑的球。 2.球面:投影球的表面稱為球面。 3.赤平面(也稱赤平投影面):過(guò)投影球球心的水平面。 4.大圓:通過(guò)球心的平面與球面相交而成的圓,統(tǒng)稱為大圓(如圖一(a)中ASBN、PSFN、NESW),所有大圓的直徑相等,且都等于投影球的直徑。當(dāng)平面直立時(shí),與球面相交成的大圓稱為直立大圓(如圖一(a
3、)中PSFN);當(dāng)平面水平時(shí),與球面相交成的大圓稱為赤平大圓或基圓(如圖一(a)中NESW);當(dāng)平面傾斜時(shí),與球面相交成的大圓稱為傾斜大圓(如圖一(a)中ASBN)。 5.小圓:不過(guò)球心的平面與球面相而成的圓,統(tǒng)稱為小圓(如圖一(b)、(c)中AB、CD、FG、PACB)。當(dāng)平面直立時(shí),與球面相交成的小圓稱為直立小圓(如圖一(b)中DC);當(dāng)平面水平時(shí),與球面相交成的小圓稱為水平小圓(如圖一(b)中AB);當(dāng)平面傾斜時(shí),與球面相交成的小圓稱為傾斜小圓(如圖一(b)中FG或圖一(c)中PACB)。 6.極射點(diǎn):投影球上兩極的發(fā)射點(diǎn)(如圖一),分上極射點(diǎn)(P)和下極射點(diǎn)(F)。由上極射點(diǎn)(P)把下
4、半球的幾何要素投影到赤平面上的投影稱為下半球投影;由下極射點(diǎn)(F)把上半球的幾何要素投影到赤平面上的投影稱為上半球設(shè)影。一般采用下半球投影。 7.極點(diǎn):通過(guò)球心的直線與球面的交點(diǎn)稱為極點(diǎn),一條直線有兩個(gè)極點(diǎn)。鉛直線交球面上、下兩個(gè)點(diǎn)(也就是極射點(diǎn));水平直線交基圓上兩點(diǎn);傾斜直線交球面上兩點(diǎn)(如圖五中A、B)。(二)平面的赤平投影 平面與球面相交成大圓或小圓,我們把大圓或小圓上各點(diǎn)和上極射點(diǎn)(P)的連線與赤平面相交各點(diǎn)連線稱為相應(yīng)平面的赤平投影。 1.過(guò)球心平面的赤平投影隨平面的傾斜而變化:傾斜平面的赤平投影為大圓?。ㄈ鐖D二中的NBS);直立平面的赤平投影是基圓的一條直徑(如圖一(a)中的NS
5、);水平面的赤平投影就是基圓(如圖一中的NESW)。 2.不過(guò)球心平面的赤平投影也隨平面傾斜而變化:直立平面的赤平投影是基圓內(nèi)的一條圓?。ㄈ鐖D三KDH);傾斜平面的赤平投影有以下三種情況:當(dāng)傾斜小圓在赤平面以下時(shí),投影是一個(gè)圓,且全部在基圓之內(nèi)(如圖三FG);當(dāng)傾斜小圓全部位于上半球時(shí),投影也是一個(gè)圓,但全部在基圓之外;當(dāng)傾斜小圓一部分在上半球,另一部分在下半球時(shí),赤平面以下部分的投影在基圓之內(nèi),以上部分的投影在基圓之外。當(dāng)球面小圓通過(guò)上極射點(diǎn)時(shí),其赤平投影為一條直線(如圖一(c)中PACB的投影為AB);水平小圓的赤平投影在基圓內(nèi)(如圖四中AB),AB是一個(gè)與基圓同心的圓。(三)直線的赤平投
6、影 直線AB的投影點(diǎn)就是其極點(diǎn)A、B和極射點(diǎn)P的連線與赤平面的交點(diǎn)A、B。鉛直線的投影點(diǎn)位于基圓中心;過(guò)球心的水平直線的投影點(diǎn)就是基圓上兩個(gè)極點(diǎn),兩點(diǎn)間距離等于基圓直徑;傾斜直線的投影點(diǎn)有兩個(gè),一點(diǎn)在基圓內(nèi),另一個(gè)在基圓外,兩點(diǎn)呈對(duì)蹼點(diǎn),在赤平投影圖上兩點(diǎn)的角距相差180(如圖五)。(四)吳氏網(wǎng)及其CAD制作 目前廣泛使用的極射赤平投影有等角距投影網(wǎng)和等面積投影網(wǎng)。等角距投影網(wǎng)是由吳爾福發(fā)明的,簡(jiǎn)稱吳氏網(wǎng);等面積投影網(wǎng)是由施密特發(fā)明的,簡(jiǎn)稱施氏網(wǎng)。兩者的主要區(qū)別在于:球面上大小相等的小圓在吳氏網(wǎng)上的投影仍然是圓,投影圓的直徑角距相等,但由于在赤平面上所處位置不同,投影圓的大小不等,其直徑隨著投
7、影圓圓心與基圓圓心的距離增大而增大。而在施氏網(wǎng)上的投影則呈四級(jí)曲線,不成圓,但四級(jí)曲線所構(gòu)成的圖形面積是相等的,且等于球面小圓面積的一半。使用吳氏網(wǎng)求解面、線間的角距關(guān)系時(shí),旋轉(zhuǎn)操作顯示其優(yōu)越性,不僅作圖方便,而且較為精確。而使用施氏網(wǎng)時(shí),可以作出面、線的極點(diǎn)圖或等密度圖,能夠真實(shí)反映球面上極點(diǎn)分布的疏密,有助于對(duì)面、線群進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,但其存在作圖麻煩等缺點(diǎn)。 1.吳氏網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及成圖原理 吳氏網(wǎng)(圖六)由基圓、南北經(jīng)向大圓?。∟GS)、東西緯向小圓?。ˋCB)等經(jīng)緯線組成。標(biāo)準(zhǔn)吳氏網(wǎng)的基圓直徑為20cm,經(jīng)、緯線間的角距為2。 (1)基圓,由指北方向(N)為0,順時(shí)針?lè)较蚩坛?60,這些刻度起
8、著量度方位角的作用; (2)經(jīng)向大圓弧是由一系列通過(guò)球心,走向南北,分別向西和向東傾斜,傾角由0到90(角距間隔為2)的許多赤平投影大圓弧所組成。這些大圓弧與東西直徑線EW的交點(diǎn)到端點(diǎn)(E點(diǎn)和W點(diǎn))的距離分別代表各平面的傾角。如圖六中GW表示的大圓弧NGS所代表的平面向西傾斜,傾角為30。 (3)緯向線是由一系列走向東西的直立平面的赤平投影小圓弧所組成。這些小圓弧離基圓的圓心O愈遠(yuǎn),其所代表的球面小圓的半徑角距就愈小,反之離圓心O愈近,則半徑角距就愈大。相鄰緯向小圓弧間的角距也是2,它分割南北直徑線的距離,與經(jīng)向大圓弧分割東西徑線的距離是相等的。如圖六所示,EDSHWGNF,角距都為30。 2
9、.吳氏網(wǎng)的CAD圖解 繪制吳氏網(wǎng),其實(shí)質(zhì)就是在赤平大圓上畫出經(jīng)向大圓弧和緯向小圓弧。那么這些大圓弧和小圓弧都是怎樣是繪制出來(lái)的呢?在沒有CAD制圖系統(tǒng)軟件以前,人們通過(guò)平面幾何關(guān)系利用圓規(guī)、直尺等原始工具繪制,其繪制過(guò)程很復(fù)雜。而在CAD制圖系統(tǒng)軟件下,繪制大圓弧和小圓弧是非常簡(jiǎn)的,下面就介紹它們的原理和繪制過(guò)程。 (1)繪制大圓弧的原理與步驟 要繪制大圓弧,應(yīng)至少知道大圓弧上的三個(gè)點(diǎn)N、S、B(如圖二所示),其中N、S點(diǎn)是每條大圓弧都必須經(jīng)過(guò)的,是已知點(diǎn)?,F(xiàn)在只要能確定經(jīng)向大圓弧與東西徑線EW的交點(diǎn)B,問(wèn)題就迎刃而解。 計(jì)算OB長(zhǎng)度 根據(jù)傾斜平面的傾角、基圓的直徑,可按下式計(jì)算點(diǎn)O與點(diǎn)B之間
10、的距離 (公式一)式中 R基圓的半徑;大圓弧所代表平面的傾角()。 以基圓的圓心為圓心,OB長(zhǎng)為半徑畫一個(gè)圓,該圓與基圓的東西徑向線EW交于B點(diǎn)。 過(guò)N、S、B三個(gè)點(diǎn)畫一個(gè)圓,并剪掉基圓外部分,大圓弧也就繪制完成。 (2)繪制小圓弧的原理與步驟 要繪制半徑角距為 的小圓弧,同樣也應(yīng)至少知道小圓弧上的三個(gè)點(diǎn)(如圖六所示的A、C、B三個(gè)點(diǎn))。根據(jù)吳氏網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與原理,可以通過(guò)CAD制圖確定A、C、B三個(gè)點(diǎn)的位置。 確定點(diǎn)C,首先用公式一計(jì)算點(diǎn)O與點(diǎn)C間距離,但其中 為小圓弧的半徑角距;然后以基圓的圓心為圓心,OC長(zhǎng)為半徑畫圓,該圓與基圓的南北徑向線NS交于C點(diǎn)。 以基圓的圓心為基點(diǎn),將南北徑線ON分
11、別逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度 ,得兩條直線,分別與基圓交于A、B點(diǎn) 。 過(guò)A、C、B三個(gè)點(diǎn)畫一個(gè)圓,并剪掉基圓外部分,小圓弧也就繪制完成。三、赤平投影網(wǎng)CAD圖解的應(yīng)用 利用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)吳氏網(wǎng)對(duì)平面、直線進(jìn)行投影時(shí),一般步驟是:把透明紙(或透明膠片等)蒙在吳氏網(wǎng)上,畫基圓及“十”字網(wǎng)心,并用針固定于網(wǎng)心上,使透明紙能夠繞網(wǎng)心旋轉(zhuǎn)。然后在透明紙上標(biāo)出E、S、W、N,以正北(N)為0,順時(shí)針數(shù)到360。東西直徑EW確定傾角,一般是圓周為0,至圓心為90。這樣做具有以下缺點(diǎn):一是較麻煩,二是當(dāng)旋轉(zhuǎn)透明紙時(shí),容易從針孔處發(fā)生破裂而移位;三就是準(zhǔn)確性不高;四是效率低。如果用CAD制圖,則可避免上述不足,且使作圖
12、更簡(jiǎn)化,用不著吳氏網(wǎng)中的那么多的經(jīng)、緯線,只需要畫出基圓及其南北徑線和東西徑線。 1.平面赤平投影的CAD圖解(如圖七) 例1:一平面產(chǎn)狀12630,繪制其赤平投影圖。 (1)繪制一直徑為20cm的基圓,同時(shí)畫出鉛直和水平兩條直徑,并標(biāo)出E、S、W、N。后面的例子均需要這一步,畫法與之相同,所以不再重復(fù)。 (2)平面的傾向是126,則其走向?yàn)?6。將南北徑線繞基圓的圓心O順時(shí)針旋轉(zhuǎn)36到達(dá)AB位置,與基圓交于A、B兩點(diǎn),則AB就是平面的走向線。 (3)以基圓的圓心O為基點(diǎn),將射線ON順時(shí)針旋轉(zhuǎn)126到達(dá)OD位置,與基圓相交于點(diǎn)D,則OD即為該平面的傾向線。 (4)用公式一計(jì)算線段OC長(zhǎng)度。以基
13、圓的圓心O為圓心,OC為半徑畫圓,交OD于C點(diǎn)。 (5)采用三點(diǎn)法,即過(guò)A、C、B三點(diǎn)畫圓,并切掉基圓外部分,所得大圓弧ACB即為該平面的赤平投影。 2.直線赤平投影的CAD圖解(如圖八) 例2:一直線產(chǎn)狀33040,繪制其赤平投影圖。 (1)將ON繞圓心O順時(shí)針旋轉(zhuǎn)330后到達(dá)OA位置,與基圓交于點(diǎn)A,則OA即為該直線的傾伏向。 (2)用公式一計(jì)算OA值。以基圓的圓心O為圓心,OA為半徑畫圓,交OA于A點(diǎn),則點(diǎn)A即為該直線的赤平投影。 3.平面法線赤平投影的CAD圖解(如圖九) 例3:一平面產(chǎn)狀為10540,繪制其法線的赤平投影。 (1)按例1所述方法,繪制產(chǎn)狀為10540平面的赤平投影大圓
14、弧NBS。 (2)平面法線的傾角與平面的傾角之和等于90,因此平面法線的傾角為50。用公式一計(jì)算OA。以基圓的圓心O為圓心,OA為半徑畫圓,交BO的延長(zhǎng)線于A點(diǎn),則A點(diǎn)為該平面法線的赤面投影,也稱其為平面的極點(diǎn)。 由于平面法線傾向與平面傾向相反,相差180,平面法線的傾角與平面的傾角之和等于90,因此也可根據(jù)平面法線產(chǎn)狀與平面產(chǎn)狀間的這種關(guān)系,首先計(jì)算法線的產(chǎn)狀為28550,然后再按例2方法繪制法線的赤平投影。 4.相交兩條直線所構(gòu)成平面的產(chǎn)狀 例4:已知兩直線18020和9032.3相交,用赤平投影法求解這兩條直線所構(gòu)成平面的產(chǎn)狀(如圖十(a)、(b)。 (1)為很好地利用CAD制圖解決這個(gè)
15、問(wèn)題,引入兩條直線傾角與平面傾角間的關(guān)系式: tan2sin2=tan21+tan2-2tan1tan2cos (公式二)式中兩條相交直線所構(gòu)成平面的傾角();1、2分別為兩條直線的傾伏角();兩條直線傾向夾角()。用公式二計(jì)算兩條直線所構(gòu)成平面的傾角為=36.13。 (2)確定投影大圓弧的圓心O,點(diǎn)O應(yīng)在線段CF的垂直平分線上。要確定點(diǎn)O的位置,需要用下列公式計(jì)算平面的赤平投影大圓弧的半徑 。計(jì)算出赤平投影大圓弧的半徑 后,再以點(diǎn)C或者點(diǎn)F為圓心畫圓,與線段CF的垂直平分線相交于點(diǎn)O。(公式三)式中R赤平投影大圓弧的半徑;R基圓的半徑。 (3)確定平面的走向AB:以O(shè)為圓心,以 為半徑畫圓,
16、與基圓相交于兩點(diǎn)A、B,則AB即為所求平面的走向,為30。由此算出該平面的傾向?yàn)?20。因此所求平面產(chǎn)狀為12036。此外,兩條直線所構(gòu)所平面的傾向,也可由下式計(jì)算確定:(公式四)式中平面傾向與直線1傾向之差;其余符號(hào)意義同公式二。 5相交兩條直線的夾角及其角平分線 例5:用赤平投影法求解例4兩條直線的夾角及其角平分線(圖十(c)。 (1)按例4作法,確定兩條直線所構(gòu)成平面的赤平投影,即大圓弧AFCB,其產(chǎn)狀約為12036。 (2)量取大圓弧上C與F間的角距為54,即相交兩條直線的夾角為54。該圓弧CF段的角距平分點(diǎn)G(27)就是相交兩條直線夾角平分線的赤平投影,由此可以確定兩條相交直線夾角平
17、分線的產(chǎn)狀為139.6734.51。除上述作圖法外,還可用下式計(jì)算兩條相交直線的夾角:(公式五)式中兩條相交直線的夾角();其余符號(hào)的意義同前。 6.平面上一直線的傾伏和側(cè)伏(如圖十一) 例6:已知平面產(chǎn)狀180 ( 36),平面上一條直線AC的側(cè)伏向E、側(cè)伏角( =44,是指該平面走向線與該直線所夾的銳角),用赤平投影法求解該直線的傾伏向和傾伏角。 (1)按例1做法,繪制平面的赤平投影大圓弧EDW。 (2)以EW為南北向徑線(假定),作半徑角距等于( =44)的緯向小圓弧GDK(應(yīng)為兩條,另一條未畫出),與平面的赤平投影大圓弧EDW相交于C點(diǎn)。連接點(diǎn)O與點(diǎn)C,并延長(zhǎng),與基圓相交于C點(diǎn)。 (3
18、)點(diǎn)C即所求直線的赤平投影。圖上量得線段OC的長(zhǎng)度,然后用公式一求得直線的傾伏角24.71。 (4)點(diǎn)C對(duì)應(yīng)的角度為127.64,即為所求直線的傾伏向。因此該直線的產(chǎn)狀為127.6424.71。平面上一條直線的傾伏或側(cè)伏,可以相互換算,除采用上面的CAD制圖方法外,也可用下列公式計(jì)算:(公式六)(公式七)式中平面傾角();平面上直線的側(cè)伏角();直線的傾伏角();平面傾向與直線傾向之差()。 7.兩個(gè)平面交線的產(chǎn)狀(如圖十二(a) 例7:已知兩個(gè)平面7040和29030,用赤平投影法求解這兩個(gè)平面交線產(chǎn)狀。 (1)按例1做法,分別繪制出兩個(gè)平面的赤面投影大圓弧APB和CPD,兩條大圓弧相交于P
19、點(diǎn),該點(diǎn)即為兩個(gè)平面交線的赤平投影。 (2)連結(jié)OP,并量得OP的長(zhǎng)度。然后用公式一求得交線的傾伏角為=13.14;OP所在徑線方向即為交線的傾伏向,量得交線的傾伏向?yàn)?65.15。即兩個(gè)平面交線產(chǎn)狀為365.1513.14。 8兩個(gè)平面的夾角及其夾角的等分面(如圖十二(b) 例8:已知條件同例7,用赤平投影法求解兩個(gè)平面的夾角及其夾角的等分面。 (1)繪制兩個(gè)平面的公垂面,由于以點(diǎn)P為投影的直線就是公垂面的法線,因此公垂面的產(chǎn)狀為176.1576.86,按例1做法繪制公垂面的赤平投影大圓弧FIHG,與兩個(gè)已知平面的赤平投影大圓弧分別相交于點(diǎn)H、點(diǎn)I。這兩點(diǎn)所代表的直線產(chǎn)狀分為:直線H為96.
20、2736.96;直線I為259.4826.44。 (2)點(diǎn)H、點(diǎn)I所代表的兩條直線的夾角就是兩個(gè)平面的夾角,可根據(jù)兩條直線的產(chǎn)狀,由公式五計(jì)算求得,結(jié)果為114.66。也可先用公式六分別求出兩條直線在公垂面上的側(cè)伏角,分別為:直線H的側(cè)伏角為38.128;直線I的側(cè)伏角為27.209。 則兩條直線的夾角為180(38.12827.209)114.66。 (3)公垂面的投影大圓弧上點(diǎn)H、點(diǎn)I間弧段的中點(diǎn)K在兩個(gè)平面的等分面的投影大圓弧上,投影點(diǎn)K的直線產(chǎn)狀204.7475.11。點(diǎn)P也在等分面的投影大圓弧上,其產(chǎn)狀也已求得(例7)。已知投影大圓弧上的兩個(gè)點(diǎn),就可按例4做法計(jì)算出等分平面的傾角和其
21、赤平投影大圓弧的半徑,并繪制出經(jīng)過(guò)這兩點(diǎn)的大圓弧QKM。該大圓弧對(duì)應(yīng)的平面即為已知兩個(gè)平面夾角的等分面,其產(chǎn)狀為267.7683.12。 9.一條直線與一個(gè)平面的夾角(如圖十三) 例9:一平面產(chǎn)狀12050,一直線產(chǎn)狀32020,用赤平投影法求解直線與平面的夾角。 (1)按例1做法繪制已知平面的赤平投影大圓弧ADB。 (2)按例2做法繪制已知直線的赤平投影,即投影點(diǎn)C。 (3)按例3做法繪制已知平面法線的投影極點(diǎn)P。 (4)按例4做法繪制經(jīng)過(guò)點(diǎn)C、P的大圓弧CPD,其所代表的平面與已知平面垂直,其產(chǎn)狀為244.0656.28。 用公式六分別求出直線C和直線P在平面CPD上的側(cè)伏角,直線C的側(cè)伏
22、角為24.280,直線P的側(cè)伏角為50.606,也就是平面法線與已知直線的夾角為50.60624.28026.33,因此已知直線與平面的夾角為90.0026.3363.67。四、用赤平投影求解邊坡穩(wěn)定問(wèn)題 在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算中,赤平投影可用來(lái)初步判定邊坡穩(wěn)定性,求解邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算所需的幾何參數(shù)。 (一)邊坡穩(wěn)定性初步判別 圖十四所示的邊坡楔體,假定只有摩擦力抵抗滑動(dòng),且兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的摩擦角相同,且都等于,則楔體可能滑動(dòng)的條件是兩個(gè)結(jié)構(gòu)面交線的赤平投影,即它的投影點(diǎn)應(yīng)落在坡面大圓弧與摩擦圓所圍成的范圍內(nèi)(圖十四(b)中陰影部分),即(其中 為在正交交線視圖上的坡面傾角; 為結(jié)構(gòu)面交線傾
23、角;為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角)。據(jù)此可以迅速判別楔體是否會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。 (二)求解邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算所需的幾何參數(shù) 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算所需的幾何參數(shù)包括平面和直線的產(chǎn)狀,以及平面與平面、直線與直線、直線與平面夾角等。除平面和直線的產(chǎn)狀可現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)外(平面和平面交線、平面法線也可用赤平投影法求解),其余幾何參數(shù)都可用赤平投影法求解。前面已經(jīng)介紹過(guò)這些幾何參數(shù)的赤平投影求解方法,下面舉例說(shuō)明赤平投影在邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算中的具體應(yīng)用。如圖十五所示的邊坡楔體,坡面、坡頂面、結(jié)構(gòu)面A和B等產(chǎn)狀及其它技術(shù)參數(shù)如表1。 計(jì)算楔體穩(wěn)定系數(shù)之前,首先應(yīng)繪制四個(gè)平面的赤平投影大圓弧以及兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的法線投影極點(diǎn)(如圖十六),并求得各交線及法線的產(chǎn)狀如下:法線PA:28545;法線PB:5520;交線1:121.5543.79;交線2:195.1
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