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ÍNDICES FÍSICOS DOS SOLOS CUSC-ES 2017/01 Índices Físicos, Relações Volumétricas e Gravimétricas nos Solos Índices Físicos dos Solos Para estimativa de todos os índices físicos de um determinado solo normalmente efetuam-se as seguintes determinações: • Umidade (w) • Peso específico do solo (γ) • Peso específico das partículas sólidas (γs) Índices Físicos dos Solos Índices Físicos dos Solos Índices Físicos dos Solos Índice de Vazios (e) Definido como a relação entre o volume de vazios e o volume das partículas sólidas, expresso em termos absolutos; sua variação é de > 0 a ∞. 𝑒 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑉𝑎𝑧𝑖𝑜𝑠 (𝑉𝑣) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑜 (𝑉𝑠) Porosidade (n) Definida como a relação entre o volume de vazios e o volume total. O intervalo de variação da porosidade está compreendido entre 0 e 1. 𝑛 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑉𝑎𝑧𝑖𝑜𝑠 (𝑉𝑣) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑉𝑡) . 100 Umidade (w) A umidade é definida como a relação entre o peso da água e o peso dos sólidos em uma porção do solo, sendo expressa em percentagem. 𝑤 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 á𝑔𝑢𝑎 (𝑃𝑤) 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜 (𝑃𝑠) . 100 Grau de Saturação (Sr) Os vazios do solo podem estar apenas parcialmente ocupados por água. A relação entre o volume de água e o volume dos vazios é definida como o grau de saturação, expresso em percentagem e com variação de 0 (solo seco) a 100% (solo saturado). 𝑆𝑟 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 Á𝑔𝑢𝑎 (𝑉𝑤) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑉𝑎𝑧𝑖𝑜𝑠(𝑉𝑣) . 100 Peso Específico do Solo (γn) Peso Específico Natural (γn) PESO ESPECÍFICO NATURAL ou PESO ESPECÍFICO DE UM SOLO é a relação entre o seu peso total e o seu volume total, incluindo-se o peso da água existente em seus vazios e o volume de vazios do solo. γ𝑛 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑃𝑡) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑉𝑡) Peso Específico do Solo ou Natural (γn) • Para sua determinação, molda-se um cilindro do solo cujas dimensões conhecidas permitem calcular o volume; o peso total dividido pelo volume é o peso específico natural. • O peso específico também pode ser determinado a partir de corpos irregulares, obtendo-se o volume por meio do peso imerso em água. Para tal, o corpo eleve ser previamente envolto por parafina. • O peso específico natural não varia muito entre os diferentes solos, situando-se entre 19 a 20 kN/m3 e, por isto, quando não conhecido, é estimado como 20 kN/m3. • Casos especiais, como as argilas orgânicas moles, podem apresentar pesos específicos ele 14 kN/m3. Peso Específico das Partículas Sólidas (γs) Peso Específico dos Grãos (γs) Peso Específico dos Sólidos (γs) • Uma característica dos sólidos e é calculado pela relação entre o peso das partículas sólidas (não considerando-se o peso da água) e pelo volume ocupado pelas partículas sólidas (sem a consideração do volume ocupado pelos vazios do solo). • É o maior valor de peso específico que um solo pode ter, já que as outras duas fases que compõe o solo são menos densas que as partículas sólidas. γ𝑠 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜 (𝑃𝑠) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑜 (𝑉𝑠) Peso Específico das Partículas Sólidas (γs) • É determinado em laboratório, sendo que existe pouca variação entre os solos, mas é necessário para cálculos de outros índices. Os valores situam-se em torno de 27 kN/m3 - sendo este valor adotado quando não se dispõe do valor específico para o solo em estudo; grãos de quartzo (areia) costumam apresentar pesos específicos de 26,5 kN/m3; argilas lateríticas, em virtude da deposição de sais de ferro, apresenta valores até 30 kN/m3. γ𝑠 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜 (𝑃𝑠) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑜 (𝑉𝑠) Peso Específico da Água (𝛾𝑤) A umidade é definida como a relação entre o peso da água e o peso dos sólidos em uma porção do solo, sendo expressa em percentagem. 𝛾𝑤 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 á𝑔𝑢𝑎 (𝑃𝑤) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 á𝑔𝑢𝑎 (𝑉𝑤) Peso Específico do Solo Seco (γd) Corresponde a um caso particular do peso específico do solo (Sr = 0): • Unidade em (kN/m³); • Varia de 13 a 19 kN/m³; • Exceção argilas moles com 4 kN/m³. 𝛾𝑑 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜(𝑃𝑠) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑉𝑡) Peso Específico do Solo Saturado (γsat) Peso específico do solo quando todos os seus vazios estão ocupados pela água; numericamente dado pelo peso das partículas sólidas dividido pelo volume total do solo. 𝛾𝑠𝑎𝑡 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜(𝑃𝑠𝑎𝑡) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑉𝑡) Peso Específico do Solo Submerso (γsub) Considera-se a existência do empuxo de água no solo; o peso específico do solo submerso será equivalente ao peso específico do solo menos o peso específico da água. 𝛾𝑠𝑢𝑏 = 𝛾𝑠𝑎𝑡 − 𝛾𝑤 Resumos dos Índices Físicos ÍNDICE DE VAZIOS (e): • adimensional; • varia de 0,5 a 1,5; • argila orgânica (e > 3); • não é obtido, mas sim calculado; • não pode ser zero. POROSIDADE (n): • unidade em (%); • varia de 30 a 70%; • não pode ser 0 nem maior que 100%. 𝑒 = 𝑉𝑣 𝑉𝑠 𝑛 = 𝑉𝑣 𝑉𝑡 . 100 Resumos dos Índices Físicos GRAU DE SATURAÇÃO (S ou Sr): • unidade em (%); • varia de 0 a 100%. PESO ESPECÍFICO DOS GRÃOS OU SÓLIDOS (γS): • unidade em (kN/m³); • varia de 24 a 30 kN/m³. PESO ESPECÍFICO DA ÁGUA (γw): • unidade em (kN/m³); • função da temperatura; • valor adotado de 10 kN/m³. γ𝑠 = 𝑃𝑠 𝑉𝑠 𝑆𝑟 = 𝑉𝑤 𝑉𝑣 . 100 𝛾𝑤 = 𝑃𝑤 𝑉𝑤 Resumos dos Índices Físicos PESO ESPECÍFICO NATURAL (γn): • unidade em (kN/m³); • varia de 17 a 21 kN/m³; • exceção argilas moles com 14 kN/m³. PESO ESPECÍFICO APARENTE SECO (γd): • unidade em (kN/m³); • varia de 13 a 19 kN/m³; • exceção argilas moles com 4 kN/m³. PESO ESPECÍFICO SATURADO (γsat): • unidade em (kN/m³); • da ordem de 20 kN/m³. 𝛾𝑠𝑎𝑡 = 𝑃𝑠𝑎𝑡 𝑉𝑡 𝛾𝑑 = 𝑃𝑠 𝑉𝑡 γ𝑛 = 𝑃𝑡 𝑉𝑡 Resumos dos Índices Físicos PESO ESPECÍFICO SUBMERSO (γsub): • unidade em (kN/m³); • cálculos de tensões efetivas; • da ordem de 10 kN/m³. TEOR DE UMIDADE (w): • dependem do tipo de solo; • dado em %; • variam de 10 a 40%; • com exceções de solos muito secos e úmidos. 𝛾𝑠𝑢𝑏 = 𝛾𝑠𝑎𝑡 − 𝛾𝑤 𝑤 = 𝑃𝑤 𝑃𝑠 . 100 Cálculo dos Índices de Estado Em laboratório: • umidade, • peso específico das partículas sólidas • peso específico natural; Dividindo os volumes de água, ar e sólidos, por um determinado fator, conservado constante para todas as fases, de modo que o volume de sólidos se torne unitário, e utilizando-se as relações entre volumes e entre pesos e volumes, definidas anteriormente, temos: Cálculo dos Índices de Estado • Da mesma forma fazendo o volume total unitário teremos: Cálculo dos Índices de Estado • Com estes esquemas as correlações são facilmente obtidas, sendo que algumas delas resultam diretamente da definição dos índices: 𝑛 = 𝑒 1 + 𝑒 𝑦 = 𝑦𝑠(1 + 𝑤) 1 + 𝑒 𝑦𝑑 = 𝑦𝑠 1 + 𝑒 𝑦𝑠𝑎𝑡 = 𝑦𝑠+𝑒.𝑦𝑤 1 + 𝑒 Cálculo dos Índices de Estado • A sequência natural dos cálculos, a partir de valores determinados em laboratório ou estimados seria: 𝑦𝑑 = 𝑦𝑛 1 + 𝑤 𝑒 = 𝑦𝑠 𝑦𝑑 − 1 𝑠 = 𝑦𝑠. 𝑤 𝑒. 𝑦𝑤 Fórmulas de Correlação para os Índices Físicos Equações em Massa Específica (ρ) Valores Típicos Valores Típicos TENSÕES NOS SOLOS CUSC – ES 2017/01 Tensões nos Solos Considera-se para os solos que as forças são transmitidas de partículas para partículas e algumas suportadas pela água dos vazios. • Essa transmissão depende do tipo de mineral → partículas maiores: A transmissão das forças são através do contato direto de mineral a mineral →partículas de mineral argila (número grande): As forças em cada contato são pequenas e a transmissãopode ocorrer através da água quimicamente adsorvida. 2 Tensões no Solo Tensão total em um meio contínuo: Forças transmitidas à placa; que podem ser normais e tangenciais. Por uma simplicidade sua ação é substituída pelo conceito de tensões. 3 Tensões Geostáticas Tensões na massa de solo: • Tensões devido ao peso próprio; • Tensões devido a propagação de cargas externas aplicadas ao terreno. Tensões devido ao peso próprio do solo • Superfície do terreno horizontal, aceita-se, que a tensão atuante a uma certa profundidade seja normal ao plano; • Não há tensão cisalhante nesse plano. 4 hnv . Tensões Geostáticas Tensões na massa de solo: • Tensões devido ao peso próprio; • Tensões devido a propagação de cargas externas aplicadas ao terreno. 5 z z = .z z z h z z = .z + w.zw zw Nível d’água z h z q z = .z + q 6 Se o solo acima do ponto “A” for estratificado, isto é, composto de “n” camadas, o valor de é dado pelo somatório de , onde “i” varia de 1 a n. Tensões Geostáticas n i iziv 1 0 )().( Tensões Geostáticas 7 Exemplo de Cálculo: h. Σ (efeito das camadas) Tensões Geostáticas 8 Calcule a tensão total: h. 𝜎 = 𝛾. ℎ 𝜎 = 15.4 = 60 𝑘𝑁 𝑚2 𝜎 = 19.3 = 57 𝑘𝑁 𝑚2 𝜎 = 17.8 = 136 𝑘𝑁 𝑚2 𝜎 = 253 𝑘𝑁 𝑚2 Tensões Geostáticas Pressão neutra (ou poropressão) – u ou uw • Corresponde a carga piezométrica da Lei de Bernoullli; • Independe dos vazios do solo; • F (profundidade em relação ao N.A.). zw=altura da coluna d’água. 9 ww zu . Tensão Normal Total (soma de duas parcelas): (1) A tensão transmitida pelos contatos entre as partículas, denominada tensão efetiva (σ’) (2) A pressão da água, denominada de pressão neutra ou poropressão. u ' Tensão total Poropressão 10 Tensões Geostáticas Terzaghi estabeleceu o Princípio da Tensões Efetivas: • A tensão efetiva, para os solos saturados, pode ser expressa por: • Todos os efeitos mensuráveis resultantes de variações de tensões nos solos, como compressão e resistência ao cisalhamento são devidos a variações de tensões efetivas. 11 u ' Tensão total Poropressão 12 A variação da tensão efetiva é responsável pela compressão, distorção e mudanças na resistência ao cisalhamento do solo. Tensões Geostáticas Tensões Geostáticas Terzaghi estabeleceu o Princípio das Tensões Efetivas: “Se a tensão total num plano aumentar, sem que a pressão da água aumente, as forças transmitidas pelas partículas nos seus contatos se alteram, as posições relativas dos grãos mudam” O aumento de tensão foi efetivo! 13 Nos solos as deformações correspondem a variações de forma ou de volume do conjunto, resultantes do deslocamento relativo de partículas. Tensões Geostáticas Exemplo de Cálculo: 14 u ' Tensões Geostáticas Cálculo das tensões efetivas com o peso específico aparente submerso. • No exemplo anterior o acréscimo de tensão efetiva da cota -3 m até à -7 m é o resultado do acréscimo da tensão total, menos o acréscimo da poropressão. ∆σ = ∆z . γn= 16 x 4 = 64 kPa ∆u= ∆z . γw= 10 x 4 = 40 kPa ∆σ’= ∆σ - ∆u = 64 – 40 = 24 kPa Esse acréscimo pode ser calculado por meio do peso específico submerso que leva em conta o empuxo da água: ∆σ’= ∆z . γsub = 4x(16-10) = 24 kPa 15 wnatsub 16 Distribuição de Tensões no Solo 17 As tensões induzidas em uma massa de solo, decorrente de carregamentos superficiais, dependem fundamentalmente da posição do ponto considerado no interior do terreno em relação à área de carregamento. Embora as perturbações no estado de tensão inicial de um maciço de solo, provocadas por um determinado carregamento, se propaguem indefinidamente, a intensidade destas perturbações é limitada a uma determinada região. Distribuição de Tensões no Solo 18 Distribuição de Tensões no Solo 19 Distribuição de Tensões no Solo 20 Estimativa baseada na hipótese de que as tensões em certa profundidade se espraiam segundo áreas crescentes, se mantendo uniformemente distribuídas. TENSÕES DE ESPRAIAMENTO HIPÓTESE SIMPLES 21 22 TENSÕES DE ESPRAIAMENTO HIPÓTESE SIMPLES 23 TENSÕES DE ESPRAIAMENTO 24 TENSÕES DE ESPRAIAMENTO HIPÓTESE SIMPLES Compactação dos Solos Prof. : Lima D Martins CUSC - ES 2 Compactação dos solos Introdução Processo manual ou mecânico que visa reduzir o volume de seus vazios e, assim, aumentar sua resistência, tornando-o mais estável. Compactação dos solos Processo manual ou mecânico; Em laboratório ou em campo. 3 Solo Água Ar Solo Água Ar Antes da Compactação Após a Compactação Ar r AR AR Água Água A compactação de um solo é sua densificação por meio de equipamentos. Melhorando seu comportamento mecânico e hidráulico. Compactação dos solos Objetivo: • Reduzir o volume de vazios; • Aumentar o contato entre os grãos; • Gerar material mais homogêneo; • Aumentar a resistência; • Reduzir a permeabilidade; • Reduzir a compressibilidade. 4 5 Compactação dos solos Curvas de Compactação: O aumento do peso específico de um solo depende da energia dispendida e do teor de umidade do solo. Quando se realiza a compactação de um solo, sob diferentes condições de umidade e para uma determinada energia de compactação, a curva de variação dos pesos específicos g, em função da umidade h; Compactação dos solos Fatores que influenciam: • Tipos de solos; Distribuição granulométrica, forma dos grãos, peso específico do grãos e quantidade e o tipo dos minerais argila. 6 Solos argilosos: wot = 25 a 30% gdmax= 14 a 15 kN/m³ Solos siltosos: valores baixos para gdmax Areias com pedregulho bem graduada: Wot= 9 a 10% e gdmax =20 a 21 kN/m³ Solos Lateríticos ramo ascendente íngreme Compactação dos solos Fatores que influenciam: • Energia aplicada; À medida que o esforço de compactação aumenta, o peso específico seco máximo aumenta e o teor de umidade apresenta certa redução. 7 V NNHM EC cg ... M = massa do soquete; H = altura de queda do soquete; Ng = número de golpes por camadas; Nc = número de camadas; V = volume. ótd wE ,; g 8 Compactação dos solos O ensaio Proctor Normal utiliza o cilindro de 10 cm de diâmetro, altura de 12,73 cm e volume de 944 cm3 é submetida a 26 golpes de um soquete com massa de 2,5 kg e caindo de 30,48 cm. Corresponde ao efeito de compactação com os equipamentos convencionais de campo. V NNHM EC cg ... M = massa do soquete; H = altura de queda do soquete; Ng = número de golpes por camadas; Nc = número de camadas; V = volume. Compactação dos solos Fatores que influenciam: • Teor de umidade; -Baixos teores de umidade (w < wot ) a atração face-aresta não é vencida pela energia aplicada Estrutura floculada. -Elevados teores de Umidade (w > wot ) Aumenta a repulsão, e a compactação as orienta, ficando paralelas, Resultando na Estrutura dispersa. -Excesso de água - ar ocluso e água absorve os impactos → má compactação. 9 Compactação dos solos Estrutura do solo compactado: No ramo seco: - Maior atrito entre as partículas; - Estrutura mais floculada (melhor compactação com o aumento da energia); No ramo úmido: -Estrutura mais dispersa (aumento da energia pouco interfere na compactação) -Com aumento da umidade as forças de atração são desfeitas e os grãos começam a aturar como partículasdispersas em água - Fenômeno Borrachudo o solo se comprime, mas logo dilata (o que se comprime são as bolhas de ar. 10 Compactação dos solos CURVA DE COMPACTAÇÃO: NBR-7182 11 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 16 1718 19 2021 22 23 2425 26 2728 29 w (%) g d ( k N / m3 ) wót gdmáx w V P d 1 g g g Compactação dos solos CURVA DE SATURAÇÃO: lugar geométrico dos valores de w e gd onde o solo está saturado. 12 G e o te c n ia I wS S sw ws d .. .. gg gg g 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 16 18 20 22 24 26 28 30 w (%) d ( k N / m3 ) S=100%S=90%S=80% g Compactação dos solos 13 Exemplo 1: Com os dados apresentados a seguir, trace a curva de compactação e a curva de saturação 100% para o solo. Dados: gs = 2,45 g/cm3 Cilindro 1 2 3 4 5 Solo+cáps. +água(g) 49,7 52,6 53,4 70,0 67,1 Cáps. + solo(g) 47,0 49,4 49,4 63,0 59,9 Cápsula (g) 13,9 16,7 15,0 12,7 15,4 Cilindro 1 2 3 4 5 Massa (g) 2409 2409 2409 2268 2268 Volume (cm3) 1003,82 1003,82 1003,82 994,25 994,25 Massa+Solo+Água(g) 4220 4306 4455 4292 4278 Compactação dos solos 14 Exemplo 1: Yd Yd Yd Yd Compactação dos solos 15 Exemplo 1: Resposta Teor de Umidade (%) Y d ( g /c m ³) Compactação dos solos Compactação no campo Os quatros tipos mais comuns de rolo compactador são: -Rolo compactador liso 16 Adequados para provas de carga de subleitos de estradas e para operação de acabamento de aterros com solos arenosos ou argilosos em camadas menos espessas. 17 Compactação dos solos Rolo compactador liso: tem a vantagem de que a superfície de contato com o solo é pequena e, portanto, a compressão atinge pequenas profundidades. • Nos solos moles afundam demasiadamente, o que dificulta a tração; • São indicados somente para a compactação de pedregulhos, areias, pedra britada, lançadas em camadas de não mais de 15 cm. Compactação dos solos Compactação no campo Os quatros tipos mais comuns de rolo compactador são: -Rolo compactador de pneus de borracha 18 G e o te c n ia I São melhores que os rolos lisos porque são pesados, com vários pneus separados por um espaçamento pequeno – quatro a seis pneus em um eixo. Utilizado em solos arenosos ou argilosos. 19 Compactação dos solos Rolo compactador pneumático ou pneus de borracha: caracterizado pela pressão de área de contato com o solo, as quais dependem da pressão de enchimento dos pneus e do peso do compressor. • É indicado para solos de granulação fina arenosa. • Tem o inconveniente de deixar superfícies lisas entre as camadas. • Então será necessário escarificar a superfície de contato entre as mesmas. Compactação dos solos Compactação no campo Os quatros tipos mais comuns de rolo compactador são: -Rolo compactador pé de carneiro 20 Tem maior eficiência na compactação de solos argilosos, por penetrar nas camadas nas primeiras passadas. 21 Compactação dos solos Rolo compactador pé de carneiro: principal vantagem é o entrosamento perfeito entre as camadas compactadas e o pisoteamento do solo de cada camada resultando numa entrosagem de torrões de solo. Compactação dos solos Compactação no campo Os quatros tipos mais comuns de rolo compactador são: -Rolo compactador vibratório 22 São de alta eficiência na compactação de solos granulares. Dispositivos vibratórios podem ser montados em rolos lisos, de pneu de borracha ou pé de carneiro para aplicação de efeito vibratório no solo. 23 Compactação dos solos Rolo compactador pé de carneiro: ótimos para compactar areias (os pé-de-carneiro ou pneumático não são eficientes). Camadas de 15 cm. Compactação dos solos Compactação no campo -Compactador de solo à percussão (Sapo) 24 G e o te c n ia I Utilizados em locais específicos e de difícil acesso; Manuais ou mecânicos. 25 Compactação dos solos Pé-de-Carneiro: camada compactada possui geralmente 15 cm, com número de passadas variando entre 4 e 6 para solos finos e de 6 e 8 para solos grossos. Rolo Liso: compacta bem camadas finas de 5 a 15 cm com 4 a 5 passadas. Os rolos lisos possuem pesos de 1 a 20 ton. Compactação dos solos Controle da compactação As especificações não fixam intervalos de umidade e de densidade seca, mas deve-se obter: - wcampo = wot ± 1 % ou 2% wot - G.C mínimo de 95% Determinação do γdcampo Para verificação do γdcampo tem-se: -O método nuclear -O método do frasco de areia -O método do balão de borracha 26 100.. .olaboratóri dcampo CG g g 27 Grau de compactação: Gc = [gs(campo)/gs,max(lab)] 100 Não atingida a compactação desejada, revolve e recompacta. Razão de compactação (não normalizado): CR(%) = [(gs - gs,min)/( gs,max - gs,min)] 100 Grau de empolamento = (gs,max/gs,nat) Deve-se realizar um grande número de ensaios e depois analisá-los estatisticamente. Compactação dos solos Compactação dos solos Controle da compactação -O método do frasco de areia P1 = P(areia + frasco + cone) P2 = Psolo furo úmido w = umidade do solo no furo P3 = Psolo furo seco P4 = Prestante (areia + frasco + cone) P5 = Pareia (furo + cone) V = volume do furo escavado P6 = P areia no cone 28 w P P 1 2 3 415 PPP dareia PP V g 65 V P dcampo 3g Compactação dos solos Determinação do wcampo Na obra, é fixada uma faixa de variação da umidade permitida em torno da ótima (geralmente, wot + x%); Métodos para determinação da umidade: -Amostra hermeticamente fechadas (laboratório); -Método da frigideira; -Speedy. 29
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