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节理裂隙发育岩溶地基数值模拟稳定性分析

刘自强 马洪生 牟云娟

刘自强,马洪生,牟云娟.节理裂隙发育岩溶地基数值模拟稳定性分析[J].中国岩溶,2022,41(1):100-110. doi: 10.11932/karst20220105
引用本文: 刘自强,马洪生,牟云娟.节理裂隙发育岩溶地基数值模拟稳定性分析[J].中国岩溶,2022,41(1):100-110. doi: 10.11932/karst20220105
LIU Ziqiang,MA Hongsheng,MOU Yunjuan.Numerical simulation analysis and evaluation of stability of the karst foundation with developed joints and fissures[J].Carsologica Sinica,2022,41(01):100-110. doi: 10.11932/karst20220105
Citation: LIU Ziqiang,MA Hongsheng,MOU Yunjuan.Numerical simulation analysis and evaluation of stability of the karst foundation with developed joints and fissures[J].Carsologica Sinica,2022,41(01):100-110. doi: 10.11932/karst20220105

节理裂隙发育岩溶地基数值模拟稳定性分析

doi: 10.11932/karst20220105
详细信息
    作者简介:

    刘自强(1977-),男,高级工程师,硕士,主要从事地质灾害调查及治理、公路岩土工程勘察设计工作。E-mail:2316731567@qq.com

  • 中图分类号: P642.25

Numerical simulation analysis and evaluation of stability of the karst foundation with developed joints and fissures

  • 摘要: 岩溶一直是困扰工程建设的大问题,对工程地基稳定性有着重大影响。为了有效获取节理裂隙发育溶洞地基稳定性相关参数,本文以西南某机场节理裂隙发育溶洞地基为研究对象,结合现场勘查,定性分析岩溶影响因素及发育规律,通过ABAQUS非线性有限元数值模拟计算和定量分析,探讨外荷载下节理裂隙对岩溶地基的影响,评价岩溶地基稳定性状况。分析结果表明:溶洞塑性破坏主要发生在溶洞两侧和节理裂隙处拉应力较大的部位,溶洞顶板厚度大于5 m时是稳定的。数值模拟结论和定性分析结果具有很好的一致性,为后续溶洞地基处理设计提供有力数据支撑。

     

  • 岩溶作为一种特殊的地质现象,广泛引起人们的关注和科学研究。它是在以碳酸盐类为主的可溶性岩石分布区,由于地下水对岩石以溶蚀为主的作用所形成的诸多现象的综合1

    从不同角度进行不完全统计全球已有16个国家存在严重的岩溶塌陷问题,我国岩溶分布面积达363×104 km2,塌陷坑已超过3万多个,主要分布在广西、贵州、云南、湖北、四川等地2。近年国内对于岩溶研究主要从地基、顶板稳定性、形成原因及治理措施等方面进行理论和数值模拟研究。

    国内外岩溶塌陷分布广泛,苏联最早开始相关研究,1933年苏联舍维亚科夫院士发起召开的第一届全苏Karst会议,标志着岩溶问题相关研究的开端。1973年在德国汉诺威首次举行“岩溶塌陷与沉陷—与可溶岩有关的工程地质问题”国际讨论会。1983年美国佛罗里达州成立了岩溶塌陷研究所。1984年、1987年、1989年曾经三次在佛罗里达州的奥兰多举行岩溶与岩溶塌陷对工程与环境的影响国际学术讨论会,随着环境岩土工程和地质灾害研究的迅速发展,岩溶问题研究在20世纪末也得到了长足发展3

    20世纪80年代,我国地质研究所先后开展了“中国南方、北方以及长江流域岩溶塌陷研究”等项目。我国对岩溶塌陷形成机理、预测评价、综合整治等方面的研究涉及到多种学科和多种方法,并取得一定成果。王建秀等对几条铁路岩溶塌陷成因机理进行分析;陈星、黄润秋等以土体强度理论基础,建立了评价岩溶空腔上覆松散沉积物的稳定性力学平衡模型;胡亚波等将岩溶地面塌陷坑的发育形态与其形成机理相结合,借助室内大型物理模型试验研究和FLAC3D数值模拟研究结果,综合提出了一种复合型岩溶地面塌陷的形成机理;陈学军、雷明堂、石建省等运用GIS的空间数据管理、分析处理和建模技术,对潜在塌陷危险性进行了评价4。在岩溶新近研究又有新的进展,如:①袁道先院士团队的岩溶基础理论研究;②古岩溶地质环境等研究5

    关于岩溶区基础稳定性研究,无论是机场、铁路还是公路部门目前还没有较为深入的专题研究。岩溶地基稳定性分析及评价方法一直沿用传统的工程地质定性分析方法、定量和半定量分析方法等6-8。近30年来,数值分析方法作为一种岩土力学分析工具和手段,已被学术界和工程界广泛接受,越来越多地应用于岩土体稳定性、岩土工程设计和岩土工程基本问题分析中。刘怀恒9、周维垣10、王泳嘉与冯夏庭11、李宁等12、栾茂田等13对岩土力学数值分析方法与最新进展进行了系统综述。

    由于岩溶地基稳定性具有特殊性,虽然做了大量研究,但受多方因素影响,要准确研究清楚岩溶地基稳定性还需做大量深入的工作。随着西部大量工程兴建于岩溶地区,岩溶地基稳定问题日益凸显。若岩溶基础处治不好,将造成工程建设出现大量事故,影响和危及生产及生命财产安全。因此,针对外荷载下运用节理裂隙发育岩溶地基进行数值模拟计算分析对泸沽湖机场岩溶地基带来的岩土问题进行深入研究具有实际意义,以期得出指导性结论更好的为机场工程建设服务。

    研究区域地形总体平坦,呈北东—南西方向展布,坡度约10°(图1)。但研究区北东及南西段相对较陡,为剥蚀溶蚀中—深丘地貌亚区,沟谷发育,地表水排泄通畅,岩溶发育相对较弱。

    图  1  场区三维地形地貌图
    Figure  1.  Three-dimensional topography map of the field area

    研究区外围处于北特提斯构造区域,具有独特而复杂的地壳及岩石圈构造,造就了雄伟的地势。研究区处于新村断层和元宝山断层夹持的透镜状岩(块)片中,内部结构相对简单,发育北东向宽缓背斜,背斜轴向约50°~60°,两翼产状比较平缓,约为18°~25°。在背斜两侧,伴生发育日古鲁向斜(NW)、黄腊老向斜(SE),向斜两翼产状比较陡,约在30°~45°,且相对紧闭,与场址区背斜共同组合成背斜宽缓,向斜紧闭的隔槽式褶皱构造样式14。研究区地层结构比较简单,从上至下依次为第四系耕植土层(Qpd)、冲洪积层(Qa1+pl)、坡残积层(Qd1+el)和二叠系中统阳新组(P2y)碳酸盐岩地层(图2)。

    图  2  场区地层剖面示意图
    Figure  2.  Stratigraphic section of the field area

    研究区岩溶以微地貌为主,主要发育岩溶漏斗、溶槽、溶沟、洼地等,具体表现为落水洞、塌陷、土洞和地下溶洞(图3)。通过勘察统计:漏斗73个、落水洞43个、塌陷23个、土洞8个、地下溶洞275个以及大量地表溶沟、溶槽及溶蚀石芽等。

    图  3  研究区不同岩溶类型分布图
    Figure  3.  Distribution of funnel, fall-water hole, collapse, earth hole and stone bud in the field area

    整个场区岩溶分布情况不一(图4,岩溶发育与地貌、构造、岩性、水系密切相关,其形成机理分析如下:

    图  4  场区岩溶地质分区图
    Figure  4.  Karst geologic zoning map of the field area

    根据地貌上分析,场区发育溶蚀地貌单元影响和控制岩溶的发育。研究区共发育有两组平面(初始)共轭节理和剖面共轭节理,表现为共轭“X”剪节理和横张追踪节理和纵张追踪节理。根据构造分析,岩溶的发育和空间展布主要受发育的二叠系中统阳新组碳酸盐岩可溶性地层的展布和产状以及岩层节理构造控制。

    综上所述,研究区网格状排列和沿背斜轴向集中发育的(几何)展布规律,主要受节理裂隙构造控制;发育的“线状”裂隙型溶洞主要受追踪纵张节理控制;发育的如漏斗、落水洞形态的“点状”岩溶主要受平面共轭节理控制(图5)。

    图  5  场区四组节理立体示意图
    Figure  5.  Three-dimensional diagram of four joints in the field area

    受力小孔弹性体,孔边局部存在应力集中,其最大应力远大于距孔远处的应力,也大于弹性体无孔时的应力。据圣维南原理可知,孔边局部应力集中影响将在远离小孔地方消失。在几倍孔径外,应力集中不受影响,大小和分布与无孔时相同。陈春霞从工程角度分析得出,5倍圆孔半径为圆孔周边的应力集中的影响半径。因此,带孔弹性体在5倍孔径内产生应力集中影响,其余范围不予考虑,按弹性体计算应力。对于判断溶洞围岩稳定性,主要是找到溶洞周边极值点处的应力大小与岩体强度进行对比,从而判定其是否稳定。由以上研究可知,在溶洞周边水平轴左右端及竖直轴上下顶点,产生最大拉应力和最大压应力。其他部位的应力呈逐渐过度状态,介于上述两个极值之间,可见判断溶洞稳定性的关键是水平轴左右端及竖直轴上下顶点。

    ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题,使用方便,计算精度高,在岩土工程中的应用广泛。其特长是计算各种不同材料、复杂荷载过程以及变化接触条件的非线性组合问题,具有强大的后处理功能,为计算结果描述和解释提供的选择范围很广16-21

    对于弹性模型工程实测参数和摩尔—库仑弹塑性模型特性参数在实际操作时有差异。本文溶洞弹性模型所需工程实测参数仅需:密度(ρ)、弹模(E)、泊松比(ν);而对于摩尔—库仑弹塑性模型特性参数为:密度(ρ)、弹模(E)、泊松比(ν)、粘聚力(c)、摩擦角(φ))、剪胀角(ψ))、抗拉强度(σt)。模型岩土体物理力学参数(表1)。

    表  1  岩土体物理力学参数
    Table  1.  Physical and mechanical parameters of rock and soil
    岩土体名称弹性模量/GPa泊松比密度/kNm-3内聚力/MPa内摩擦角/°剪胀角/°抗拉强度/MPa
    填筑(土石)0.067 50.252 1600.418.2
    灰岩(破碎)18.200.282 6204.240.510.00.072
    灰岩(完整)30.250.202 6504.942.210.01.831
    水泥混凝土200.202 500
    节理/裂隙0.025 40.170.204040.0
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    对泸沽湖机场采用多种半定量方法初步进行了溶洞稳定性评价。采用结构力学分析法评价顶板岩体完好的溶洞,采用成拱分析法评价顶板岩体破碎的溶洞。分析地勘得知:航站区稳定溶洞占溶洞总数的72.5%,溶洞整体稳定性较好。对于顶板较完整的溶洞,82.7%都处于稳定状态,而顶板较破碎的溶洞稳定性相对较差,失稳溶洞55.6%。由于场区发育的纵张裂隙影响,导致区域内发育的顶板较破碎的溶洞稳定性较差。在外荷载作用下,大部分顶板岩体较完整的溶洞稳定,而岩体破碎区溶洞不稳定,因此影响溶洞稳定性的一个重要因素是溶洞顶板的完整程度。漫长的溶洞发育过程存在不确定性、随机性及其他因素影响,导致溶洞联通情况复杂,形态多样化,评判溶洞稳定性异常困难。溶洞稳定性评判的出发点是以溶洞为中心,针对溶洞围岩进行。溶洞稳定性评价不能因为溶洞周边的围岩发生了塑性变形,就认为岩溶地基不满足要求。在建筑承载力计算时认为即使地基下部的岩土体发生了一定程度的破坏,岩土体塑性区达1/3~1/2,认为地基强度满足要求,这些理论也值得借鉴。

    因此,溶洞稳定性评判核心是溶洞围岩发生的破坏或塑性变形是否影响上部持力层的强度,如果持力层未发生过大变形时,可认为溶洞的存在不足以影响地基稳定性,溶洞可不作处理。具体判据见表2

    表  2  溶洞稳定性判据
    Table  2.  Criteria for judging the stability of the cave
    序号影响程度评判依据稳定性等级处理
    1无影响溶洞顶板上中下均未发生过大变形,破坏区面积很小。稳定可作持力层,不需处理。
    2轻微影响溶洞顶板的下部发生过大变形,但中部和上部均未发生过大变形,破坏区面断续,分布积小。较稳定采用注浆加固或扩大基础一般处理后可作持力层,以减小附加应力等。
    3中等影响溶洞顶板的下部、中部均发生较大变形,但上部未发生过大变形,破坏区断续分布面积较大。较不稳定对规模较大的溶洞建议进行全面处理;对规模较小的溶洞作一般处理。
    4强烈影响溶洞顶板的底部、中部和顶部均发生过大变形,破坏区连续呈贯通状分布。不稳定采取填充、桩穿越等,全面处理
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    对于上表中过大变形的讨论:

    (1)建筑物地基针对容许变形值和实测变形值,《工程地质手册》规定:高炉桩基容许沉降值为150~250 mm,焦炉容许沉降值为100 mm22

    (2)在确定单桩极限承载力测试中,《建筑桩基技术规范》C.0.10.2规定:沉降量一般可取40~50 mm,若在桩的极限荷载作用下,桩身强度足够,桩嵌入基岩中,则基岩最大的沉降量为40~50 mm,综合考虑桩身的压缩变形后,基岩的沉降量应小于40~50 mm23

    (3)针对建筑物的地基变形允许值,《建筑地基基础设计规范设计》中规定:体型简单的高层建筑基础的平均沉降量为200 mm,耸立结构基础沉降量为200~400 mm;同时规定对于倾斜控制,高层建筑基础倾斜为1.5‰~4‰,耸立结构基础倾斜为2‰~8‰,若取基础间距为6 m,基础倾斜由下伏溶洞发生变形或破坏引起,倾斜控制取2‰~4‰,则相应的沉降量容许值为6 m×(2‰~4‰)=12~24 mm;若取1‰~2‰作为控制标准,则相应的沉降量容许值为6 m×(1‰~2‰)=6~12 mm24

    综上所述,大变形为溶洞顶板的底部、中部或顶部的竖向位移大于6~12mm。过大变形为数值迭代计算足够大后,溶洞顶板的底、中和顶部的竖向位移与计算时步关系曲线仍呈线性或非线性发展而不能收敛。

    为了进一步了解泸沽湖机场地下溶洞地基稳定性,本文选取溶洞(节理裂隙发育)进行三维数值模拟分析,分析其在静外荷载作用下的稳定状况,为溶洞的处治设计提供数据支撑。

    通过现场钻探,研究区溶洞顶板厚1.0~22.3 m,呈碎裂—完整结构,溶洞高为0.5~8.6 m。溶洞的层数为1~6层。溶洞多为半充填—全充填,充填物为软塑—可塑态黏性土及灰岩、泥质灰岩碎块、生物碎屑,少数溶洞为无充填物。

    本文计算时只考虑外荷载对岩溶围岩产生的应力对其稳定性的影响,外荷载简化为一次荷载形式施加。根据统计,选取三种型号飞机最大起飞荷载,B737-800为:766.6 kN,按800 kN考虑;B767-200为:1 407.2 kN,按1 500 kN考虑;B777-200为:2 820.4 kN,按3 000 kN考虑。其余,考虑岩性、褶皱背斜核部节理裂隙、溶洞埋深等对岩溶地基稳定性的影响。

    多层节理发育三维溶洞实体模型高30 m,长、宽均为20 m,网格模型中间较密部分为多层溶洞和节理裂隙,其余部分为灰岩。含节理裂隙模型共97 480个单元,18 092个节点;不含节理裂隙模型共12 067个单元,2 553个节点,单元类型为线性三角形和四面体单元(图6图7)。本次计算对于岩土体采用摩尔—库伦塑性模型,混凝土层采用弹性模型,节理裂隙采用弹塑性模型。计算参数见表1,基岩参数按较破碎灰岩取值。

    图  6  不含节理裂隙网格后模型
    Figure  6.  Post-grid model without joints and cracks
    图  7  含节理裂隙实体模型
    Figure  7.  Solid model with joints and cracks

    依据地质资料,采取外荷载3 000 kN对多层节理裂隙发育溶洞地基稳定性进行分析,从剖面围岩应力、位移和塑形破坏情况可知:

    (1)竖向位移主要集中在第一层溶洞顶部含节理裂隙岩体中,随着深度的加深位移逐渐减小,最大竖向位移值为6.515 mm,超过大变形范围值。从竖向位移曲线可以看出随溶洞埋深加大,在3 000 kN荷载下位移逐渐减小,在溶洞埋深5 m之前,位移较大,接近大变形范围值(图8图9图10)。

    图  8  3 000 kN下总体位移图(单位:mm)
    Figure  8.  Overall displacement map under 3,000 kN (unit: mm)
    图  9  3 000 kN下竖向位移剖面图(单位:mm)
    Figure  9.  Vertical displacement section under 3,000 kN (unit: mm)
    图  10  3 000 kN下竖向位移曲线图(单位:m)
    Figure  10.  Vertical displacement curve under 3,000 kN (unit: m)

    (2)X方向水平位移主要集中在溶洞两侧岩体中和溶洞顶部节理裂隙中,离溶洞越远位移越小,左侧位移稍大于右侧位移,左侧最大水平位移值为0.367 3 mm,右侧最大水平位移值为0.239 3 mm,远小于大变形范围值。Z方向水平位移主要集中在溶洞两侧岩体中,离溶洞越远位移越小,右侧位移大于左侧位移,左侧最大水平位移值为0.173 1 mm,右侧最大水平位移值为1.337 mm,小于大变形范围值(图11图12)。

    图  11  3 000 kN下X方向位移剖面图(单位:mm)
    Figure  11.  Displacement section in X direction under 3,000 kN (unit: mm)
    图  12  3 000 kN下Z方向位移剖面图(单位:mm)
    Figure  12.  Displacement section in Z direction under 3,000 kN (unit: mm)

    (3)最大主应力以压应力为主,主要集中在溶洞顶部和上部含节理裂隙的围岩中,最大压应力量值为:-22.58 MPa,最小主应力以拉应力为主,最大拉应力量值为:3.436 MPa。竖向应力剖面图中压应力出现在第一层溶洞两侧和上部节理裂隙中,量值已经超过屈服应力,最大值为21.43 MPa,因此处围岩局部已经开始破坏。剪应力和三向合压力在溶洞两帮和少量裂隙中较集中,围岩容易塑性破坏,离溶洞越远围岩受力越小,不易破坏。说明拉压应力是造成溶洞破坏的主要原因(图13-16)。

    图  13  3 000 kN下最大主应力剖面图(单位:MPa)
    Figure  13.  Section of the maximum principal stress under 3,000 kN (unit: MPa)
    图  14  3 000 kN下最小主应力剖面图(单位:MPa)
    Figure  14.  Section of the minimum principal stress under 3 000,kN (unit: MPa)
    图  15  3 000 kN下竖向应力剖面图(单位:MPa)
    Figure  15.  Vertical stress section under 3,000 kN (unit: MPa)
    图  16  3 000 kN下屈服应力剖面图(单位:MPa)
    Figure  16.  Lower yield stress section under 3,000 kN (unit: MPa)

    (1)节理发育溶洞数值模拟结论和定性分析结果基本一致,对节理发育溶洞的处理具有实用性,指导性。

    (2)节理裂隙对地下溶洞稳定性影响较大,在外荷载影响下变形具有一定规律性。一般来说,溶洞顶板处变形最大,两侧岩体及周边土体变形以溶洞为中心呈逐渐减小趋势,塑性破坏主要发生在拉应力较大的溶洞两侧和节理裂隙处。

    (3)通过三维有限元法对地下溶洞围岩进行应力和位移分析计算,利用模拟曲线揭示溶洞顶板厚度大于5 m时是稳定的。

    (4)从经济性和有效性考虑溶洞处治措施,采用跨越覆盖的方式处理单层和竖向延伸较大的溶洞;采用混凝土充填的方式处治埋藏有一定深度大型洞穴。

    1)  刘自强,马洪生,牟云娟.节理裂隙发育岩溶地基数值模拟稳定性分析[J].中国岩溶,2022,41(1):100-110.
    2) 

  • 图  1  场区三维地形地貌图

    Figure  1.  Three-dimensional topography map of the field area

    图  2  场区地层剖面示意图

    Figure  2.  Stratigraphic section of the field area

    图  3  研究区不同岩溶类型分布图

    Figure  3.  Distribution of funnel, fall-water hole, collapse, earth hole and stone bud in the field area

    图  4  场区岩溶地质分区图

    Figure  4.  Karst geologic zoning map of the field area

    图  5  场区四组节理立体示意图

    Figure  5.  Three-dimensional diagram of four joints in the field area

    图  6  不含节理裂隙网格后模型

    Figure  6.  Post-grid model without joints and cracks

    图  7  含节理裂隙实体模型

    Figure  7.  Solid model with joints and cracks

    图  8  3 000 kN下总体位移图(单位:mm)

    Figure  8.  Overall displacement map under 3,000 kN (unit: mm)

    图  9  3 000 kN下竖向位移剖面图(单位:mm)

    Figure  9.  Vertical displacement section under 3,000 kN (unit: mm)

    图  10  3 000 kN下竖向位移曲线图(单位:m)

    Figure  10.  Vertical displacement curve under 3,000 kN (unit: m)

    图  11  3 000 kN下X方向位移剖面图(单位:mm)

    Figure  11.  Displacement section in X direction under 3,000 kN (unit: mm)

    图  12  3 000 kN下Z方向位移剖面图(单位:mm)

    Figure  12.  Displacement section in Z direction under 3,000 kN (unit: mm)

    图  13  3 000 kN下最大主应力剖面图(单位:MPa)

    Figure  13.  Section of the maximum principal stress under 3,000 kN (unit: MPa)

    图  14  3 000 kN下最小主应力剖面图(单位:MPa)

    Figure  14.  Section of the minimum principal stress under 3 000,kN (unit: MPa)

    图  15  3 000 kN下竖向应力剖面图(单位:MPa)

    Figure  15.  Vertical stress section under 3,000 kN (unit: MPa)

    图  16  3 000 kN下屈服应力剖面图(单位:MPa)

    Figure  16.  Lower yield stress section under 3,000 kN (unit: MPa)

    表  1  岩土体物理力学参数

    Table  1.   Physical and mechanical parameters of rock and soil

    岩土体名称弹性模量/GPa泊松比密度/kNm-3内聚力/MPa内摩擦角/°剪胀角/°抗拉强度/MPa
    填筑(土石)0.067 50.252 1600.418.2
    灰岩(破碎)18.200.282 6204.240.510.00.072
    灰岩(完整)30.250.202 6504.942.210.01.831
    水泥混凝土200.202 500
    节理/裂隙0.025 40.170.204040.0
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    表  2  溶洞稳定性判据

    Table  2.   Criteria for judging the stability of the cave

    序号影响程度评判依据稳定性等级处理
    1无影响溶洞顶板上中下均未发生过大变形,破坏区面积很小。稳定可作持力层,不需处理。
    2轻微影响溶洞顶板的下部发生过大变形,但中部和上部均未发生过大变形,破坏区面断续,分布积小。较稳定采用注浆加固或扩大基础一般处理后可作持力层,以减小附加应力等。
    3中等影响溶洞顶板的下部、中部均发生较大变形,但上部未发生过大变形,破坏区断续分布面积较大。较不稳定对规模较大的溶洞建议进行全面处理;对规模较小的溶洞作一般处理。
    4强烈影响溶洞顶板的底部、中部和顶部均发生过大变形,破坏区连续呈贯通状分布。不稳定采取填充、桩穿越等,全面处理
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    ZHANGZhuoyuan, WANGShitian, WANGLansheng. Principles of engineering geological analysis (second edition) [M]. Beijing: Geological Publishing House,2010.
    陈国亮.岩溶地面塌陷的成因与防治[M].北京:中国铁道出版社,1994.

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-10
  • 发布日期:  2022-02-25
  • 刊出日期:  2022-02-25

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