Relaciones Volumétricas y Gravimétricas, Plasticidad y Clasificación de Los Suelos

MECÁNICA DE SUELOS II

“RELACIONES

VOLUMÉTRICAS Y

GRAVIMÉTRICAS,

PLASTICIDAD Y

CLASIFICACIÓN DE LOS

SUELOS”

INFORME

“AÑO DE LA DIVERSIFICACIÓN PRODUCTIVA Y

DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACIÓN”

MECANICA DE SUELOS II1“VI”SEMESTRE

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

UNCP

INTRODUCCION

Hoy en día es cada vez más concluyente el hecho que ningún ingeniero que sienta la

responsabilidad técnica y moral de su profesión deja de efectuar un estudio de las

condiciones del subsuelo cuando diseña estructuras de cierta importancia ya que esto

conlleva a una característica muy importante que es la seguridad. Es por esto que el

presente trabajo explica y detalla temas fundamentales en la mecánica de suelos, como

lo son las Relaciones Volumétricas y Gravimétricas, Plasticidad y Clasificación de los

Suelos, estos conocimientos son de gran importancia para realizar los estudios

necesarios y así dar solución a los problemas que se presentan en las edificaciones de

las obras de ingeniería civil.



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1. RELACIONES VOLUMETRICAS Y GRAVIMETRICAS

En general el suelo está constituido por esqueleto de partículas sólidas rodeadas de espacios llenos de

agua y aire, la representación en volumen y masa de las fases se muestra a continuación:

Las relaciones gravimétricas comunes son el contenido de humedad y el peso específico.En mecánica

de suelos se relaciona los distintos pesos con sus volúmenes correspondientes, por medio del concepto

de peso específico, es decir la relación entre el peso de la sustancia y su volumen. Se distinguen los

siguientes pesos específicos:

Peso volumétrico del

suelo

Peso específico de las

partículas solidas

Peso volumétrico seco

Peso

especifico

Contenido de

humedad

Se llama también

contenido de agua y se

define comola relación

del peso de agua entre el

peso de sólidos en un

volumen dado de suelo



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Las relaciones volumétricas comúnmente usadas para las tres fases en un elemento de suelo son

relación de vacíos, porosidad y grado de saturación

Llamado también oquedad

o índice de poros; es la

relación entre el volumen

de vacíos y el de sólidos

Relación de

vacíos

Porosidad Se llama así a la relación

entre su volúmenes de

vacíos y volumen de masa.

Grado de

saturación

Es la relación del volumen

sobre el volumen de

vacíos, se expresa en

porcentaje

Para un suelo dado, e = 0.75, w = 22% Y Gs = 2.66. Calcule la porosidad, el peso específico húmedo,

el peso específico seco y el grado de saturación.

Solución La porosidad es

Para encontrar el peso específico húmedo, usamos la ecuación (2.19a) para calcular la densidad

húmeda:

Por consiguiente e1 peso específico húmedo es

Para encontrar el peso específico seco, usamos la ecuación

El grado de saturación es

EJERCICIO N° 01



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2. COMPACIDAD RELATIVA

El término compacidad relativa es comúnmente usado para indicar la compacidad o laflojedad in situ

del suelo granular. Se define como:

Donde:

El grado de compactación en el campo puede medirse de acuerdo a la compacidad relativa. En los

suelos formados por partículas gruesas, como las gravas y las arenas; es muy importante conocer su

estado de compacidad, que se define por la “Densidad relativa” o “Compacidad relativa”

Donde:

3. CONSISTENCIA DEL SUELO

Cuando existen minerales de arcilla en un suelo de grano fino, éste puede ser remodelado en presencia de

alguna humedad sin desmoronarse. Esta naturaleza cohesiva es debida al agua adsorbida que rodea a las

partículas de arcilla. A principios de 1900, un científico sueco, Albert Mauritz Atterberg, desarrolló un

método para describir la consistencia de los suelos de grano fino con contenidos de agua variables. A muy

bajo contenido de agua, el suelo se comporta más como un sólido frágil. Cuando el contenido de agua es

muy alto, el suelo y el agua fluyen como un líquido. Por tanto, dependiendo del contenido de agua, la

naturaleza del comportamiento del suelo se clasifica arbitrariamente en cuatro estados básicos,

denominados sólido, semisólido, plástico y líquido, como muestra la figura 2.5.

El contenido de agua, en porcentaje, en el que la transición de estado sólido a semisólido tiene lugar, se

define como el límite de contracción. El contenido de agua en el punto de transición de estado semisólido a

plástico es el límite plástico, y de estado plástico a líquido es el límite líquido. Esos límites se conocen también

como límites de Atterberg.

Cr = compacidad relativa, usualmente dada como porcentaje

e = relación de vacíos in situ del suelo

emáx = relación de vacíos del suelo en la condición más suelta

emín = relación de vacíos del suelo en la condición más densa



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Límite líquido (LL)

Un diagrama esquemático (vista lateral) de un dispositivo para determinar el límite líquido se muestra en la

figura 2.6a, que consiste en una copa de bronce y una base de hule duro. La copa de bronce se deja caer

sobre la base por una leva operada por una manivela. Para la prueba del límite líquido se coloca una pasta

en la copa. Se corta una ranura en el centro de la pasta de suelo, usando la herramienta de corte estándar

(figura 2.6b). Luego, con la leva operada por la manivela, se levanta la copa y se deja caer desde una altura

de 10 mm. El contenido de agua, en porcentaje requerido para cerrar una distancia de 12.7 mm a lo largo

del fondo de la ranura (véase las figuras 2.6c y 2.6d) a los 25 golpes se define como el límite líquido.

El procedimiento para la prueba del límite líquido está dado en la Prueba D-4318 de la ASTM.

Casagrande (1932) concluyó que cada golpe en un dispositivo estándar para límite líquido corresponde a

una resistencia cortante del suelo de aproximadamente 1 g/cm2 (",0.1 kN/m2). Por consiguiente, el límite

líquido de un suelo de grano fino da el contenido de agua para el cual la resistencia cortante del suelo es

aproximadamente de 25 g/cm2 (",2.5 kN/m2).



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Límite plástico (PL)

El límite plástico se define como el contenido de agua, en porcentaje, con el cual el suelo, al ser enrollado

en royitos de 3.2 mm de diámetro, se desmorona. El límite plástico es el límite inferior de la etapa plástica

del suelo. La prueba es simple y se lleva a cabo enrollando repetidamente a mano sobre una placa de vidrio

(figura 2.7) una masa de suelo de forma elipsoidal.

El índice de plasticidad (PI) es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico de un suelo, o

El procedimiento para la prueba del límite plástico se da en la prueba D-4318 de la ASTM.

Límite de contracción (SL)

La masa de suelo se contrae conforme se pierde gradualmente el agua del suelo. Con una pérdida continua

de agua, se alcanza una etapa de equilibrio en la que más pérdida de agua conducirá a que no haya cambio

de volumen (figura 2.8). El contenido de agua, en porcentaje, bajo el cual el cambio de volumen de la masa

del suelo cesa, se define como límite de contracción.

Las pruebas del límite de contracción (Prueba D-427 de la ASTM) se efectúan en el laboratorio con un

recipiente de porcelana de aproximadamente 44 mm de diámetro y 13 mm de altura. El interior del recipiente

está recubierto con aceite de petróleo que luego se llena completamente con suelo húmedo. El exceso de

suelo que queda fuera del borde se retira con una regleta. Se registra la masa de suelo húmedo dentro del

recipiente.

Luego, la masa de suelo en el recipiente se seca en horno. El volumen de la masa de suelo secada en horno

se determina por el desplazamiento de mercurio. Como el manejo del mercurio es peligroso, la prueba D-

4943 de la ASTM describe un método de inmersión de la masa de suelo seco en una vasija de cera derretida.

La masa de suelo revestida de cera es enfriada. Su volumen se determina sumergiéndola en agua.

Con referencia a la figura 2.8, determinamos el límite de contracción de la siguiente manera:



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(1)

Donde:

Wi = contenido de agua inicial cuando el suelo se coloca en el recipiente del límite de contracción.

Δw = cambio en el contenido de agua (es decir, entre el contenido de humedad inicial y el contenido de agua

en el límite de contracción).

Sin embargo,

(2)

Donde:

mI = masa del suelo húmedo en el recipiente al principio de la prueba (g)

m2 = masa del suelo seco (g) (véase la figura 2.9)

Además,

(3)

Donde:

Vi = volumen inicial del suelo húmedo (es decir, el volumen dentro del recipiente, cm3)

V¡ = volumen de la masa de suelo secada en horno (cm3)

Pw = densidad del agua (g/cm3)

Ahora, combinando las ecuaciones (1), (2) Y (3), tenemos

(4)



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4. INDICE DE LIQUIDEZ

La consistencia relativa de un suelo cohesivo en estado natural se define por una razón llamada índice de

liquidez (LI):

donde w = contenido de agua del suelo in situ.

El contenido de agua in situ de una arcilla sensitiva es mayor que el límite líquido.

En tal caso,

LI > 1

Esos suelos, al remoldearlos, se transforman en una forma viscosa que fluye como un líquido.

Los depósitos de suelos que están fuertemente sobre-consolidados tienen un contenido de agua natural menor

que el límite plástico. En ese caso,

LI < 1

Los valores del índice de liquidez para algunos de esos suelos son negativos.

5. CARTA DE PLASTICIDAD

Los límites líquido y plástico son determinados por medio de pruebas de laboratorio relativamente simples

que proporcionan información sobre la naturaleza de los suelos cohesivos. Las pruebas son usadas

ampliamente por ingenieros para correlacionar varios parámetros físicos del suelo así como para la

identificación del mismo. Casagrande (1932) estudió la relación del índice de plasticidad respecto al límite

líquido de una amplia variedad de suelos naturales. Con base en los resultados de pruebas, propuso una

carta de plasticidad que muestra la figura 2.11. La característica importante de esta carta es la línea A

empírica dada por la ecuación PI = 0.73 (LL - 20). La línea A separa las arcillas inorgánicas de los limos

inorgánicos. Las gráficas de los índices de plasticidad contra límites líquidos para las arcillas inorgánicas



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se encuentran arriba de la línea A y aquellas para limos inorgánicos se hayan debajo de la línea A. Los limos

orgánicos se grafican en la misma región (debajo de la línea A y con el LL variando entre 30 y 50) que los

limos inorgánicos de compresibilidad media. Las arcillas orgánicas se grafican en la misma región que los

limos inorgánicos de alta compresibilidad (debajo de la línea A y LL mayor que 50). La información

proporcionada en la carta de plasticidad es de gran valor y es la base para la clasificación de los suelos de

grano fino en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. Note que una línea llamada línea U se

encuentra arriba de la línea A. La línea U es aproximadamente el límite superior de la relación del índice

de plasticidad respecto al límite líquido para cualquier suelo encontrado hasta ahora. La ecuación para la

línea U se da como:

6. CLASIFICACION DE LOS SUELOS Tiene como objetivo principal el establecer un lenguaje común y relacionar propiedades con

determinados grupos de suelos. Se considera el suelo como material y su clasificación está basada en

sus propiedades mecánicas y su comportamiento ingenieril.

SISTEMAS DE

CLASIFICACION

Sistema Unificado de Clasificación

de Suelos (SUCS)

American Association of State

Highway Officials(AASHTO)



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a. Sistema de clasificación AASHTO

Este sistema de clasificación fue desarrollado en 1929 como el Public Road

AdministrationClassification System (Sistema de Clasificación de la Oficina de CaminosPúblicos). El

Sistema de Clasificación AASHTO actualmente en uso, se muestra en la tabla 2.4.De acuerdo con éste,

el suelo se clasifica en siete grupos mayores: A-l al A-7. Los suelos clasificados en los grupos A-l,A-2 y

A-3 son materiales granulares, donde 35% o menos delas partículas pasan por la criba No. 200. Los

suelos de los que más del 35% pasan por la criba No. 200 son clasificados en los grupos AA, A-5, A-6

Y A-7. La mayoría están formados pormateriales tipo limo y arcilla.

Criterios de

clasificación

Tamaño del grano

Grava: fracción que pasa la malla de 75 mm y es retenida en

la malla No. 10 (2 mm) de Estados Unidos

Arena: fracción que pasa la malla No. 10 (2 mm) US. y es

retenida en la malla No. 200 (0.075 mm) US.

Limo y arcilla: fracción que pasa la malla No. 200 US.

Plasticidad:

El término limoso se aplica cuando las fracciones de finos del

suelo tienen un índice de plasticidad de 10 o menor. El término

arcilloso se aplica cuando las fracciones de finos tienen un índice

de plasticidad de 11 o mayor.

Si cantos rodados y boleas (tamaños mayores que 75 mm) están

presentes, éstos se excluyen de la porción de la muestra de suelo

que se está clasificando. Sin embargo, el porcentaje de tal

material se registra.

TABLA DE CLASIFICACION



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Para clasificar un suelo de acuerdo con la tabla 2.4, los datos de prueba se aplican de izquierda a

derecha. Por un proceso de eliminación, el primer grupo desde la izquierda en el que los datos de

prueba se ajusten, es la clasificación correcta. Para la evaluación de la calidad de un suelo como

material para subrasante de carreteras, se incorpora también un número llamado índice de grupo (GI)

junto con los grupos y subgrupos del suelo. Este número se escribe en paréntesis después de la

designación de grupo o de sub grupo. El índice de grupo está dado por la ecuación.

Donde:

a = Porcentaje que pasa el tamiz Nº 200, comprendido entre 35% mínimo y 75%máximo. Se representa

solo en número entero y varía de 0 a 40.

b = Porcentaje que pasa el tamiz Nº 200, comprendido entre 15% como mínimo y 55%como máximo.

Se representa en número entero, varía de 0 a 40.

c = Parte del Límite Líquido, comprendido entre 40% como mínimo y 60% comomáximo. Se representa

en número entero y varía de 0 a 20.

d = Parte del Índice de Plasticidad, comprendido entre 10% como mínimo y 30% comomáximo. Se

representa en número entero y varía de 0 a 20.

Consideraciones:

Si la ecuación da un valor negativo para GI,éste se toma igual a O.

El índice de grupo calculado con la ecuación se redondea al número entero más cercano

(ejemplo, GI = 3.4 se redondea a 3).

No hay un límite superior para el índice de grupo.

El índice de grupo de suelos que pertenecen a los grupos A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-5, Y A-3

siempre es O.



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b. Sistema de clasificación SUCS

La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usarse enla construcción

de aeropuertos emprendida por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército durante la Segunda Guerra

Mundial. En cooperación con la Oficina de Restauración de Estados Unidos, el sistema fue revisado en

1952. Hoy en día, es ampliamente usado por los ingenieros (Prueba D-2487 de la ASTM).

Este sistema clasifica los suelos en dos amplias categorías: “suelos de grano grueso que son de

naturaleza tipo grava y arenosa con menos del 50% pasando la malla No. 200; y los suelos de grano

fino con 50% o más pasando la malla No. 200. Según Das para clasificar apropiadamente un suelo

utilizando este sistema deben conocerse el porcentaje de grava, el porcentaje de arena, el porcentaje

de limo y arcilla, los coeficientes de uniformidad y curvatura y el límite líquido e índice de plasticidad.

Una muestra de suelo orgánico, tiene las siguientes características:

Límite Líquido = 53%

Límite Plástico = 22%

¿Cuál es su clasificación por el método AASHO?

SOLUCION

Determinación del (IG)

IG = 0.2a + 0.005ac + 0.01bd

Porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 (0.074 mm.) = 71%; por tanto tenemos:

a = 71% - 35% = 36%

b = 40%

c = 53% - 40% = 13%

d = 22% - 10% = 12%

Reemplazando en (1):

IG = 0.2 (36) + 0.005(36) (13) + 0.01 (40) (12) = 14.34

Como lo Índices de Grupo, sólo deben expresarse en números enteros, tenemos que:

IG = 14.34 = 14

Determinando “gráficamente” el (IG): (Fig. 2)

Para, L.L. = 53%, la fracción del (IG) es = 9.7

Para, I.P. = 22%, la fracción del (IG) es = 4.7

Sumando:

IG = 9.7 + 4.7 = 14.4 = 14

ii.) Clasificando el suelo; utilizando el cuadro Nº 1, procediendo a observar el cuadro de izquierda a derecha

por eliminación cuando los datos no coinciden; se determina que el suelo es: (A – 7)

Determinando si es, (A – 7 – 5) o (A – 7 – 6):

Si L.P. ≥ 30, la clasificación es A – 7 – 5

Si L.P. < 30, la clasificación es A – 7 – 6

En nuestro problema:

L.P. = 53 − 23 = 31

Considerando el índice de grupo, la clasificación del suelo es:

A − 7 − 5(14)

EJERCICIO N° 01



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Los primeros cinco datos se obtienen a partir de un análisis granulométrico. El método SUCS presenta

diversa nomenclatura:

Para suelos granulares, las siglas son G (grava), S (arena), W (bien graduada) y

P (mal graduada).

Para suelos finos la nomenclatura es M (limo), C (arcilla), H (alta compresibilidad) y

L (baja compresibilidad).

Para los suelos orgánicos la sigla es Pt (turba).

El procedimiento para la clasificación de suelos viene descrito de la siguiente forma:

1. Descartar que el suelo sea un Pt.

2. Determinar si el suelo es fino o granular:

- Granular...% pasando # 200 < 50%.

- Fino..........% pasando # 200 ≥ 50%.

3. Si el suelo es granular, seguir los siguientes pasos:

a. Determinar si es grava o arena:

- Si Ret. #4 > 50% Ret. #200, hay más grava que arena, por lo que es un suelo tipo grava.

- Si Ret. #4 ≤ 50% Ret. #200, hay más arena que grava, por lo que es un suelo tipo arena.

b. Determinar si G o S está limpia, intermedia o sucia

- Limpia, si el % pasa #200 es < 5%. Determinar si es W o P.

- Intermedia, si el % pasa #200 está entre 5 y 12%. Determinar si es W o P. Determinar si está

contaminada con M o C.

- Sucia, si el % pasa #200 es > 12%. Determinar si está contaminada con M o C. Para

determinar si el suelo es W o P se utiliza el Cc y el Cu.

- Para las gravas, es W si 𝐶u >4 ,1<𝐶c<3, es P si incumple alguno de los dos parámetros.

- Para las arenas, es W si 𝐶u >6 ,1<𝐶c<3, es P si incumple alguno de los dos parámetros.



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Características de la curva granulométrica

Coeficiente de uniformidad

Sirve para medir y calificar el grado de distribución de tamaño de las partículas de un suelo. Por

ejemplo si todas las partículas son muy similares en tamaño, D60 y D10 no diferirán mucho, el Cu

será pequeño y el suelo se dice que es “uniforme” o mal graduado.

Fórmula:

Coeficiente de curvatura

Ayuda a la interpretación de cómo esta graduado un suelo, dando información sobre el equilibrio

entre los diversos tamaños.

Fórmula:

GW

GP

GM

GC

GW - GM

GW - GC

GP - GM

GP - GC

SW

SP

SM

SC

SW - SM

SW - SC

SP - SM

SP - SC

Cumple los criterios para GP y GC

Grava bien graduada

Grava mal graduada

Grava limosa

Grava arcillosa

Grava bien graduada con limo

Grava bien graduada con arcilla

Grava mal graduada con limo

Grava mal graduada con arcilla

Cumple los criterios para GW y GM

Cumple los criterios para GW y GC

Cumple los criterios para GP y GM

Cu ≥ 4 y 1 ≤ Cc ≥ 3

Cu < 4 y

IP < 4 o debajo de la linea A en la carta

IP > 7 o arriba de la linea A en la carta

Arena limosa

Arena arcillosa

Cu ≥ 6 y 1 ≤ Cc ≤ 3

Cu < 6

Arena bien graduada

Arena mal graduada

Cumple los criterios para SW y SM

Cumple los criterios para SW y SC

Cumple los criterios para SP y SM

Cumple los criterios para SP y SC

IP < 4 o debajo de la linea A en la carta

IP > 7 o arriba de la linea A en la carta

Arena mal graduada con arcilla

IP > 7 y se grafica en la carta de plasticidad

arriba de la linea A

IP < 4 y se grafica en la carta de plasticidad

debajo de la linea A

CL

ML

INORGANICOS

ORGANICOS CL Limite liquido secado al horno < 0.75

limite liquido no secado

Arcilla organica

Limo organico

MH

Arcilla de alta plasticidad

Limo de alta plasticidad

Arcilla de baja plasticidad

Limo de baja plasticidad

SUELOS DE PARTICULAS

FINAS

El 50% o mas pasa

la malla N° 200

SUELO ALTAMENTE ORGANICO PT TurbaPrincipalmente materia organica de color oscuro

ORGANICOS Limite liquido secado al horno < 0.75

limite liquido no secadoOH

Arcilla organica

Limo organico

LIMOS Y ARCILLAS

Limite liquido menor que 50

LIMOS Y ARCILLAS

Limite liquido mayor que 50

INORGANICOS

IP > 7 y se grafica en la carta de plasticidad

arriba de la linea A

IP < 4 y se grafica en la carta de plasticidad

debajo de la linea A

CH

GRAVAS CON FINOS

Mas del 12% pasa la malla N° 200

GRAVAS LIMPIAS

Menos del 5% pasa por la malla N° 200

CLASIFICACION SUCS

SUELOS DE PARTICULAS

GRUESAS

Mas del 50% es retenido

en la malla N° 200

GRAVASA LIMPIAS Y CON FINOS

Entre el 5 y 12% pasa la malla N° 200

ARENAS LIMPIAS Y CON FINOS

Entre el 5 y 12% pasa la malla N° 200

ARENAS CON FINOS

Mas del 12% pasa la malla N° 200

GRAVAS

Mas del 50% de la fraccion gruesa

es retenida en la malla N° 4

ARENAS

El 50% o mas de la fraccion gruesa

pasa la malla N° 4

ARENAS LIMPIAS

Menos del 5% pasa la malla N° 200

Arena bien graduada con limo

Arena bien graduada con arcilla

Arena mal graduada con limo



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7. BIBLIORAFIA

FUNDAMENTOS DE LA MECANICA DE SUELOS - JUAREZ BADILLO

MECANICA DE SUELOS – LAMBE

MECANICA DE SUELOS - CRESPO VILLALAZ

Un suelo denominado (M-1), pasa por el tamiz Nº 200 el 67%, su L.L. es 65%, el I.P. = 30%. ¿Cuál es su

clasificación?

Solución:

i.) El porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 es más del 50%, por tanto es un suelo dePartículas Finas.

ii.) Entrando en la carta de Plasticidad con L.L. = 65% y el I.P. = 30%.

Determinamos que el suelo (M-1) es: OH

Se trata de una arcilla orgánica de media a alta plasticidad. La respuesta pudo haber sido también (M-1), pero

si no hay otras consideraciones que precisen al suelo, generalmente a los suelos cuya clasificación caen por

debajo y cerca de la línea “A”, se atribuyen que pertenecen al grupo (OH)

EJERCICIO N° 01

Relaciones Volumétricas y Gravimétricas, Plasticidad y Clasificación de Los Suelos

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