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1、.水泥改性土填筑施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及其工程應(yīng)用 摘要:水泥改性土填筑施工質(zhì)量是影響膨脹巖(土)地區(qū)渠道邊坡穩(wěn)定性的重要因素。針對(duì)南水北調(diào)工程水泥改性土換填的實(shí)際情況,通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)路拌法、拌合站廠拌法施工工藝現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果的分析研究,提出了一種新的水泥改性土換填施工方法集中場(chǎng)拌法。該方法克服了路拌法和拌合站廠拌法的缺點(diǎn),已成功運(yùn)用于南水北調(diào)中線工程水泥改性土換填施工中,為類似工程的施工提供了參考。 關(guān)鍵詞:水泥改性土;填筑施工;集中場(chǎng)拌法;南水北調(diào);路拌法;廠拌法;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 中圖分類號(hào):TU74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1672-1683(2015)03-0575-05 Abstract:The q

2、uality of cement-modified soil filling construction is an important factor affecting the stability of channel slope in the expansive rock(soil)regions.According to the replacement situation of cement-modified soil in the South-to-North Water Diversion Project,a new cement-modified soil filling const

3、ruction method,concentration field mixing method,was proposed based on the analysis of the field roller compaction experiment results of road mixing method and plant mixing method.The new method can overcome the disadvantages of road mixing method and plant mixing method,and has been successfully ap

4、plied to the cement-modified soil filling construction in the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project,which can provide reference for the similar engineering projects. Key words:cement-modified soil;filling construction;concentration field mixing method;South-to-North Water Diversion

5、Project;road mixing method;plant mixing method;field experiment 水泥改性土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、大壩等的處理中。早在1938年,奧克拉荷馬公路部門就利用水泥改性土來(lái)改善膨脹土路基的性能。并經(jīng)1983年的抽樣檢測(cè),證實(shí)細(xì)粒土的水泥改性效果是永久的1。在湯森湖大壩的建設(shè)過(guò)程中,也采用水泥改性土作為地基回填料2。Neal,Daniel V3、Halsted,Gregory E4等均對(duì)水泥改性土的特性進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究,研究結(jié)果表明水泥改性土用來(lái)改善地基的穩(wěn)定性是十分有效的。張晨辰等5對(duì)膨脹土水泥改性摻灰量測(cè)定的齡期效應(yīng)進(jìn)行了研究。

6、2004年,南水北調(diào)工程正式開(kāi)工建設(shè),沿線經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)地段的膨脹巖(土)地區(qū),地質(zhì)條件復(fù)雜。膨脹巖(土)吸水膨脹軟化,失水收縮干裂。外界環(huán)境稍微變化,即導(dǎo)致渠坡的失穩(wěn)破壞,對(duì)工程的安全運(yùn)行影響很大。針對(duì)這一問(wèn)題,在南水北調(diào)工程中,水泥改性土廣泛地作為渠道換填土料6-13。南水北調(diào)工程對(duì)施工質(zhì)量要求極高,水泥改性土拌和質(zhì)量的好壞為整個(gè)施工質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。與之前水利工程相較,本工程水泥改性土有方量大、進(jìn)度要求緊、高厚度、高層次、高標(biāo)準(zhǔn)等方面的要求,無(wú)經(jīng)驗(yàn)可尋。雖在公路工程中有水泥穩(wěn)定土成熟的施工工藝,但其與本工程存在很大差別,如公路中水泥穩(wěn)定土一般厚度較薄不需要分多層進(jìn)行碾壓施工,且沒(méi)有層間結(jié)合防滲要求

7、等?;诖?,本文對(duì)水泥改性土的換填施工工藝進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析,提出了一種新的符合工程實(shí)際的水泥改性土填筑施工方法。 1 工程背景 本工程為南水北調(diào)河南安陽(yáng)段,渠道軸線總長(zhǎng)6.265 km。主要為半挖半填渠道,渠道挖深410 m,邊坡巖性基本為泥灰?guī)r。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘取樣及室內(nèi)試驗(yàn),得出泥灰?guī)r基本物理特性見(jiàn)表1。 由表1 可以看出,取樣地點(diǎn)泥灰?guī)r自由膨脹率小于65%,依據(jù)膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范(GBJ 112-87)中膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類標(biāo)準(zhǔn),自由膨脹率在40%65%之間的屬于弱膨脹,自由膨脹率在65%90%之間的屬于中膨脹,自由膨脹率大于90%的屬于強(qiáng)膨脹。以自由膨脹率為分類

8、標(biāo)準(zhǔn),南水北調(diào)河南安陽(yáng)段膨脹性泥灰?guī)r屬于弱膨脹。 膨脹巖土中所含礦物化學(xué)成分復(fù)雜,但歸結(jié)起來(lái),主要為兩大類:黏土礦物和碎屑礦物。黏土礦物中又以蒙脫石(Al4Si8O20(OH)4)、伊利石(KyAl4Fe4,Mg6Si8-yAlyO20(OH)4)、高嶺石(Al4Si4O10(OH)8)為最典型黏土礦物。碎屑礦物主要為石英(SiO2)、斜長(zhǎng)石(NaAlSi3O8-CaAl2Si2O8)、方解石(CaCO3)、石膏(CaSO4?2H2O)等。采用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的X射線分析儀(Xpert MPD Pro)對(duì)所取膨脹巖試樣進(jìn)行礦物成分分析,結(jié)果顯示,試樣中蒙脫石含量15%,石英含量15%,方解石

9、含量70%。 膨脹性泥灰?guī)r吸水之后強(qiáng)度降低,當(dāng)遭遇連續(xù)降雨以后,易導(dǎo)致渠道邊坡失穩(wěn)破壞。因此,采用在渠底及邊坡3 m高度換填水泥改性土,并加以內(nèi)排水系統(tǒng)和小型抗滑樁的渠坡處理方式。在膨脹巖渠坡的處理過(guò)程中,水泥改性土填筑質(zhì)量是保證工程質(zhì)量的重要因素之一,因此,本文對(duì)水泥改性土的填筑施工展開(kāi)詳細(xì)研究。 2 水泥改性土填筑施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 2.1 試驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn),確定水泥改性土鋪土方式、鋪土厚度、拌合方式、碾壓方式、碾壓遍數(shù)。 2.2 水泥改性土原材料 本工程水泥改性土所用土料同總干渠填筑用土標(biāo)準(zhǔn),水泥改性土土料黏粒含量宜為10%30%,塑性指數(shù)宜為717,有機(jī)質(zhì)含量不大于5%,水溶鹽含量

10、不大于3%。本段所采用土料來(lái)自專門的料場(chǎng),土料塑性指數(shù)13.5,自由膨脹率32.5%,依據(jù)膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范(GBJ 112-87)屬于非膨脹土。水泥選用P?O42.5普通硅酸鹽水泥。此次工藝試驗(yàn)時(shí),水利行業(yè)無(wú)相關(guān)水泥改性土施工規(guī)范及要求,參考公路水泥穩(wěn)定土規(guī)范進(jìn)行操作。依據(jù)公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E 51-2009),對(duì)不同摻量的水泥改性土混合料進(jìn)行室內(nèi)試配,并根據(jù)多次標(biāo)準(zhǔn)EDTA試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線,以檢測(cè)、控制現(xiàn)場(chǎng)改性土混合料的水泥含量14。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)水泥摻量4%。引用的相關(guān)規(guī)范有堤防工程施工規(guī)范SL 260-98,土工試驗(yàn)規(guī)程15SL 237-199

11、9。 2.3 試驗(yàn)方案 (1)路拌法。試驗(yàn)方法如下。 a.攤鋪。在試驗(yàn)前進(jìn)行基礎(chǔ)清表,然后用振動(dòng)碾至壓實(shí)度不小于98%,用平地機(jī)掃平壓實(shí)后的基礎(chǔ)面,按碾壓試驗(yàn)計(jì)劃用白灰放出試驗(yàn)場(chǎng)地邊線框。土料攤鋪厚度分別為25 cm、 28 cm、32c m。采用進(jìn)占法卸料,推土機(jī)散料平整。鋪料時(shí)設(shè)置周邊控制標(biāo)桿,以控制鋪料范圍及厚度。使用推土機(jī)在鋪好的素土上平踩,然后使用平地機(jī)整平。該工序有利于水泥的均勻攤鋪及拌合。根據(jù)水泥改性土層的壓實(shí)厚度、預(yù)定的干密度和水泥劑量,計(jì)算每1 m2水泥改性土需要的水泥用量,并計(jì)算每袋水泥(每袋水泥50 kg)的攤鋪面積。將水泥運(yùn)到攤鋪場(chǎng)地后,按事先做好的標(biāo)記擺放水泥。人工用

12、木刮板將水泥均勻攤開(kāi),使每袋水泥的攤鋪面積相等。 b.拌和。采用穩(wěn)定土拌和機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)路拌法,錯(cuò)距搭接法拌和,錯(cuò)距寬度0.3 m。干拌1遍,加水濕拌1遍。 c.碾壓。采用光輪碾振動(dòng)碾壓。碾壓方式為進(jìn)退錯(cuò)距法和“靜壓-弱振-強(qiáng)振”碾壓方式。進(jìn)退錯(cuò)距50 cm,行車速度1.52 km/h。碾壓遍數(shù):5遍、7遍、9遍。 d.第2層填筑。采用加深拌和及表面拉毛處理兩種方式進(jìn)行對(duì)比。加深拌和時(shí),路拌深度超過(guò)松鋪厚度1020 mm,專人跟隨路拌機(jī)實(shí)時(shí)檢查拌和深度,保證填筑層之間結(jié)合緊密。拉毛處理時(shí),在上層鋪土施工前,對(duì)下層進(jìn)行拉毛施工,要求拉毛深度1020 mm,且無(wú)遺漏部位。 (2)拌合站廠拌法。試驗(yàn)方法

13、如下。 a.拌合。水泥改性土拌制采用的廠拌設(shè)備型號(hào)為MWBG500I,額定功效500 t/h。根據(jù)水泥改性土摻量計(jì)算拌合添加的土料、水泥重量比例,輸入拌合站電腦系統(tǒng)內(nèi),系統(tǒng)自動(dòng)控制。 b.運(yùn)輸及攤鋪。拌和好的水泥改性土土料采用自卸車運(yùn)輸至試驗(yàn)場(chǎng)地,進(jìn)占法卸料,推土機(jī)攤鋪。水泥改性土松鋪厚度分別為:30 cm、35 cm、40 cm。 c.碾壓。采用20t凸輪振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓,采用進(jìn)退錯(cuò)距法和“靜壓-弱振-強(qiáng)振”碾壓方式,進(jìn)退錯(cuò)距50 cm。碾壓遍數(shù):4遍、5遍、6遍、8遍。 d.第2層填筑。第1層水泥改性土碾壓完成后,控制在68 h內(nèi)進(jìn)行第2層施工的,并在表面灑水濕潤(rùn)。 2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析 (

14、1)路拌法試驗(yàn)結(jié)果分析。 路拌法試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。 從表2中可以看出,當(dāng)鋪土厚度為25 cm 、28 cm、32 cm時(shí),拌合1遍后,水泥改性土混合料水泥含量檢測(cè)平均值分別為4.2、4.3、4.7,均大于4,滿足要求;標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.708 3、0.744 8、0.923 9,不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不大于0.7的要求。拌和2遍后,水泥改性土混合料水泥含量檢測(cè)平均值分別為4.1、4.4、4.9,均大于4,滿足要求;標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.132 9、0.343 0、0.392,足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不大于0.7的要求。同時(shí)觀察試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn),當(dāng)鋪土厚度為25 cm、28 cm時(shí),拌合兩遍后,混合料沒(méi)有灰條、灰團(tuán)和花面,水分合適

15、均勻,層底無(wú)素土夾層現(xiàn)象。但當(dāng)鋪土厚度為32 cm時(shí),在拌和后發(fā)現(xiàn)層底有明顯素土夾層現(xiàn)象,且水泥含量平均值遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)水泥含量。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)造成此現(xiàn)象的原因主要為穩(wěn)定土拌和機(jī),實(shí)際拌和深度不足30 cm所致。從碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系來(lái)看,碾壓5遍,壓實(shí)度不滿足要求。碾壓7遍時(shí),壓實(shí)度滿足要求。碾壓9遍時(shí)局部有干密度減小情況,存在過(guò)壓跡象。 (2)拌合站廠拌法試驗(yàn)結(jié)果分析。 從表3中可以看出,水泥改性土鋪土厚度為30 cm、35 cm時(shí),碾壓4遍時(shí),平均壓實(shí)度不滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度不小于98%的要求;碾壓6遍時(shí),平均壓實(shí)度達(dá)到最大99.5%,滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度不小于98%的要求;碾壓8遍后,平均壓實(shí)度98.

16、9%,局部有干密度減小現(xiàn)象,存在過(guò)壓的跡象。水泥改性土鋪土厚度為40 cm時(shí),碾壓4遍、5遍、6遍、8遍時(shí),壓實(shí)度均小于98%,不滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度不小于98%的要求。同時(shí),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,水泥改性土拌合站廠拌法滿足本工程要求,可以投入進(jìn)行大規(guī)模施工。但因拌合站對(duì)土料適應(yīng)性較差,受土料含水率及黏粒較大含量影響,實(shí)際生產(chǎn)能力不足額定的40%,且造成水泥超用量嚴(yán)重。 (3)路拌法與拌合站廠拌法的不足。 路拌法受制于路拌機(jī)拌和深度,且大規(guī)模施工時(shí)鋪土厚度無(wú)法精確控制,難以避免在接合面處形成素土夾層現(xiàn)象;同時(shí)因凸塊碾碾壓后表面形成密集排列的小坑槽,坑槽深度約6 cm,無(wú)法與路拌法相配合使用,采用平碾碾壓

17、會(huì)存在明顯的層間分界面。路拌法無(wú)法滿足本工程水泥改性土層間結(jié)合防滲要求,所以本工程水泥改性土施工采用拌合站廠拌法。但本工程水泥改性土拌合站實(shí)際生產(chǎn)能力不足額定功效的40%,且水泥浪費(fèi)嚴(yán)重。無(wú)法滿足施工強(qiáng)度要求。 3 集中場(chǎng)拌法施工工藝 為解決上述問(wèn)題,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究提出了采用集中場(chǎng)拌法進(jìn)行水泥改性土施工。即:在土料場(chǎng)或土料集中堆放區(qū)采用路拌機(jī)進(jìn)行集中拌和,然后集料運(yùn)輸至工作面攤鋪碾壓。對(duì)以上路拌法和拌合站廠拌法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,確定集中場(chǎng)拌法中,土料拌合厚度25 cm。工作面攤鋪水泥改性土厚度35 cm。 3.1 集中場(chǎng)拌法施工工藝 集中場(chǎng)拌法施工工藝見(jiàn)圖1。 (1)土料攤鋪。采用推土機(jī)配

18、合平地機(jī)對(duì)選定的拌和場(chǎng)地頂面進(jìn)行整平,整平后要求大面平整,無(wú)明顯凹陷、凸出部分。 由試驗(yàn)檢測(cè)人員對(duì)預(yù)拌和場(chǎng)地表層(預(yù)定25 cm厚)土,采用環(huán)刀法取樣檢測(cè)其干容重及含水率,用以計(jì)算水泥攤鋪量及控制拌和后混合料含水量。計(jì)算每1 m2水泥改性土需要的水泥用量,并計(jì)算每袋水泥的攤鋪面積。鋪灰時(shí)考慮3%的損耗系數(shù)。將水泥運(yùn)到攤鋪場(chǎng)地后,按事先做好的標(biāo)記擺放水泥。人工用木刮板將水泥均勻攤開(kāi)。 (2)拌和。第一遍拌和:水泥攤鋪完成后,穩(wěn)定土拌合機(jī)及時(shí)開(kāi)始拌和,刀片入土深度25 cm,拌和機(jī)勻速平穩(wěn)行走速度48 m/min,確保拌合均勻、深度一致。穩(wěn)定土拌和機(jī)每道拌和有效寬度為2.1 m,水泥改性土拌和時(shí),

19、每道搭接寬度不少于20 cm,設(shè)專人跟隨拌和機(jī),隨時(shí)檢查拌和深度及搭接寬度,確保工作區(qū)內(nèi)無(wú)漏拌。第二遍拌和: 第一遍拌和完成一定范圍時(shí),由試驗(yàn)檢測(cè)人員取樣檢測(cè)拌和后的混合料含水率,如果混合料含水量不足,用灑水車及時(shí)補(bǔ)充灑水,第二臺(tái)拌合機(jī)開(kāi)始進(jìn)行第二遍拌和,以確保水泥拌和均勻度及含水率均勻。加水量根據(jù)上遍拌和損失的含水率計(jì)算,預(yù)加第二遍拌和損失的含水率及運(yùn)輸攤鋪含水損失,使碾壓時(shí)混合料含水率在最優(yōu)含水率的+1%+3%范圍內(nèi)。拌和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見(jiàn)圖2。 (3)集料裝車。 根據(jù)相關(guān)要求水泥改性土從拌和到碾壓完畢時(shí)間宜控制在4 h內(nèi),為縮短拌合、裝車運(yùn)輸時(shí)間,現(xiàn)場(chǎng)采用2臺(tái)路拌機(jī),第一臺(tái)拌和后第二臺(tái)緊接著進(jìn)行

20、二次拌和,拌和完成一定范圍時(shí)開(kāi)始集料裝車。 經(jīng)試驗(yàn)確定現(xiàn)場(chǎng)采用裝載機(jī)集料裝車,集料開(kāi)始時(shí)由裝載機(jī)對(duì)開(kāi)頭部位進(jìn)行小方量精細(xì)作業(yè)直至拌和層底(密實(shí)素土面),形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)面。開(kāi)始進(jìn)行大方量集料時(shí)裝載機(jī)鏟斗調(diào)節(jié)至平行并緊貼拌和層底(密實(shí)素土面),現(xiàn)前方推進(jìn)集料至滿斗后裝車?,F(xiàn)場(chǎng)專人配合指揮,要求集料時(shí)不得摻入素土,同時(shí)層底剩余混合料層控制在02 cm內(nèi)。利用平地機(jī)對(duì)集料完成后的作業(yè)面進(jìn)行整平,作為下次拌和場(chǎng)地。 (4)運(yùn)輸、攤鋪及碾壓。 拌制完成的水泥改性土混合料,采用自卸車運(yùn)輸至施工場(chǎng)地,嚴(yán)格按碾壓試驗(yàn)確定的施工設(shè)備、施工方及施工參數(shù)進(jìn)行填筑碾壓施工。即: 鋪料方法:進(jìn)占法鋪料,推土機(jī)散料,平地機(jī)整

21、平;鋪料厚度:35 cm;碾壓設(shè)備:20 T凸塊振動(dòng)碾;碾壓方法:進(jìn)退錯(cuò)距法碾壓6遍(振動(dòng)碾往返一次為1遍),行車速度23 km/h。攤鋪圖片見(jiàn)圖3。 3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析 集中場(chǎng)拌法試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。 對(duì)集中場(chǎng)拌法現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如下:由試驗(yàn)檢測(cè)人員按600 m3不少于六個(gè)樣的頻次進(jìn)行水泥改性土成品料水泥含量檢測(cè),經(jīng)過(guò)跟蹤試驗(yàn)檢測(cè)混合料滴定檢測(cè)平均值4.1%,符合設(shè)計(jì)要求;填筑壓實(shí)度平均值99.5%,滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度不小于98%的要求;層間結(jié)合面良好,無(wú)素土夾層。 3.3 集中場(chǎng)拌法特點(diǎn) 水泥改性土集中場(chǎng)拌法集合路拌法和拌合站廠拌法的優(yōu)點(diǎn),并有效去除了上述兩種工藝的缺點(diǎn)。具有以下特

22、點(diǎn)。(1)在填筑工作面以外土區(qū)內(nèi)集中拌和,相較于路拌法,集中拌和質(zhì)量容易控制;拌制好的水泥改性土混合料運(yùn)輸至填筑面進(jìn)行攤鋪碾壓施工,不受填筑現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響,不存在層間結(jié)合處素土夾層等問(wèn)題。(2)采用路拌機(jī)進(jìn)行水泥改性土拌和,相較于拌合站廠拌法,不需要修建專門的拌和系統(tǒng),可靈活調(diào)用路拌機(jī),現(xiàn)場(chǎng)施工組織簡(jiǎn)單;可以在土料場(chǎng)或堆土區(qū)就地分層拌和,不需要進(jìn)行土料轉(zhuǎn)運(yùn)大幅降低成本。(3)路拌機(jī)對(duì)土料的含水率、黏粒含量等適應(yīng)性遠(yuǎn)高于拌合站,水泥用量可控性強(qiáng),解決了拌合站對(duì)土料適應(yīng)性差造成的水泥超量嚴(yán)重問(wèn)題,節(jié)約了施工成本。(4)在需要趕工時(shí),可隨時(shí)增加拌和設(shè)備進(jìn)行突擊施工,解決了拌合站修建周期長(zhǎng)不適應(yīng)突擊趕工

23、的問(wèn)題。 4 結(jié)語(yǔ) 針對(duì)南水北調(diào)工程中水泥改性土填筑方量大、工期緊、填筑質(zhì)量高的特點(diǎn),對(duì)路拌法、拌合站廠拌法施工工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)研究,得出路拌法以及拌合站廠拌法均不能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求,提出了適應(yīng)工程需求的集中場(chǎng)拌法施工工藝。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),驗(yàn)證了該方法實(shí)用有效,經(jīng)濟(jì)合理。并且該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于南水北調(diào)工程河南安陽(yáng)段渠坡的施工中。膨脹巖渠道邊坡經(jīng)處理后,未發(fā)現(xiàn)渠道邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象,施工效果良好。該水泥改性土施工方法可以推廣應(yīng)用到其他類似工程中。 參考文獻(xiàn)(References): 1 Roberts,John D.Performance of Cement-modified Soils:a F

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