沥青路面设计指标参数及设计指南

沥青路面设计指标、参数及设计指南概述路面结构组合路面损坏模型路面设计参数路面设计指南研究成果和建议一、概述

研究概况现行设计指标和参数研究方案

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研究目的建立适合我国特点、且与国际融合的沥青路面设计指标、参数和方法，为沥青设计规范修订工作提供依据。

研究概况

▪前言▪成果一览

构建设计指标体系沥青层疲劳无机结合料稳定层疲劳路基永久变形沥青层永久变形沥青层低温开裂

共5个指标成果一览

提出设计参数路基和粒料层回弹模量

路基回弹模量调整系数沥青混合料动态压缩模量无机结合料弹性模量

共4个参数成果一览

研究总报告

分题研究报告12个设计指南1沥青路面的温度场和沥青面层的当量温度系数研究2沥青混合料动态模量研究3沥青层疲劳开裂预估模型研究4沥青混合料和沥青面层抗永久变形预估5无机结合料稳定类基层模量及衰变规律6无机结合料稳定类基层疲劳损坏预估模型

分题报告7路基与粒料层动态模量参数研究8路基湿度状况及模量调整系数研究9路基和粒料层抗永久变形性能预估10沥青面层低温缩裂研究11沥青路面结构设计指标的协调与平衡12加速加载试验验证

2.现行设计指标和参数

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路表回弹弯沉

ls和ld——计算弯沉值和容许弯沉值（0.01mm）

Ne——设计车道的标准轴载（100kN）累计当量轴次

Ac、As、Ab——公路等级、面层类型和基层类型系数

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层底拉应力

——计算点的层底拉应力（MPa）

——材料容许拉应力和劈裂强度（MPa）

ks——材料疲劳应力系数；

a——系数，沥青层0.09、无机结合料稳定粒料0.35、无机结合料稳定土0.45；

b——系数，沥青层0.22，半刚性层0.11■材料参数*路基模量：承载板板法*无机结合料稳稳定材料：压缩模模量和劈裂强度*沥青混合料：：15˚C或20˚C压缩模量15˚C劈裂强度■环境参数*温度对沥青混混合料性质的影响响未考虑*湿度对模量的的影响未考虑虑结构设计控制指标标路表弯沉路表弯沉为综合性性、表观性指标，，具有非唯一性，，无法包容各种损损坏，难以协调各各单项损坏指标柔性基层沥青路面面的指标和参数有有待补充材料性质指标和测测试方法未反映其其力学特性应力依赖性、温度度依赖性和湿度依依赖性存在问题3.研究方案遵循力学-经验法针对不同损坏的多指标体系建模以室内试验为主，ALF试验验证和修正当量损坏法分析材料参数选用力学指标和科学试验方法测定参数采集按三层次要求以国内外的前沿水平为基础二、路面结构组合合结构组合方案结构损坏类型1.结构组合方案材料类型沥青结合料类热拌沥青混合料、、SMA、OGFC、沥青贯入碎石石、沥青表面面处治无机结合料类水泥或石灰-粉煤灰或石灰稳定定碎石、砾石或土土粒料类级配碎石、级配砾砾石、填隙碎石、、未筛分碎石、天然砂砾、粒料类基层面层磨耗层密级配沥青混凝土、SMA、OGFC、沥青表面处治联结层密级配沥青混凝土或缺失基层基层级配碎石、填隙碎石

底基层级配碎（砾）石、填隙碎石水泥、石灰-粉煤灰或石灰稳定碎（砾）石或土垫层（季冻区）不易冻胀的粒料（细料含量小于6%~10%的砾类土）路基路床顶面模量要求50MPa、80MPa或100MPa沥青类基层面层磨耗层密级配沥青混凝土、SMA、OGFC、沥青表面处治联结层密级配沥青混凝土或缺失基层基层热拌沥青混合料

热拌沥青混合料、沥青贯入碎石底基层级配碎石水泥、石灰-粉煤灰或石灰稳定碎（砾）石或土垫层（季冻区）不易冻胀的粒料（细料含量小于6%~10%的砾类土）路基路床顶面模量要求50MPa、80MPa或100MPa无机结合料类基层层面层磨耗层密级配沥青混凝土、SMA、OGFC、沥青表面处治联结层密级配沥青混凝土或缺失基层基层水泥或石灰-粉煤灰稳定碎石底基层级配碎（砾）石、填隙碎石水泥、石灰-粉煤灰或石灰稳定碎（砾）石或土垫层（季冻区）不易冻胀的粒料（细料含量小于6%~10%的砾类土）路基路床顶面模量要求50MPa、80MPa或100MPa2.结构损坏类型开裂类沥青层疲劳开裂无机结合合料稳定定层疲劳劳开裂沥青面层层低温缩缩裂沥青面层层反射裂裂缝⌂变形类沥青层永永久变形形粒料层和和路基永永久变形形结构损坏坏类型路面类型沥青类和粒料类基层无机结合料类基层面层厚度厚中厚薄厚中厚、薄主要损坏永久变形（面层）疲劳开裂永久变形（粒料层和路基）疲劳开裂次要损坏疲劳开裂永久变形-永久变形反射裂缝冰冻地区低温缩裂（面层）三、路面面损坏模模型沥青层疲疲劳开裂裂无机结合合料层疲疲劳开裂裂沥青层低低温缩裂裂沥青层永永久变形形路基永久久变形路面损坏坏模型▪分析国内内外已有有模型，，比选出出合适的的模型模模式和和自变量量▪制定定标准试试验方法法▪室内内试验和和试验路路（ALF）试验，，标定定模型参参数▪长期期使用性性能观测测资料和和设计实实践经经验积累累，逐步步验证和和修正模模型参数数路面损坏坏模型沥青层疲疲劳开裂裂室内疲劳劳试验（（弯曲，，常应变变，618组）ε—应变，SO─弯曲劲度度模量，，VFA──沥青饱和和度弯曲模量量转换压缩模量量(Christensen)（31组试件））应变控制制加载模式式适适于厚厚度≤≤5cm应力控制制加载模式式适适于厚厚度≥≥20cm介于上述述两种情况况之间用Sigmoidal曲线过渡渡。模式系数数MF———模式系数数，应力力控制MF=-1,应变控制制MF=+1；A——劲度模量量下降（（％），，应力变变化（％％）；B——劲度模量量下降（（％），，应变变变化（％％）。分析464个路面结结构建立立模式系系数回归公式式。损坏模型型沥青层疲疲劳开裂裂路面损坏坏模型沥青层疲疲劳开裂裂模式系数数（MF）疲劳关系系式路面损坏模型型沥青层疲疲劳开裂裂ALF验证试验验损坏模型型沥青层疲疲劳开裂裂ALF验证k1=1.368，k2=–5.790轴载修正正（160kN→100kN）轴载系系数6.554横向分分布修修正横向分分布系系数2.03疲劳开开裂模模型损坏模模型无机结结合料料稳定定层疲疲劳开开裂室内疲疲劳试试验（（弯曲曲，147根试件件）室内疲疲劳开开裂模模型混合料类型应力比样本数疲劳关系式水泥稳定砂砾0.7,0.6,0.5515水泥稳定碎石悬浮密实19骨架密实19骨架空隙0.7,0.5514水泥稳定土0.7,0.6,0.5520二灰稳定碎石悬浮密实0.85,0.8,0.720骨架密实19损坏模模型无机结结合料料稳定定层疲疲劳开开裂损坏模模型沥青层层低温温缩裂裂沥青低低温性性能指指标低温延延度、、低温温针入入度、、当量量脆点点*低低温蠕蠕变劲劲度（（弯曲曲梁流流变仪仪BBR）（路面面最低低温度度加10˚C）S<300MPa*蠕变曲曲线斜斜率（（弯曲曲梁流流变仪仪BBR）（路面面最低低温度度加10˚˚C）m>0.35*断裂应应变（（直接接拉伸伸DT）（路面面最低低温度度加10˚˚C）ε>1%临界开开裂温温度低低于路路面最最低温温度*为借鉴鉴AASHTO沥青规规范损坏模模型沥青层层低温温缩裂裂基质沥沥青低低温性性能指指标验验证路路段调调查和和测试试路段平均缝距路龄BBR(-12˚C)BBR(-18˚C)DT(-12˚C)DT(-18˚C)临界开裂温度(˚C)S(MPa)mS(MPa)m应变(%)应变(%)T110m6年4530.378450.242.530.46-18.2T23660.346640.252.450.31-17.9T33920.357600.242.140.45-30.1T44170.419310.272.210.64-18.7T520m2660.395500.283.210.64-27.1T62450.395460.283.420.74-25.0Y15年2940.355260.292.670.55-25.7Y22780.355220.302.750.59-26.8Y32880.355400.292.660.52-28.9T750m6年2380.435230.333.780.93-28.0D70m4年1410.403460.303.291.04-29.6X3年1310.393140.325.371.33-损坏模模型沥青层层低温温缩裂裂沥青层层低温温开裂量量预估（Hass&Hajek)I—裂缝指指数，，h—层厚，，a—路龄，，S—劲度，，J—路基类类型，，T—温度验证路路段沥沥青面面层低低温开开裂量量观测测与预预估路段路龄a路基J设计温度T（˚C）沥青层厚h（cm）沥青劲度S（MPa）预估I值观测I值哈尔滨西环1年亚黏土-3-4017852.92.8辽源椅山-14年砂土-5-3510507.85.2辽源椅山-2165.54.4辽源椅山-3107.89.9辽源椅山-4107.87.7辽源外环-12年200.961.17辽源外环-2200.961.33辽源外环-3240.571.0辽源外环-4104.82.2通化-13年202.53.3通化-2106.33.5通化-3106.36.4通化-4106.34.5损坏模模型沥青层层永久久变形形抗永久久变形形性能能马歇尔尔试验验（稳稳定度度，流流值））三轴压压缩试试验（（ｃ，φ）三轴静静蠕变变试验验（流动动时间间）三轴重重复加加载蠕蠕变试试验（流动动数））定高度度重复复单剪剪试验验（G*，γ）轮辙仪仪试验验（动稳稳定度度）车辙控控制车辙量量预估估混合料料控制制指标标损坏模模型沥青层层永久久变形形轮辙试试验方方法指标相对辙辙深PRD（轮辙辙深/试件厚厚），%蠕变率率CS（蠕变变速率率的倒倒数）），次次/mm试验时时间1小时，，以最最后15min时段的的曲线线斜率率计算算蠕变变率试验温温度60˚C轮载接接触压压力0.7MPa空隙率率7%±±1%（密级级配）），5.5%±±0.5%（SMA）损坏模模型沥青层层永久久变形形永久变变形预预估模模型轮辙深深度模模型(Shami)基于APA轮辙仪仪试验验rd-辙深，，T-温度，，p-压力，，N-次数，，h-层厚，，k1-修正系系数，，0为标准准条件件标定参参数试试验3种普通通混合合料，，4种改性性混合合料，，3种轮压压，24˚C~70˚C，551个样本本，标定定出系系数系数abc普通沥青混合料2.4961.3540.484改性沥青混合料2.6311.8590.651沥青混合料2.5251.4420.523损坏模模型沥青层层永久久变形形ALF验证试验损坏模模型沥青层层永久久变形形ALF验证试验损坏模模型沥青层层永久久变形形模型指指数修修正a=2.636,b=2.550,c=0.500,d=1加载次次数换换算1.089辙深换换算1.04速度换换算速度820305080100换算系数1.5811.0000.8160.6320.5000.447损坏模模型沥青层层永久久变形形■容许车车辙深深15mm沥青混混合料料轮辙辙试验验相对对辙深深（%）要求（不大于于）（长大纵坡坡要求值值为平坡坡的0.6倍）交通分级(×106)距路表深度(cm)温度分区1-1、1-2、1-3、1-411-111-2、11-3、11-4111-210~107.5（5.5）15.011.515.0>1015.0（15.0）15.015.015.030~104.5（3.0）9.06.515.0>1011.5（9.0）15.015.015.0120~103.0（3.0）4.53.57.5>106.0（6.0）11.59.015.0损坏模型型沥青层永永久变形形■相对辙深深与蠕变变率经验验关系（（117个样本））沥青混合合料轮辙辙试验蠕蠕变率（（次/mm）要求（不小于于）（长大纵坡坡要求值值为平坡坡的0.6倍）交通分级(×106)距路表深度(cm)温度分区1-1、1-2、1-3、1-411-111-2、11-3、11-4111-210~101500（2400）600800600>10600（600）60060060030~103200（5500）12001800600>10800（1200）600600600120~105500（5500）320045001500>102100（2100）8001200600损坏模型型沥青层永永久变形形重复加载载三轴蠕蠕变试验验围压应力力138kPa，轴向应应力700kPa，45˚C（普通）），50˚C（改性））流动数预预估模型型4种混合料料，3种温度，，3种轴向应应力永久变形形预估模模型ALF验证损坏模型型路基土和和粒料层层永久变变形土和粒料料永久变变形模型型动三轴试试验路基和粒粒料层永永久变形形模型分层应变变总和法法路基顶面面压应变变控制模模型安定(shake-down)理论概念念应力水平平低时，，永久变变形累积积速率随随作用次次数增加加而逐渐渐减缓，，并趋向向稳定，，最终达达到平衡衡状态。。损坏模型型路基和粒粒料层永永久变形形土和粒料料永久变变形模型型*3种土、3种含水量量、2种压实度度、3种偏应力力、1种围压应应力，重重复加载载10000次，162次试验*4种粒料、、3种含水量量、1种压实度度、3种偏应力力、3种围压应应力，重重复加载载10000次，72次试验*永久久变形关关系式（Tseng&Lytton)损坏模型型路基和粒粒料层永永久变形形土和粒料料永久变变形模型型试验参数数与性质质指标关关系（土）εp，εr─塑性应变变和弹性性应变,w─含水量，，Er─回弹模量量试验参数数与性质质指标关关系（粒料）损坏模型型路基和粒粒料层永永久变形形控制路基和粒粒料层永永久变形形分层应变变总和法法δp(N)─作用N次总变形形，n─分层数，，hi─i层厚，εpi(N)─i层作用N次的永久久变形永久变形形经验模模型（常常用路面面结构））得到各回回归系数数k、a～f—回归系数数损坏模型型路基和粒粒料层永永久变形形路基顶面面压应变变控制模模型*处于于临界损损坏状况况的薄沥沥青路面面结构70年代弯沉沉调查：：无明显显变形、、较多纵横向裂缝缝或局部部网裂AASHO：PSI=2.5AI：车辙深深12.7mm*反算路基基顶面压压应变，，统计累累计轴次次损坏模型型路基和粒粒料层永永久变形形路基顶面面容许压压应变模模型四、路路面设计计参数材料性质质参数*路路基土和和粒料层层回弹模模量*沥沥青混合合料动态态模量*无机结合合料稳定定类材料料弹性模模量和弯弯拉强度度*沥青低温温弯曲蠕蠕变劲度度、直接接拉伸断断裂性质质*沥沥青混合合料低温温间接拉拉伸蠕变变柔量和和抗拉强强度环境参数数*路路基湿度*沥沥青层温度设计参数数材料性质质参数层层次按项目重要性、工程规模模和投资量划分不同同层次第一层次次：按标标准试验验方法实实测确定定——提供标准准试验方方法第二层次次：利用用与其他他材料性性质参数数关联的回归关关系式确确定——提供经验验关系模模型第三层次次:参照代表表值或由由经验确确定——提供参考考值表设计参数数路基土和和粒料层层回弹模模量动态三轴轴仪标准准试验方方法*试件件尺寸、、试件制制备和预预加载条条件*应力力水平（（各种路路面结构构应力状状况分析析）*加载载序列土和粒料料回弹模模量本构构模型（（NCHRP模量预估估模型））θ─主应力之之和，τoct──八面体剪剪应力，，pa─参照应力力，为100kPa，k1、k2、k3─参数回弹模量量测试*2种土、3种含水量量、2种压实度度*3种级配碎碎石、3种含水量量、1种压实度度设计参数数路基土和和粒料层层回弹模模量参数级配碎石土k11.15601.5941k20.68360.4917k3-0.1663-1.5545SHH4:CL(A-7-6)GSH190:CL(A-7-6)压实度=91％设计参数数路基土和和粒料层层回弹模模量基于物性性参数的的三参数数经验模模型土粒料设计参数数路基土和和粒料层层回弹模模量当量回弹模量量按弯沉等效原原则转换，确确定当量模量量和应力水平平路基土和粒料料层当量回弹弹模量参考值值交通等级、路路面结构、粒粒料和土类型型粒料层当量回回弹模量参考考值范围（MPa）材料轻交通中等交通重交通取值范围代表值取值范围代表值取值范围代表值级配碎石250~650450200~500350150~400300250~550400200~400300--180~300220180~250215180~250210级配砾石200~400300150~300250--150~250195150~220190150~200180设计参数路基土和粒料料层回弹模量量路基土和粒料料层当量回弹弹模量参考值值路基当量回弹弹模量参考值值范围（MPa）土组轻交通中等交通重/特重交通取值范围代表值取值范围代表值取值范围代表值砾类土110~125110105~130115110~135120土质砾95~11510595~120105100~125110砂类土90~11010095~115105100~120105土质砂60~857065~907570~9580粉质土50~756555~807060~8575粘质土50~706055~756555~8070设计参数路基湿度路基湿度指标标饱和度质质量含含水量路基湿度类型型干燥类，地下水位位低，气候因素控制制（湿度指数TMI）Ry─y年水的径流量量，DFy─y年的水不足量量，PEy─y年的潜在蒸发发量潮湿类，地下水位控制制中湿类，兼有二者影响设计参数路基湿度土-水特性曲线路基常为非饱饱和土，其湿湿度与土的基基质吸力密切切相关。土-水特性曲线即即反映两者的的关系。选用用Fredlund&Xing模型设计参数路基湿度干燥类路基土的基质吸力力hm与湿度指数TMI关系12个路段土样和和TMI值与他人数据据一起回归标标定参数设计参数路基湿度干燥类路基湿湿度预估由TMI值和土性参数数→土的基质吸吸力→土-水特性曲线→→含水量和饱饱和度各土组在不同同TMI值（-30~30）时的湿度预预估TMI湿度指标砂黏土质砂粉土黏土-30w(%)12.25~13.548.13~8.998.39~13.548.53~14.96Sr(%)0.78~0.860.57~0.620.56~0.760.52~0.86-10w(%)12.5~13.829.29~10.279.63~17.019.73~17.04Sr(%)0.79~0.870.65~0.710.64~0.850.59~0.9310w(%)12.63~13.9610.26~11.3410.68~18.2110.61~18.73Sr(%)0.80~0.880.71~0.790.71~0.960.64~0.9630w(%)12.69~14.0211.01~12.1711.61~18.6811.25~19.39Sr(%)0.80~0.890.77~0.850.77~0.980.68~0.98设计参数路基湿度潮湿类路基土的基质吸力力与地下水位位关系设计参数路基湿度潮湿类路基湿湿度预估——由地下水位高高度→土的基质吸吸力→土-水特性曲线→含水量和饱饱和度各土组的湿度度预估土组毛细上升最大高度含水量（%）饱和度（%）砂0.9m12.81~15.000.81~0.95黏土质砂0.9m12.99~14.350.90~1.00粉土3~3.36m11.17~18.920.74~0.99黏土6~8.2610.18~18.680.62~0.95设计参数路基湿度中湿类路基湿湿度预估归并干燥类和和潮湿类路基基的湿度预估估值得到各土组在不同同TMI值（-30~30）时的湿度预预估TMI湿度指标砂黏土质砂粉土黏土-30w(%)12.81~15.008.56~14.358.39~18.928.53~18.68Sr(%)0.81~0.950.59~1.000.56~1.000.52~0.95-10w(%)12.81~15.009.78~14.359.63~18.929.73~18.68Sr(%)0.81~0.950.68~1.000.64~1.000.59~0.9510w(%)12.81~15.0010.80~14.3510.68~18.9210.18~18.73Sr(%)0.81~0.950.75~1.000.71~1.000.62~0.9630w(%)12.81~15.0011.59~14.3511.17~18.9210.18~19.39Sr(%)0.81~0.950.81~1.000.77~1.000.62~0.98设计参数路基湿度非冰冻区路基基回弹模量湿湿度调整系数数（NCHRP2002)a=log（MR/MRopt）最小值，b=log（MR/MRopt）最大值MR—湿度处于平衡衡状态的回弹弹模量MRopt—最佳含水量和和最大干密度度状态的回弹弹模量12个路段的模量量测试，标定定参数a=–0.6563，b=0.2548，km=6.4604设计参数路基湿度非冰冻区路基基回弹模量湿湿度调整系数数干燥类路基回回弹模量湿度度调整系数潮湿类路基回回弹模量湿度度调整系数TMI砂黏土质砂粉土黏土-300.788~0.8711.281~1.4161.005~1.2300.730~1.604-100.748~0.8261.087~1.2010.759~0.9580.565~1.506100.728~0.8040.905~1.0000.583~0.7740.512~1.413300.718~0.7940.766~0.8470.508~0.6540.491~1.331路基层位砂黏土质砂粉土黏土路基顶面0.802~0.8870.553~0.6110.408~0.6950.531~1.461路基工作区底面0.506~0.5590.409~0.4520.399~0.6220.531~1.447设计参数路基湿度季冻区路基回回弹模量综合合调整系数设定：*冰冻、溶解、回复复、正常分别别为3、1、4、4个月*冰冻期模模量:10000MPa＊溶解期模模量:完全饱和＊回复期：：线性插值分时段定模量量值，按疲劳劳损伤加权总总和，与最佳佳含水量时模模量相比，确确定调整系数数。设计参数路基湿度季冻区路基回回弹模量综合合调整系数干燥类路基回回弹模量综合合调整系数潮湿类路基回回弹模量综合合调整系数TMI砂黏土质砂粉土黏土-300.579~0.7270.658~0.7270.537~0.7790.596~0.954-100.584~0.7030.636~0.7030.520~0.6860.522~0.892100.577~0.6680.604~0.6680.492~0.6280.492~0.856300.573~0.6290.569~0.6290.448~0.5960.480~0.843土质类型砂黏土质砂粉土黏土综合调整系数0.549~0.6070.453~0.5000.392~0.5870.507~0.863设计参数无机结合料稳稳定材料弹性性模量使用中的模量量＊试件模量（压压缩模量、弯弯拉模量）＊收缩开裂后模模量＊衰变模量＊疲劳破坏后模模量设计参数无机结合料稳稳定材料弹性性模量■模量衰变（水泥稳定碎石石）设计参数无机结合料稳稳定材料弹性性模量在不同疲劳损损耗阶段的模模量折减系数数材料类型疲劳损耗20%疲劳损耗50%疲劳损耗80%水泥稳定碎石0.41~0.700.37~0.600.30~0.50水泥稳定土0.65~0.750.58~0.720.50~0.65二灰稳定类0.62~0.690.55~0.620.50~0.60设计参数无机结合料稳稳定材料弹性性模量弹性（回弹））参考值材料类型7d抗压强度试件模量收缩开裂后模量疲劳破坏后模量水泥稳定类3.0~6.03000~140002000~2500300~5001.5~3.02000~100001000~2000200~400二灰稳定类≥0.83000~140002000~2500300~5000.5~0.82000~100001000~2000200~400石灰稳定类≥0.82000~4000800~2000100~3000.5~0.81000~2000400~100050~200设计参数沥青混合料动动态模量单轴压缩动态态模量标准试试验方法试件尺寸和试试件制备频率25、10、5、1、0.5、0.1Hz温度10、5、20、35、50˚C简化方法（频频率10、5、1、0.1Hz，温度5、20、35˚C）编制试验规程比对试验设计参数沥青混合料动动态模量动态模量建模模试验*3种沥青、3种沥青混合料料、3种沥青含量、、3种集料公称最最大粒径、3种空隙率、3种温度、3种频率、3种应变水平，，共168次试验＊验证试验验188次*8个影响变量，6个模量模型和2个相位角模型设计参数模量预估模型动态模量预估模型型（共6个）设计参数沥青混合料动态模模量常用沥青混合料动动态压缩模量参考考值（MPa）*标准条件（20˚C，10Hz）*沥青混合料AC、AK、SMA（10、16、25）*沥青AH-70、-90、-110*沥青含量4%、5%、6%*空隙率3%、4%、5%、6%、7%AC-16在标准条件下的动动态压缩模量参考考值(MPa)沥青用量AH-70AH-1104%5%6%4%5%6%空隙率(%)313074~1423310027~109167690~837111032~120108461~92116489~7064412100~131729280~101027117~774710210~111157830~85246005~6537511198~121908588~93496586~71709449~102867246~78895557~6050610363~112827948~86526095~66358745~95206706~73015143~559979591~104417355~80076541~61418093~