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但对它们之间的互相影响关系,则须予以考虑并加以正确处理。
2.强度与变形分开计算的准则,即在地基设计中必须满足下列两个最基本的要求。
一是,地基的强度要够,即按岩土强度计算所得的容许承载力要大于由基础传来之力。
二是,地基的沉降或变形量要小于最大容许沉降或变形量。
其含义就是,作为地基的岩土,既不容许产生剪切破坏丧失稳定性,也不容许产生过大的沉降和变形。
因而地基承载力计算,沉降量计算与整体稳定性计算就成为地基设计的主要内容了。
3.在上个世纪,为了能以有效而准确地计算地基的承载能力,岩土力学与地基基础专家们曾作过大量的工作,并发表了大量的计算公式。
在欧美各国最常用的公式有:
太沙基公式、汉森公式与梅耶霍夫公式;
在前苏联则有:
别列赞捷夫和索柯洛夫斯基公式。
他们所用的理论和推导方法基本相似,所得公式也基本相似,以太沙基公式为例:
Qult=CNC+1/2γBNγ+qNq
公式第一项CNc为粘土项,第二项1/2γBNγ为宽度项,第三项qNq为深度项。
在粘土地基中,粘土项CNc是起支配作用的,因此应注意C值的测试方法的准确性;
在砂性土地基中,深度项qNq是起支配作用的。
因此,尽量加深埋置深度,决不可在砂性土地基的表面设置基础;
宽度项1/2γBNγ,不论在粘性土还是砂性土中,对地基承载力均能起到加大作用。
但当B<3~4米时,其作用不大,一般可略而不记;
内摩擦角Φ值的大小,对承载力都是起决定性作用的。
因此,在测定Φ值时,不仅要求测试的准,而且更重要的是测试方法要与实际情况相符:
如排水、不排水、固结不固结等。
4.按规范确定地基承载力
确定地基承载力的方法,除了理论公式外,比较可靠的方法是原位测试,即在现场用仪器直接对地基土进行测试。
也可在设计位置对旧建筑物进行地基调查。
在大多数情况下,可采用地基基础设计规范,这些规范所提供的数据和方法,大多是根据土工试验、工程实践和地基荷载试验总结出来的,具有一定安全储备,不至因种种意外原因而导致地基破坏。
①“公路桥涵地基与基础设计规范”(JTJ024-85)第2.1.4条给了“当基础宽度b超过2米,基础埋置深度h超过3米,且h/b≤4时”地基的容许承载力,按下式计算:
[σ]=[σ0]+k1γ1﹙b-2﹚+k2γ2﹙h-3﹚
从形式上看,与理论公式佷相似,都由三项组成,第二项含有γb,第三项含有γH。
这说明经验公式中每项都具有一定的力学意义。
第二项主要来自基底以下滑动土体的重力,故γ1是指基底以下土体的重度。
如在水下,且为透水土,γ1应采用浮重。
第三项是表示过载作用,故γ2是指基底以上土体的重度。
若基础在水面以下,且持力层为透水者,则过载将受浮力作用,故基底以上的水下土层不论是否透水,其γ2均应采用浮重。
若持力层为不透水者,则作为过载的不仅有基底以上土颗粒重,而且也包含孔隙水重,故不论基底以上的水下土是否透水,γ2均采用饱和重度。
公式的第二项中含有宽度b,随着基础宽度的增大,地基承载力也相应地提高,这反映该公式与地基强度理论公式的一致性,但考虑到基础宽度过分地增加,地基荷载应力的扩散深度也相应加大,随之而来的是沉降量的增加,对建筑物是不利的,因此对地基承载力随宽度的增加应有所限制。
《桥规》规定,当基宽b大过10m时,公式中的b值仍采用10m。
该公式中第三项含有H,说明承载力随基础埋深成线性地增加。
但对于深基础就稍不同,根据试验证明,承载力随深度的变化并非线性关系,而是随深度增加,承载力的增长率则逐步递减。
故《桥规》又规定只限于H/b≤4的情况。
经验公式中的
、
与理论公式中的
有一对应关系,它们都是内摩擦角Φ的函数。
考虑到Φ=0时,Nγ=0这一规律,黏性土的Φ值一般都偏小,故
值也应取偏小值。
另一方面,考虑到黏性土地基的沉降量较大,公式的第二项中含有宽度b的因素,对沉降不利,故表2.1.4中对黏性土的
值一律取零,以策安全。
对于稍松砂土和松散的碎石类土地基,
值可取中密值的50%。
对于岩石地基如节理不发育或较发育者,不作任何深宽修正。
对于节理发育的岩石地基,则可采用碎石类土的宽度深度修正系数。
对于已风化成砂土、黏性土者,可参照砂土、黏性土的修正系数。
对于修建在水中的基础,持力层又是不透水土,则地基以上水柱将起到过载或反压平衡作用,因而可提高地基承载力。
故《桥规》第2.2.1条规定,凡地基土符合上述条件,由常水位到河床一般冲刷线,水深每高lm,容许承载力[σ]可增加10kPa。
②岩石地基的承载力,不能简单地取一个岩样作单轴压力试验来判定,因为整个岩盘存在着节理和裂隙,岩样的强度是局部的,不能代表岩石地基整体。
所以规范中既要考虑岩石的坚硬程度,又要考虑岩石的节理和裂隙发育情况。
“桥规”表2.1.2.7为岩石的容许承载力[σ0],在表中把岩石按坚硬程度分成硬质岩(其岩块单轴极限抗压强度R在30MPa以上)、软质岩(R大致在5~30MPa)和极软岩(R大致在5MPa以下)三类。
按岩石的破碎程度可分为碎石状、碎块状、大块状,也可按节理发育情况也可分成不发育或较发育、发育和很发育三类。
显然节理不发育(或较发育)的承载力较节理发育者为高。
如地基为风化岩石,应根据风化后残积物的形态类别,按同类型土的承载力表查其[σ0],例如风化岩形成土或砂、砾状物时,可比照土、砂类土、碎石类土的承载力表查[σ0]。
当风化后的颗粒之间还保持一定联系时,承载力可酌量提高。
㈢基础类型
建筑物的基础通常被分为两大类:
浅基础和深基础。
浅基础是指其埋置深度或相对埋深(深宽比)不大,一般用基坑法施工的基础。
而深基础除少量也用基坑法施工外,一般用特殊的施工方法,如沉井基础、沉箱基础、桩基础、管柱基础、地下连续墙基础等。
3.1浅平基
又叫明挖基础、直接基础,或扩大基础。
当持力层在水面之下不太深时,采用围堰,并在堰内出土,设置这种基础,往往是经济的。
若施工时地面无水(例如,在河滩上、并值枯水季节,又如,在山区、且不是雨季),可以参照基础尺寸大小,垂直向下挖基坑。
将基坑截面取为圆形,仅需在坑壁喷射混凝土一薄层(例如,基坑直径12m,深度10m,喷混凝土10~15cm),就可以达到护壁目的。
在地面有水之处,如果水深不超过3~4m,流速不超过2~3m/s,可以考虑用草袋围堰;
若流速较大,可在其外侧用石笼加固;
若河床透水,可用双液注浆方法(以水泥及水玻璃注入,以封闭透水层)。
在这种围堰内进行开挖及混凝土灌注。
若水深8~10m,可以在枯水季节筑岛,并在岛上修建圆形混凝土围堰,照沉井施工方法那样接高并下沉。
这种围堰比双壁钢围堰经济。
对于各种水深,可采用钢板桩围堰。
若将围堰做成圆形,则其支撑(即围笼)可以取环状,使堰内的工作空间较为宽敞。
且环状支撑也可以用钢筋混凝土杆件制成,其刚性较大。
为使围堰牢靠,钢板桩一般需打进覆盖层内至少3~4m。
3.2沉井基础
沉井是一个无底无盖的井筒,一般由井壁(即外墙,其下端为了在土中下沉容易,制成刃脚)及隔墙(即内墙)组成。
从沉井内出土,井筒即可凭其自重下沉;
这时,井筒(井壁及隔墙)可以向上接高。
如若井筒上段在成桥之中并非必需,则可在井筒上端的周边设置围堰,以便在堰内排水并修建墩台身部,随后再将围堰拆除。
在沉井刃脚下沉到设计高程之后,就用混凝土封底、再以填充料(碎石,水等)填心、并在沉井上端修建顶盖。
3.2.1沉井基础的适用范围、优点及缺点
沉井是凭借自重下沉,随后发展到凭借向井壁外侧射水以减少土的摩阻力,又发展为泥浆套法,空气幕法以及压沉法,这就可以使井壁减薄,减少工程数量及自重。
为适应岩层面的高低不平,可以在增加探测点的基础上,制成高低刃脚沉井。
为提高沉井承载力,可以在井孔之中进行钻岩,用管柱法来加强它。
为防止沉井在下沉中歪斜或偏离设计位置,可以增加探测管,并在发现偏斜时立即采取纠偏措施(偏吸泥、偏除土、偏压重、外除土、外射水、增加支承反力、施加水平拉力)。
沉井基础的采用十分广泛。
它可以穿过各种土层,将井底落于岩层或承载能力稍高的硬层。
施工机具并不复杂。
优点在于:
①沉井制造是在地(水)面以上进行,结构的质量能保证;
②结构的整体性高,刚性大,若遇船舶撞击,桥梁不易损坏。
缺点在于:
①工程数量较大②灌注水下混凝土时,清基工作较难保证③施工中纠偏难度较大,费工、费时。
3.2.2筑岛沉井
在水深和流速都不大处,可以在水中直接用沙土(或在草袋围堰内)筑岛;
若水深较大,则可以用钢板桩修建一圆形围堰,在堰中填沙成岛。
在沙岛表面制造沉井。
南京长江大桥1号墩(使用重型沉井)。
该处水深1~6m。
沉井平面尺寸为20m×
25m,其高度为53.5m。
让底面到达粗砂。
沉井混凝土为17000m3,重量约为39100tf。
另加恒载和活载约6000tf,墩底总荷载为45100tf。
施工时,先用钢板桩(长度为18~20m)制成φ34m的圆形围堰。
清去浮土,在堰内填粗砂,完成筑岛工作。
在砂岛上制造沉井底节,一面下沉,一面接高。
沉井共设φ4.0m井孔12个。
封底混凝土厚度为6.0m。
历时16个月竣工。
京九铁路孙口黄河大桥正桥有17个墩采用沉井基础。
沉井为圆形,外直径为14m(制动墩)或12m(活动支座墩);
采用薄壁沉井。
井壁厚度为0.9m;
隔墙取十字形,厚度0.8m,将沉井分为4个象限;
因为井壁较薄,均采用空气幕法下沉。
沉井高39~46m。
3.2.3浮运沉井
在水情稳定之处,若水深较大,可以在桥址之外将沉井底节做好,再拖运到桥址,加重,使其落到河床,这便是浮运沉井。
为使沉井能浮运,可以有三种办法:
①在刃脚处加一临时底板,在运到桥址后则拆去该底板;
②仅按井壁、隔墙内外表面用薄层板做成一空壳,使其能浮运,拖运到桥址后,向壳内加水,即可下沉;
③在各井孔设置钢气筒,向气筒内注入压缩空气将水驱除,即可增加浮力并浮运到位;
随后再让空气排出,即可下沉。
1968年建成的南京长江大桥,其4至7号墩,墩处的水深将近30m,覆盖层厚度大致是35m。
采用浮运式沉井。
平面尺寸大致是18m×
22m,各设有φ3.2m气筒20个。
采用高压射水破坏风化岩层,用空气吸泥机出土(包含出岩粒),直至将沉井嵌入基岩。
1970年完成的枝城长江大桥中,有5个墩(4至8号)采用了浮运圆形钢沉井。
外直径20m。
井身高达31.5m,在井顶的钢板桩防水围堰则可接高15.9m。
沉井内有φ3.9m气筒9个。
为适应岩面高低,有4个沉井采用高低刃脚。
有3个墩(5至7号)因其基岩较差,在9个气筒(即井孔)内用冲击钻在岩层内钻出φ3.2~3.6m的孔,再在孔中填混凝土,使具有管柱的作用。
为节约钢材,对沉井上部的钢壁进行了回收。
3.2.4设置沉井
这是一日本名称。
意指将基坑用坑壁放坡法预先挖到基底,并且整平,随后再将预制的沉井空壳浮运到位,注水下沉,并用水下混凝土灌注,完成沉井工作。
优点在于省去沉井的出土、下沉工序,使海上运输少受干扰。
缺点则是:
开挖量大(基坑基底在每边均需比沉井基底大出5~15m,基坑边坡需为1:
1~1:
3);
沉井壳用钢制造,用钢量不少;
沉井全用混凝土填充,混凝土数量也很大。
日本备赞大桥、明石大桥均采用设置沉井法于1988年建成。
也是在1998年,丹麦建成了大贝耳特悬索桥,塔的基础施工方法同设置沉井十分相近。
同日本明石大桥相比,这桥每塔的沉井基础仅用混凝土11750m3、用钢量1925t。
但明石大桥每塔的沉井基础则为:
结构钢15500t,混凝土339000m3。
为丹麦桥用钢量的8.05倍、混凝土的28.9倍。
3.3气压沉箱基础
沉箱是一有工作室的箱形构造,下面没有底,室的上面有顶盖,可以让压缩空气进入室内,将水排到室外,在室内挖土;
箱壁下端是刃脚,可以让箱脚进入土内。
为了安装气筒和管路,顶盖上需要设孔。
气筒可以向上接高,其上端需设中央气闸、人用变气闸及料用变气闸。
人用变气闸的作用,一是逐步改变闸内气压,使工人能够适应;
二是防止在工人进出气闸时,压缩空气外泄。
另外,在顶盖以上,在沉箱周边应设围堰,以资防水,借能在堰内灌注墩台身部。
下图是沉箱示意图(由于沉箱的特点是让工人在压缩空气中工作,沉箱又叫气压沉箱)。
1892年修建滦河桥(老桥,在北京山海关铁路线上),1909年修建京沪铁路泺口黄河桥,1935年修建浙赣铁路钱塘江桥时,都曾使用了沉箱基础。
但从1954~1956年开始,武汉长江大桥开发了管柱基础,给深水基础开辟了一条新路。
于是,1959年以来,沉箱在我国就很少提到了。
不过,在国外,沉箱仍然在使用;
而且还研究遥控挖掘沉箱工法以适应特殊需要。
沉箱的优点,在于可以让人直接看到基底,能排除各种故障(例如,沉船,钢铁沉积件、大孤石等),能对基底承载能力作简单试验。
随下沉深度增加,工作条件越来越恶劣;
为预防沉箱病,进出气闸所需的变压时间越来越长,每班的工作时间越来越短。
一般,沉箱下沉深度应以水面之下35m为限。
3.4管柱基础
管柱基础的结构构造示意图
﹙a﹚低承台管柱基础﹙b﹚高承台管柱基础﹙c﹚斜管柱高承台基础
管柱基础是我国于1953年修建武汉长江大桥时所首创的一种新的基础型式。
这种方法的实施,主要是:
①用定位桩若干根,将一外直径16m的钢围笼﹙也称围令﹚固定于设计位置上;
再通过围笼上的格子,将管柱(外径1.55m~5.8m)插入河床,用振动打桩机及高压射水迫使下沉,使管柱下端到达岩面;
②用冲击式钻头在管柱内冲击岩石,在岩石中钻成直径约1.4m,深度为2~7m的岩孔;
将钢筋笼插入岩孔,再用水下混凝土填满岩孔及管柱;
③在围笼外围插打钢板桩围堰,并用水下混凝土将围堰封底;
在混凝土养生之后,凭借围笼对钢板桩的支撑,在围堰内抽水,然后可以在管柱上灌注承台及墩身;
至其升出水面后,便可以拆去围堰了。
这种方法的优点,在于工人的工作全是在水面之上进行,不受洪水影响,这就可以压缩工期。
工程材料用量是比沉箱为少;
且管柱下端可以适应岩面高低不平情况。
①所需机具设备颇多,而且是专用性质,这是一般工程队伍所不易办到的。
②所需消耗的电力(尤其是高压射水)较多。
武汉长江大桥所用管柱的直径为1.55m;
最大入土深度为27m左右;
每根管柱所承受的设计轴向荷载(主力)为504~634t。
其中6个主要墩(2至6号、8号)所用管柱数目,每墩为30或35根,由主力产生的岩石承压力是4.0~4.7MPa。
在封底混凝土底面处,其3号墩所受到的竖向荷载(恒+活)为16100t。
在1960~1965年,南京长江大桥第8及9号墩仍用管柱基础。
施工时最大水深为23m,覆盖层厚度达46m,岩面是在水面以下69m。
每墩均是用10φ3.6m预应力混凝土管柱。
在最大反力组合,在管柱下端,一根管柱所受最大轴向力为4290t及4420t。
为下沉管柱,每一管柱均用2台中-250型振动打桩机并联使用。
南京长江大桥的第2及3号墩采用矩形沉井、下接管柱的基础。
水深约30m,覆盖层厚约40m。
在2号墩,岩层为页岩及砂岩,砂岩局部疏松,裂隙发育、破碎。
采用13φ3.0m混凝土管柱。
一根管柱最大轴向力为3200t。
在施工中管柱若有一个发生倾斜或不均匀下沉,那就很难纠正。
于是,十分谨慎地对待施工。
在墩周还进行抛石防护,以减少局部冲刷,使墩周的土有足够抗力,这就对墩的强度和刚度有利。
对3号墩的破碎岩石地基,还进行了长时期的固结灌浆、填充灌浆和挤实压浆。
分别经历了3年和5年的艰辛施工,两个桥墩才胜利地建成了。
管柱基础创始于我国。
不久就在各国通行。
前苏联、日本与欧美等国均先后予以采用,只是在施工方法与设备方面物有所改进与提高罢了。
其中,尤以日本对这一基础类型的推广、提高最为有力,并将其定名为多柱式基础。
日本曾将这种方法用之于海上,并称之为多柱基础。
致使管柱基础的适用范围由内河深水基础,走向了海洋深水基础。
管柱基础与大直径的桩基础或小直径的沉井基础的主要区别在于:
(1)管柱的柱底是钻孔嵌岩的。
借管柱底嵌入岩磐和管柱顶嵌入刚性承台来减少柱的自由长度、提高整个基础的刚度,而不是靠桩侧土体的侧向抗力或专靠加大基础的体积与重量来提高基础的刚度的;
(非嵌岩者已归属柱桩基础一类);
(2)地基的受力状态,由于有了钻孔嵌岩柱部份,使持力层由表面直接承压改为通过钻孔向岩层深处扩散,从而提高了基岩的承载能力;
(3)管柱基础所受之水平力及力矩,主要系由管柱上下端的嵌固力矩与嵌岩孔壁来承受。
而不象桩或沉井、沉箱那样,需靠基础周围土的水平抗力、嵌固力以及由自重所产生的抗倾覆力矩与摩阻力来平衡。
(4)管柱与嵌岩钻挖井柱的区别主要在于:
管柱的受力体主要是预制的管壁(R.CPC或钢)不足之数由管内填充之混凝土或钢筋混凝土来补足。
而钻挖井柱则以就地水下灌注的钢筋混凝土柱作为主要受力体。
即便钢护筒不拔除,也因筒壁较薄受力不大,不考虑它的受力作用。
另外,在施工方面,管柱是用管节的强迫下沉,然后再在管内排土成孔的。
3.5双壁钢围堰钻岩基础
1973年修建九江长江大桥5号墩时,提出了双壁钢围堰钻岩方案。
双壁钢围堰外径约为20m,内径17m,两壁所夹厚度为1.4m,这是用6mm厚的钢板沿着圆围堰的内外表面而制成的空壳;
在两壁之间,用桁式钢杆件加劲。
将这种围堰分为几节、每节分成几块,预先制成。
将底节拼好,并运到桥位,浮在水中。
一面向上接高,一面向空壳内注水,使其刃脚进入河床。
再从堰内吸泥并排出,同时加高围堰(只需拼装预制块并焊接),直至刃脚到达岩层。
然后,将若干φ3.0m圆钢筒(壁厚6mm)吊入堰内,并固定其位置。
于是,在这些圆钢筒与堰的内壁之间,灌注水下混凝土封底。
这样,这一围堰就扎根牢靠。
再用旋转钻机,在各圆钢筒内钻岩。
在岩孔钻好后,放入钢筋笼,灌注混凝土(至封底混凝土顶面)。
然后,可以抽水,灌注承台及墩身。
再将钢围堰的上段烧切下来,以便回收。
同钢围笼、钢板桩法相比,此法用料较少(不用钢板桩,且围堰用料比钢围笼为少,而围堰上段还可以回收),用机具较少(不用吊插及下沉钢板桩,不用管柱节段,不用振动下沉),工作空间较大(内壁17m直径之内的空间可以自由利用使吸泥、立模、灌注混凝土工作方便),几乎不受施工水位干扰(围笼及钢板桩只能抵抗20m水头,若在高水位时从堰内抽水,极易翻砂或损坏,但现设计的双壁钢围堰在其下段灌入混凝土之后,可以抵抗36m水头),因此,可以压缩工期。
同钢沉井、下接管柱者相比,沉井是永久结构的组成部分,它在下沉中要发生偏位,这将使其管柱受力条件恶化;
但围堰是临时结构,只要让圆钢筒位置按设计位置决定,则其永久结构就不会有偏心;
而且,钢围堰构造简单,上段又可回收。
九江桥有4个墩(3号,5至7号)使用了这种基础。
岩面有高低不平者(高差分别达3.6及3.9m),覆盖层有厚达31.3m者,这都未造成困难。
有不少公路桥,如武汉长江二桥及军山大桥,铜陵及黄石长江大桥、南京长江二桥均采用双壁钢围堰钻岩基础。
2000年9月竣工的芜湖长江大桥,主航道桥为矮塔斜拉桥,公铁两用,跨度为180m+312m+180m。
其主墩基础也是用双壁钢围堰钻岩基础。
围堰外径30.2m,内径27.0m,两壁所夹厚度为1.6m;
在两壁之间灌有混凝土之后,所能抵抗的水头达43m。
堰内的钻岩桩(管柱)为19φ3.0m。
3.6地下连续墙基础
将钻孔桩的截面取作矩形,让它们彼此相邻,然后将其连接就组成为地下连续墙了。
其优点是:
①是以摩阻力为主的摩擦型基础。
由于地下连续墙在挖槽时对周围土层的扰动比下沉沉井的扰动要小,加上井箱内留有土芯,墙的内外两面都同土层接触,其摩阻力要比沉箱或沉井都大。
因此,地下连续墙可以获得较大的承载力②是一个变形很小的刚性基础。
地下连续墙基础的刚度不仅比桩基础的刚度大,而且比沉箱或沉井都大。
所以,在水平力作用下,其变位很小。
典型例子是1986年建成的日本北浦港双线铁路桥。
该桥为5跨连续梁,两主跨均为120m。
主桥墩所用的地下连续墙厚度为1.5m,水平截面为空心矩形,外廓尺寸为9.0m×
10.0m(内部空心部分为6.0m×
7.0m)。
地下连续墙是分成4个竖向单元施工,单元之间的连接是让水平钢筋搭接。
顶板厚度4m;
顶板以上便是墩身。
1989年建成的白鸟大桥(在日本北海道)是主跨720m的悬索桥,其两塔的基础也是用地下连续墙法施工。
1992年投入运营的日本青森大桥(斜拉桥)的塔基础也是用地下连续墙。
该桥跨为120m+240m+120m。
桥塔基础采用平面尺寸较大,深度较浅的地下连续墙。
水平截面为空心矩形;
外廓尺寸为20.5m×
30.0m,内有6个矩形孔(平面尺寸均8.0m×
8.0m);
外壁、内壁厚度均1.5m。
墙顶之上的顶板,厚5.0m。
从顶板之下,算到墙底,深度是37m。
该地连墙分为29个竖向单元施工。
单元之间水平钢筋的连接采用管状接头。
就规模讲,在同类基础中,这桥是最大的。
3.7桩基础
桩基础可分为打入桩基础和就地钻(挖)孔桩基础;
按材料可分为木桩、钢桩、钢筋混凝土桩和预应力混凝土桩
3.7.1打入桩基础
将预制的桩,打入土中,主要靠土的摩阻力、其次靠桩尖承压力,使桩获得承载力,再在桩顶用承台连起来,所形成的基础结构。
打入桩,起初是用木桩,后来发展为钢桩及混凝土桩。
沉桩的方法,起初是用人力进行锤击,后来发展为蒸汽锤及柴油锤、振动打桩机、以及射水下沉法、吸泥下沉法。
就当前的技术水平讲,采用有斜桩的高桩承台,主要是用打入桩。
3.7.1.1木桩
长度每为9~20m,每桩容许承
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