Alexandrova, a 16ª cabeça de chave, derrotou Sabalenka por 7-6 (3), 4-6 e 6-4 em 2h29mins, garantindo sua vaga nas quartas de final.
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A russa aguarda a vencedora da partida entre a oitava cabeça de chave, a americana Amanda Anisimova, e a nona cabeça de chave, a ucraniana Elina Svitolina.
"Eu não tinha expectativas antes da partida", disse Alexandrova. "Eu sabia que seria muito difícil quando entrasse em quadra. Tentei arriscar o máximo possível porque senti que essa era a única maneira de criar oportunidades", acrescentou.
Sabalenko, que buscará seu terceiro título consecutivo do US Open, o último torneio do Grand Slam do ano, a partir de 30 de agosto, agora tem um retrospecto de 5-5 contra Alexandrova.