(57)【要約】【課題】捨石層あるいは転石層を有する地盤への施工性を高めることができる鋼管杭の施工方法及び鋼管杭を提供する。【解決手段】本発明に係る鋼管杭の施工方法は、捨石層２３及び／又は転石層を有する地盤に回転圧入機３によって鋼管杭１を打設する方法であって、鋼管杭１の先端外周部に５０MPa超えの水圧の高圧水１１を噴射可能な高圧ウォータジェットノズル７を配設し、鋼管杭１を回転圧入するに際して、少なくとも捨石層２３又は転石層に至った時には、鋼管杭１の先端によって捨石１５又は転石の移動を規制するのに適切な予め設定した鉛直荷重と回転速度にして、高圧ウォータジェットノズル７から高圧水１１を噴射して捨石１５又は転石を破砕する工程を備えたことを特徴とするものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
捨石層及び／又は転石層を有する地盤に回転圧入機によって鋼管杭を打設する鋼管杭の施工方法であって、
前記鋼管杭の先端外周部に５０MPa超えの水圧の高圧水を噴射可能な高圧ウォータジェットノズルを配設し、前記鋼管杭を回転圧入するに際して、
前記鋼管杭の先端が、少なくとも前記捨石層又は転石層に至った時には、前記回転圧入機より前記鋼管杭に作用する鉛直荷重と回転速度を、前記鋼管杭の先端によって捨石又は転石の移動を規制するのに適した値に設定して、前記高圧ウォータジェットノズルから高圧水を噴射して前記捨石又は転石を破砕する工程を備えたことを特徴とする鋼管杭の施工方法。
【請求項２】
研磨材を混入した高圧水を噴射することを特徴とする請求項１記載の鋼管杭の施工方法。
【請求項３】
前記高圧ウォータジェットノズルから高圧水を噴射して破砕した捨石及び／又は転石を鋼管杭先端に配したビットにより切削しつつ、地盤に鋼管杭を圧入する工程を備えたこと特徴とする請求項１又は２に記載の鋼管杭の施工方法。
【請求項４】
前記鋼管杭を所定の深度まで打設したのち、前記高圧ウォータジェットノズルから噴射する噴射材を水からセメントに切り替えて、杭先端地盤にセメントを噴射して地盤改良を行うことを特徴とする請求項1乃至３のいずれか一項に記載の鋼管杭の施工方法。
【請求項５】
杭先端地盤の地盤改良完了後に、前記高圧ウォータジェットノズルを鋼管杭の先端外周部から取り外し、取り外した前記高圧ウォータジェットノズルを前記鋼管杭の外周面に沿って引き上げながら、杭周面地盤にセメントを噴射して、地盤改良を行うことを特徴とする請求項４に記載の鋼管杭の施工方法。
【請求項６】
高圧水を前記鋼管杭の内側斜め下方に向けて噴射するようにしたことを特徴とする請求項1乃至５のいずれか一項に記載の鋼管杭の施工方法。
【請求項７】
前記高圧ウォータジェットノズルを複数配設して前記鋼管杭の内側斜め下方と、前記鋼管杭の外側斜め下方にそれぞれ向けて高圧水を噴射することを特徴とする請求項1乃至５のいずれか一項に記載の鋼管杭の施工方法。
【請求項８】
前記高圧ウォータジェットノズルの噴射口が、鋼管杭先端から上方100mmまでの間に位置するように配置されていることを特徴とする請求項1乃至７のいずれか一項に記載の鋼管杭の施工方法。
【請求項９】
杭先端外周部に配設されて５０MPa超えの水圧の高圧水を噴射可能な高圧ウォータジェットノズルと、該高圧ウォータジェットノズルの破損を防止するための円筒状の保護部材と、該保護部材の地盤と接触する面に配設された切削ビットとを備えたことを特徴とする鋼管杭。
【請求項１０】
前記切削ビットが、前記高圧ウォータジェットノズルの先端を挟み込むように配置されることで前記保護部材を兼用していることを特徴とする請求項９に記載の鋼管杭。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転圧入機によって、地盤に鋼管杭を打ち込む打設方法に関し、特に捨石層あるいは転石層を有する地盤に対して好適な鋼管杭の施工方法、及び鋼管杭に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管杭の打設方法としては、打撃工法、振動工法、圧入工法がある。
しかし、捨石層あるいは転石層を有する地盤においては、貫入抵抗が高くなることから杭を損傷させてしまうリスクが大きいことや、杭からの力を受けた捨石や転石が動いてしまい鉛直方向に力がうまく伝わらないことから、いずれの工法でも打設が困難となる。
【０００３】
このような問題に対する解決方法としては、アースオーガを用いた先行掘削工法により、杭径以上の径で捨石層や転石層を掘削後、その部分を砂置換し、あらためて杭を打設する方法がとられている。
また、他の方法として、特許文献１では、杭先端に耐摩耗鋼を取り付けることにより、打設性能を向上する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７３５２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アースオーガを用いた先行掘削工法では、先行掘削用や、掘削した捨石、土運搬の機材が必要となり、施工スペースやコストが増大し、また、砂置換後にあらためて杭打設機械をセットして杭を打ち込むことから、施工期間も長くなるという問題がある。
【０００６】
また、特許文献１では、杭先端に耐摩耗鋼を取り付けることにより、打設時の杭自身の耐久性は向上するものの、杭からの力を受けた捨石や転石が動いてしまい鉛直方向に力がうまく伝わらないという問題は解消されていない。そのため、特に港湾構造基礎や根固めに使われている捨石マウンドのように、捨石層が表層にあるケースでは施工困難となる。
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、捨石層あるいは転石層を有する地盤への施工性を高めることができる鋼管杭の施工方法及び鋼管杭を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明に係る鋼管杭の施工方法は、捨石層及び／又は転石層を有する地盤に回転圧入機によって鋼管杭を打設する方法であって、
前記鋼管杭の先端外周部に５０MPa超えの水圧の高圧水を噴射可能な高圧ウォータジェットノズルを配設し、前記鋼管杭を回転圧入するに際して、
前記鋼管杭の先端が、少なくとも前記捨石層又は転石層に至った時には、前記回転圧入機より前記鋼管杭に作用する鉛直荷重と回転速度を、前記鋼管杭の先端によって捨石又は転石の移動を規制するのに適した値に設定して、前記高圧ウォータジェットノズルから高圧水を噴射して前記捨石又は転石を破砕する工程を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、研磨材を混入した高圧水を噴射することを特徴とするものである。
【００１０】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記高圧ウォータジェットノズルから高圧水を噴射して破砕した捨石及び／又は転石を鋼管杭先端に配したビットにより切削しつつ、地盤に鋼管杭を圧入する工程を備えたこと特徴とするものである。
【００１１】
（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記鋼管杭を所定の深度まで打設したのち、前記高圧ウォータジェットノズルから噴射する噴射材を水からセメントに切り替えて、杭先端地盤にセメントを噴射して地盤改良を行うことを特徴とするものである。
【００１２】
（５）また、上記（４）に記載のものにおいて、杭先端地盤の地盤改良完了後に、前記高圧ウォータジェットノズルを鋼管杭の先端外周部から取り外し、取り外した前記高圧ウォータジェットノズルを前記鋼管杭の外周面に沿って引き上げながら、杭周面地盤にセメントを噴射して、地盤改良を行うことを特徴とするものである。
【００１３】
（６）また、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、高圧水を前記鋼管杭の内側斜め下方に向けて噴射するようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
（７）また、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記高圧ウォータジェットノズルを複数配設して前記鋼管杭の内側斜め下方と、前記鋼管杭の外側斜め下方にそれぞれ向けて高圧水を噴射することを特徴とするものである。
【００１５】
（８）また、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載のものにおいて、前記高圧ウォータジェットノズルの噴射口が鋼管杭先端から上方100mmまでの間に位置して配置されていることを特徴とするものである。
【００１６】
（９）また、本発明に係る鋼管杭は、杭先端外周部に配設されて５０MPa超えの水圧の高圧水を噴射可能な高圧ウォータジェットノズルと、該高圧ウォータジェットノズルの破損を防止するための円筒状の保護部材と、該保護部材の地盤と接触する面に配設された切削ビットとを備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
（１０）また、上記（９）に記載のものにおいて、前記切削ビットが、前記高圧ウォータジェットノズルの先端を挟み込むように配置されることで前記保護部材を兼用していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明においては、鋼管杭の先端外周部に５０MPa超えの水圧の高圧水を噴射可能な高圧ウォータジェットノズルを配設し、前記鋼管杭を回転圧入するに際して、
少なくとも捨石層又は転石層に至った時には、前記鋼管杭の先端によって前記捨石又は転石の移動を規制するのに適切な予め設定した鉛直荷重と回転速度にして、前記高圧ウォータジェットノズルから高圧水を噴射して前記捨石又は転石を破砕する工程を備えたことにより、前記捨石又は転石が動かないように抑え込むことができ、前記捨石又は転石を確実に破砕することができるので、前記捨石層又は転石層を有する地盤への施工性を高めることができる。また、前記捨石又は転石を確実に破砕することで、前記鋼管杭を鉛直方向に打設することができ、安定した基礎構造を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態の鋼管杭の施工方法に用いる機器の概要を説明する説明図である。
【図２】実施の形態で施工対象とする地盤の一例の説明図である。
【図３】実施の形態に係る鋼管杭の施工方法の説明図である。
【図４】実施の形態に係る鋼管杭の他の態様の施工方法の説明図である。
【図５】実施の形態の鋼管杭の施工方法に用いる機器の他の態様の概要を説明する説明図である。なお、図５（ａ）は、図５（ｂ）の矢視Ａ−Ａ図である。
【図６】実施の形態の鋼管杭の施工方法に用いる機器の他の態様の概要を説明する説明図である。なお、図６（ａ）は、図６（ｂ）の矢視Ｂ−Ｂ図である。
【図７】実施の形態に係る高圧ウォータジェットノズルの噴射口の配置の検討結果を示すグラフである。
【図８】実施の形態の鋼管杭の施工方法に用いる高圧ウォータジェットノズルの噴射口の配置を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本実施の形態に係る鋼管杭の施工方法の説明に先立って、鋼管杭の施工方法に用いられる機器について概説する。
鋼管杭１の回転圧入に用いる回転圧入機３は、図１に示すように、鋼管杭１の上部にチャッキング部５を介して取り付けられて、鋼管杭１に回転力と圧入力を付与しながら地盤に鋼管杭１を貫入施工するものである。
【００２１】
また、鋼管杭１の先端外周部には、図１に示すように、高圧ウォータジェットノズル７が配設されている。
高圧ウォータジェットノズル７は、５０MPa超えの水圧の高圧水（例えば、５０MPa超え、300MPa以下）を噴射可能なものであり、鋼管杭１の先端外周部に着脱可能に配設されている。本実施の形態では、２個の高圧ウォータジェットノズル７が鋼管杭１の外周の１８０°離れた位置に設けられている。
【００２２】
鋼管杭１の回転圧入時に、高圧ウォータジェットノズル７が破損するのを防止するため、鋼管杭１の先端部には、円筒状の保護部材９が設けられ、高圧ウォータジェットノズル７ができるだけ土砂等に接触しないようにしている。
【００２３】
配設する高圧ウォータジェットノズル７の数は、２個に限られず、１個でもよく、または３個以上を離散的に配置してもよい。
もっとも、本発明は回転圧入機３で鋼管杭１を回転させるので、高圧ウォータジェットノズル７の数を少なくしても、鋼管杭１の回転によって全周をカバーできる。
【００２４】
高圧ウォータジェットノズル７からの高圧水１１の噴き出し方向に関し、鉛直下方に向けて噴き出すようにしてもよいが、鋼管杭１の内側に向けて噴射するようにしてもよい。内側に向けて噴射することで、鋼管杭１の内部に捨石または転石が詰まることなく、スムーズな杭の打設が可能となる。もっとも、高圧水１１の吹き出し角度θは、杭軸方向に対し杭中心方向に30°以内とすることが望ましい（図１参照）。
【００２５】
また、複数の高圧ウォータジェットノズル７を取り付ける場合は、高圧水１１の吹き出し方向を、内側と外側の交互になるようにしてもよい。
ただし、内側と外側の交互に向けた高圧ウォータジェットの噴射方向が大きく異なる場合、捨石又は転石が十分破砕されず鋼管杭の回転圧入が困難になる。一方で、内側と外側の交互に向けた高圧ウォータジェットの噴射方向の違いが少ない場合、捨石又は転石の破砕箇所が重なってしまい、不効率な施工となる。そこで内側と外側の交互に向けた高圧ウォータジェットの鋼管杭円半径方向に対する噴射方向の角度差が10°〜30°以内とすることが望ましい。
【００２６】
後述するように、本発明の施工方法では、高圧ウォータジェットノズル７への供給材を水からセメント２５に切り替えて、セメント２５を噴射して地盤改良を行う態様（図４（ｄ）参照）も考えられるので、このような態様の場合には、外側に向けて噴射する高圧ウォータジェットノズル７がある方が広範囲に地盤改良することが可能となるので好ましい。
高圧水の噴き出し方向としては、鉛直下方、鋼管杭の内方、鋼管杭の外方の３態様が考えられるが、これら３つのうちのいずれか一つの方向、いずれか２つ方向、または３つ全ての方向としてもよい。
【００２７】
高圧ウォータジェットノズル７には、噴射水を供給するための供給配管１３が接続されている。
供給配管１３からは、通常は、水が供給されるが、捨石や転石の切削力を高めるために、水に研磨材を混入するようにしてもよい。
研磨材としては、硅砂の適用が考えられるが、その他の材料としては、鉄鋼スラグ、スチールグリット、溶融アルミナ、ガーネットなどの適用も考えられる。
また研磨材としては、研磨材粒子の硬度300〜2000（HK、ヌープ硬さ）、D50（JIS  Z  8815で規定される、粉体状物質の粒径分布を測定するために行うふるい分け試験方法において、当該粉体状物質の頻度の累積が50％になる粒子径）粒径200μm〜1000μmの材料が好適である。
【００２８】
なお、高圧ウォータジェットノズル７からは、地盤改良に用いるセメント２５等を噴射することもできる。
【００２９】
高圧ウォータジェットノズル７は、鋼管杭１を施工した後回収する場合は保護部材９に着脱可能に取り付けてもよい。例えば、高圧ウォータジェットノズル７を保護部材９にロックピンや点付け溶接で仮付けしておき、施工した後に地上からウォータジェットのホースを引くことで、保護部材９から剥がれるようにしておいてもよい。
【００３０】
次に施工方法について具体的に説明する。
本実施の形態が対象とする捨石層及び／又は転石層を有する地盤への鋼管杭の施工例としては、図２に示すように、捨石１５によって形成された捨石マウンド１７の上に構築された護岸１９において、護岸１９よりも海側の捨石マウンド１７を貫通して支持層２１まで補強用の鋼管杭１を施工する場合が挙げられる。以下の説明では、図２に示したような捨石１５による捨石層２３を有する地盤に鋼管杭１を施工する場合について説明する。
【００３１】
本実施の形態に係る鋼管杭の施工方法は、図３に示すように、鋼管杭１を回転圧入するに際して、捨石層２３に至った時には（図３（ａ）参照）、鋼管杭１の先端によって捨石１５の移動を規制するのに適切な予め設定した鉛直荷重と回転速度に設定する。
なお、鋼管杭１の先端が捨石層２３に至ったかどうかは、杭の貫入抵抗の増加によって知ることができる。また、鋼管杭の打設に先立って行われる事前調査によって、どの程度の深度に捨石層２３があるかが予め分かっている場合には、深度と貫入抵抗の両方によって捨石層２３に至ったことを知ることができる。
【００３２】
鉛直荷重と回転速度の設定・変更は、捨石１５が動かないように抑え込んで、高圧水１１を噴射したときに、捨石１５を確実に破砕できるようにするためである。
したがって、鉛直荷重としては、捨石層２３を構成する捨石１５の大きさ等によって適切な荷重を予め設定しておけばよく、鋼管杭１の自重であってもよいし、それよりも大きな荷重であってもよく、その場合には付加ウェイトを用いればよい。
また、回転速度については、回転速度をゼロ、すなわち回転を停止した状態でもよく、回転する場合でも、通常は回転貫入する際の回転速度よりも遅くする。もっとも、捨石層２３に至る直前の回転速度が遅い場合には、回転速度を変更しないまま高圧水１１を噴射することもあり得る。
捨石粉砕のための回転は同方向に回転させ続けてもよいし、例えば３６０°回転させたのち、逆方向に３６０°回転させて戻すことを繰り返してもよい。また、取り付けた高圧ウォータジェットノズルの位置および数に応じて、回転角度を変えてもよい。
【００３３】
捨石１５の移動を規制した状態で、高圧ウォータジェットノズル７から高圧水１１を噴射して、捨石１５を破砕する。図３（ｂ）に示す例は、鋼管杭１をゆっくり回転させながら、高圧水１１を噴射して鋼管杭１の形状に沿って捨石１５を破砕している例である。
なお、捨石層２３が厚い場合には、鋼管杭１を回転させないで、鋼管杭１の先端で捨石１５を押さえた状態で、高圧水１１を噴射して、捨石１５に亀裂を入れ、または破砕し、少し鋼管杭１を少し回転貫入し、その後、回転を止めて高圧水１１を噴射するということを繰り返してもよい。
【００３４】
前述したように、高圧水１１の噴射方向としては、鉛直下方でもよいが、鋼管杭１の内側に向けて配置することで、杭の内部に捨石１５または転石が詰まることなく、スムーズな杭の打設が可能となる。
また、鋼管杭１の先端外側に複数の高圧ウォータジェットノズル７を取り付け、高圧水１１の噴射方向を鋼管杭１の内側と外側の交互に向けて噴射するようにしてもよい。
【００３５】
捨石層２３を通過すると、鋼管杭１を回転貫入に適切な回転数等に戻して、支持地盤まで回転貫入する（図３（ｃ）参照。）
回転貫入が完了すると、高圧ウォータジェットノズル７を杭先端から取り外して、供給配管１３と共に引き上げて施工を完了する。
【００３６】
以上のように、本実施の形態の鋼管杭の施工方法によれば、捨石１５が動かないように抑え込むことができ、捨石１５を確実に破砕することができるので、捨石層２３を有する地盤への施工性を高めることができる。また、捨石１５を破砕することで、鋼管杭１を鉛直方向に打設することができ、安定した基礎構造を構築することができる。
なお、上記の説明は捨石層２３がある地盤への鋼管杭１の施工について述べたが、転石層のある地盤への施工でも同様である。
【００３７】
なお、捨石層２３を通過する際に、高圧水を使用した場合、周囲の地盤が水圧で乱されることから、鋼管杭１の支持力（支持力＝先端支持力＋杭と地盤周面摩擦力）が弱くなることも考えられる。
この問題に対しては、所定の深度まで杭を打設したのち、高圧ウォータジェットノズル７への供給材を水からセメント２５に切り替えて、杭先端地盤にセメント２５を噴射して地盤改良を行うことで、杭の先端支持力が増大できる。
杭先端地盤にセメント２５を噴射する際には、鋼管杭１を杭中心軸周りに回転させながら、セメント２５を噴射して、地盤改良を行うことで、杭の周辺地盤全体の支持力性能を増大することができる。
【００３８】
また、所定の深度まで鋼管杭１を打設し（図４（ａ）〜（ｃ）参照）、高圧ウォータジェットノズル７への供給材を水からセメント２５に切り替えて、杭先端地盤にセメント２５を噴射して地盤改良を行ったのち、高圧ウォータジェットノズル７を鋼管杭１の先端より取り外し、引き上げながら、杭周面地盤にセメント２５を噴射して、地盤改良を行うようにしてもよい（図４（ｄ）参照）。
これによって、鋼管杭１と地盤周面の摩擦力が増大し、鋼管杭１の先端支持力をより一層高めることができる。
なお、地盤の乱れが生じるのは、基本的には高圧水１１を噴射した箇所だけであるため、杭周面地盤にセメント２５を噴射して、地盤改良を行う区間は、高圧水１１を噴射した区間、例えば捨石層２３のある区間のみとしてもよい。
【００３９】
杭先端地盤や杭周面にセメント２５を噴射して地盤改良を行うことが想定される場合には、高圧ウォータジェットノズル７から杭外側に向けて噴射できるようにすることで、広範囲に地盤改良することが可能となる。
【００４０】
なお、上記の説明では、捨石層２３を通過する際に高圧水１１を噴射するようにしたが、捨石層２３や転石層以外に、支持地盤など硬い層に鋼管杭１を打設する際、高圧水１１を噴射するようにしてもよく、本発明はこれを排除するものではない。
【００４１】
また、図５に示すように、保護部材９の先端に切削ビット２７を配設してもよく、このようにすれば、高圧ウォータジェットにより捨石及び／又は転石を破砕しつつ、さらに鋼管杭先端に配置した切削ビット２７により、捨石及び／又は転石を切削して、地盤に鋼管杭を圧入することで施工スピードを高めることができる。
また、図６に示すように、切削ビットを、高圧ウォータジェットノズル７の先端を挟み込むように配置して保護部材を兼用する保護部材兼用ビット２９にしてもよい。
この場合、保護部材兼用ビット２９の他に、鋼管杭１の先端に切削ビット２７を設けてもよい。
【００４２】
捨石及び転石や土砂との接触により、高圧ウォータジェットノズル７が損傷することを防止するために保護部材９を設けているが、損傷の可能性をより低くするために高圧ウォータジェットノズル７の先端にある噴射口を、保護部材の先端より上方に離して配置することが考えられる。
一方、高圧ウォータジェットノズル７の噴射口から標的物までの距離が大きくなると、破砕能力が低下する懸念がある。そこで、高圧ウォータジェットノズル７の噴射口から標的物までの距離（SOD）と標的物（コンクリート）の破砕深度との関係を実験的に調べた。その結果を示すグラフが図７であり、縦軸が破砕深さ（mm）で横軸がノズル噴射口から標的物までの距離（mm）を示している。
【００４３】
なお、図7はウォータジェットの吐出圧力を200MPaとした時の結果を示している。吐出圧力が変化すれば、それに応じて破砕深度は変わるが、標的物までの距離（SOD）と標的物（コンクリート）の破砕深度との関係は同様であり、距離（SOD）が100mmまでは破砕能力が維持される傾向にある。
また、標的物を捨石や転石としても、ウォータジェットによる伝達エネルギーは、コンクリートの場合と変わらないことから、同様の傾向と考えてよい。
従って上記の結果から、高圧ウォータジェットによる捨石及び転石の破砕能力を維持するためには、図８に示すように、高圧ウォータジェットノズル７の噴射口の鋼管杭先端（保護部材９の先端先端）から上方への距離Ｌは、Ｌ＝100mmまでの間に位置して配置されていることが好ましい。
なお、標的物までの距離（SOD）の下限は理論上０（ゼロ）であるが、実際は回転圧入する鋼管が僅かに傾くこともあることから、10〜20mm程度距離をとっておくことが望ましい。
【符号の説明】
【００４４】
１  鋼管杭
３  回転圧入機
５  チャッキング部
７  高圧ウォータジェットノズル
９  保護部材
１１  高圧水
１３  供給配管
１５  捨石
１７  捨石マウンド
１９  護岸
２１  支持層
２３  捨石層
２５  セメント
２７  切削ビット
２９  保護部材兼用ビット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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