(57)【要約】本発明は、基礎内や擁壁内で使用される管杭である。管杭は、管体を備える。管体は、２つの反対の端部の間で縦軸方向に延びて、実質的に円筒形で、好ましくは鋼である。管体は、複数の管分割部分から構成される。複数の管分割部分は、端から端まで互いに嵌合または溶接されるとともに、前記２つの反対の端部の間の共通の中央の縦軸に沿って配置される。すべての管分割部分は同じ外径を有する。しかし、２つ以上の管分割部分は互いに異なった内径を有している。これにより、２つの管分割部分の端同士の間で、壁の厚みが互いに異なる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に打ち込まれ、基礎内や壁内の構造要素として使用される管杭であって、
前記管杭は、
２つの反対の端部の間で縦軸方向に延びている円筒形の管体を備え、
前記管体は、
端から端まで互いに嵌合または溶接されるとともに、前記２つの反対の端部の間の共通の中央の縦軸に沿って配置された複数の管分割部分から構成され、
すべての前記管分割部分が同じ外径を有し、かつ、
少なくとも２つの前記管分割部分が互いに異なった内径を有していることで、
前記２つの管分割部分の材料の厚みが互いに異なっている
ことを特徴とする管杭。
【請求項２】
前記管杭は、水および空気にさらされた場合に腐食する鋼である
ことを特徴とする請求項１に記載の管杭。
【請求項３】
請求項１に記載の複数の管杭から形成される支持構造体であって、
前記複数の管杭は、縦軸方向に平行に配置されて並んだ状態で、地中に打ち込まれている
ことを特徴とする支持構造体。
【請求項４】
前記管杭の材料の厚みは、予測される腐食速度におおよそ比例し、
１つの管杭は、他の管分割部分の材料の厚みよりも厚い、１つ以上の管分割部分の材料の厚みを有する
ことを特徴とする請求項３に記載の支持構造体。
【請求項５】
前記支持構造体は、水域の中に配置され、
前記管杭は、前記水の中を通って下方の地中まで延設されている
ことを特徴とする請求項３に記載の支持構造体。
【請求項６】
さらに、前記複数の管杭によって支持されるプラットフォームを備える
ことを特徴とする請求項５に記載の支持構造体。
【請求項７】
前記水域は、海であり、
前記水は、海水である
ことを特徴とする請求項５に記載の支持構造体。
【請求項８】
前記管杭の材料の厚みは、前記支持構造体の永久浸漬領域内よりも、前記支持構造体のスプラッシュ領域内のほうが、より厚い
ことを特徴とする請求項７に記載の支持構造体。
【請求項９】
前記管杭の材料の厚みは、前記支持構造体の永久浸漬領域内よりも、前記支持構造体の低水位領域内のほうが、より厚い
ことを特徴とする請求項７に記載の支持構造体。
【請求項１０】
前記管杭の材料の厚みは、前記支持構造体の永久浸漬領域内よりも、前記支持構造体の潮間領域内のほうが、より厚い
ことを特徴とする請求項７に記載の支持構造体。
【請求項１１】
前記管杭の材料の厚みは、前記水よりも下の支持構造体の領域内よりも、前記支持構造体の永久浸漬領域内のほうが、より厚い
ことを特徴とする請求項７に記載の支持構造体。
【請求項１２】
請求項１に記載の複数の管杭から形成される擁壁であって、
前記管杭の分割部分は、それらの縦軸が、実質的に平行になるとともに、共通の実質的な水平ラインに沿うように配置されて、前記地中に打ち込まれる
ことを特徴とする擁壁。
【請求項１３】
前記管杭の材料の厚みは、予測される腐食速度におおよそ比例し、
１つの管杭は、他の管分割部分の材料の厚みよりも厚い、１つ以上の管分割部分の材料の厚みを有する
ことを特徴とする請求項１２に記載の擁壁。
【請求項１４】
前記管杭の材料の厚みは、予測される横方向の印加応力におおよそ比例し、
少なくとも１つの管杭は、他の管分割部分の材料の厚みよりも厚い、１つ以上の管分割部分の材料の厚みを有する
ことを特徴とする請求項１２に記載の擁壁。
【請求項１５】
水域の淵に沿って配置され、
陸地が、逆側の空気と水に対して、前記擁壁の側に保持される
ことを特徴とする請求項１２に記載の擁壁。
【請求項１６】
前記水域は、海であり、
前記水は、海水である
ことを特徴とする請求項１５に記載の擁壁。
【請求項１７】
前記管杭の材料の厚みは、前記擁壁の永久浸漬領域内よりも、前記擁壁のスプラッシュ領域内のほうが、より厚い
ことを特徴とする請求項１６に記載の擁壁。
【請求項１８】
前記管杭の材料の厚みは、前記擁壁の永久浸漬領域内よりも、前記擁壁の低水位領域内のほうが、より厚い
ことを特徴とする請求項１６に記載の擁壁。
【請求項１９】
前記管杭の材料の厚みは、前記擁壁の永久浸漬領域内よりも、前記擁壁の潮間領域内のほうが、より厚い
ことを特徴とする請求項１６に記載の擁壁。
【請求項２０】
前記管杭の材料の厚みは、前記水よりも下の擁壁の領域内よりも、前記擁壁の永久浸漬領域内のほうが、より厚い
ことを特徴とする請求項１６に記載の擁壁。
【請求項２１】
さらに、複数の前記管杭の反対側に溶接された管杭接続要素を備える
ことを特徴とする請求項１２に記載の擁壁。
【請求項２２】
２つの前記管杭接続要素は、隣接する管杭間で嵌合する
ことを特徴とする請求項２１に記載の擁壁。
【請求項２３】
さらに、２つの隣接する管杭間に配置された少なくとも１つの薄板杭を備え、
前記薄板杭は、前記隣接する管杭に溶接された管杭接続要素と嵌合する
ことを特徴とする請求項２１に記載の擁壁。
【請求項２４】
前記薄板杭は、Ｕ字形の断面を有する
ことを特徴とする請求項２３に記載の擁壁。
【請求項２５】
前記薄板杭は、Ｚ字形の断面を有する
ことを特徴とする請求項２３に記載の擁壁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管杭の改善に関し、特に、地中に打ち込まれ、基礎内や壁内の構造要素として使用される鋼管杭の改善に関する。より詳しくは、本発明は、基礎内や壁内で使用され、構成元素によって腐食を起こしやすい金属管杭に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼は、水と接触し、同時に、酸素を含む空気に触れたとき、自然な腐食プロセスにさらされる。腐食による材料の浸食は、一方で、局所的な（例えば水文学的な）状況に依存するが、他方では、喫水線に対する鋼の垂直位置に依存する。例えば、桟橋や海洋プラットフォームを支持するために、あるいは、海辺の擁壁を作るために、管杭が海底に打ち込まれるとき、管杭において垂直方向の互いに異なる領域は、異なる速さで腐食や「錆び」が進む。
【０００３】
図１は、擁壁１０を表す。擁壁１０は、例えば複数の鋼管杭からなる列によって形成され、陸地１２を海１４の端に引き止める。好ましくは、陸地アンカー（固定材）１６は、管杭に、陸地１２側によって与えられる横方向の力に対抗する水平方向の支持を提供する。そのようなアンカーを所定の位置に設置すると、グラフ１８で示すように、これらの管杭は、長さ方向に沿って分布を有する曲げモーメントを受ける。
【０００４】
鋼の腐食の予測速度に応じて、擁壁の垂直方向の位置が、複数の領域に分割される。これらの領域は、潮と嵐のために予測される水位によって定義され、高い方から低いほうへ連続して、「スプラッシュ領域」２０（平均高水位から擁壁の最上部まで）、「潮間領域」２２（平均低水位と平均高水位の間）、「低水位領域」２４（最低水位から平均低水位まで）、「永久浸漬領域」２６（海底から最低水位まで）、および、「埋没領域」（海底よりも下）と呼ばれる。グラフ３０で示すように、管杭は、これらの領域の各々で、腐食の互いに異なる予測速度を有する。
【０００５】
垂直方向の領域、したがって、予測される腐食速度に依存して、管杭の外面は、このように管杭の肉厚を減少させながら、所定の速度で腐食する。時間単位について言及すると、ある人は「錆びる速度」（錆びる速度はｍｍ／年）について話す。複数の異なる耐用期間を有する鋼の薄板杭の調査は、被覆層が機械的作用や化学的作用によって絶えず侵食されなければ、錆びる速度は被覆層の構造に起因して減少する、ということを示す。したがって、厚みの減少や錆びる速度を評価するとき、薄板杭部材の設計期間や「耐用期間」は、それぞれ、言及される必要がある。
【０００６】
多くの利用場面では、鋼杭の耐久性に関する懸念は、単純にとても小さい。なぜなら、鋼杭は、通常、過剰設計されるからである。鋼は、コンクリートと比較して、安全係数が比較的高い。この固有の係数は、腐食という自然で回避不能な面を明確に踏まえている。
【０００７】
しかし、塩水での利用場面（または、場合によっては汚染水や汚染土での利用場面を含む）では、技術者が、「犠牲鋼」方法を使用して基礎や擁壁を設計することや、さらに、保護コーティングがその特定の環境で有利や必要かどうかを考慮することが、推奨される。
【０００８】
グラフ３０で示すように、最高腐食速度は、通常、（海水）スプラッシュ領域で、または、低水位領域で見られる。しかし、グラフ１８で示すように、最も高い応力は、通常、永久浸漬領域２６内にある。「港と水路の海岸構造に関する委員会の推奨」（第７版、ＥＡＵ１９９６  第８．１．８．３節、図Ｒ３５−１、２９３頁）を参照してください。
【０００９】
水の中や近くで管杭や薄板杭構造を設計するとき、最大懸念の領域は、最高応力の領域に最も近いという理由から、低水位領域である。したがって、塩水での利用場面では、重要な低水位領域が保護されるように、露出した鋼面が平均低水位の下、１．５メートルから２．５メートルまでコーティングされている（および／または「陰極保護」が設けられている。）ことを推奨する。
【００１０】
「港と水路の海岸構造に関する委員会の推奨」（ＥＡＵ２００４  第８．１．８．４節、３２０頁）によれば、そのようなコーティングにより、腐食の開始を２０年以上遅らせることができる。
【００１１】
「ユーロコード３：鋼構造の設計−パート５：杭」（ＢＳ  ＥＮＶ１９９３−５：１９９７、ＢＳ  ＥＮＶ１９９３−５：２００７）として公表されているヨーロッパのプレ標準は、鋼管杭と鋼薄板杭に関する温暖な気候での淡水内と海水内における腐食により予測される厚みの減少に関する表を提供する。例えば、海水内で高い腐食速度の領域では、１００年間で７．５ｍｍの厚さの鋼が、鋼の表面から失われると予測される。
【００１２】
上記したように、特に最も腐食しやすい領域において、この損失量は、鋼の表面をペンキやエポキシでコーティングすることによって、最高２０年、遅らせることができる。そのような保護コーティングの使用によって、設計技師は、管杭や薄板杭に関して、保護コーティングを使用しない場合に必要な肉厚よりも薄い肉厚を設定することができる。その結果、鋼の総量についてコスト削減ができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、保護コーティングの使用には、いくつかのデメリットがある。
（１）コーティングは、そのようなものを大量に購入して塗ると、比較的高価である。
（２）コーティングは、輸送の間に損傷することがあり、そうすると、特に腐食しやすい非コーティングのひっかき傷などになってしまう。
（３）コーティングは、植物や魚の寿命にとって有害であり、水中に染み出したりはがれたりすることがある。
【００１４】
米国陸軍工兵隊の「薄板杭壁設計の技術マニュアル」（第２−２節）は、擁壁の建設において、コンクリートよりも鋼のほうが一般的に好ましいことを明らかにしている。
【００１５】
「設計者は、システムの構造的な完全性に関して、材料劣化やその影響を考慮しなければならない。ほとんどの恒常的構造は、鋼かコンクリートから造られる。コンクリートは、鋼の薄板杭と比較して、通常の状況下で長い耐用年数を実現することができるが、比較的高い初期費用がかかる。コンクリートは、鋼杭よりも設置が難しい。長期間の現場観察は、鋼の薄板杭が、適正に設計されれば、長い耐用年数を実現することを示す。」
【００１６】
腐食性の環境（例えば、汚染水中や海水中）で使われるとき、予測される耐用年数を増やしつつ、速い腐食に影響されやすい領域（例えば、低水位領域とスプラッシュ領域）内で、表面のコーティングのデメリットを避ける管杭の必要性が、それ相応にある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
したがって、本発明の目的は、基礎内や擁壁内で使用され、表面のコーティングの必要なしで耐用年数を増やした管杭を提供することである。
【００１８】
本発明の更なる目的は、基礎内や擁壁内で使用される管杭であって、従来の管杭と比較して、等しい耐用年数で、少ない量の鋼からなる管杭を提供することである。
【００１９】
本発明によれば、これらの目的は、下記の説明から明らかになるさらなる目的と同様に、達成される。本発明は、２つの反対の端部の間で縦軸方向に延びている円筒形で好ましくは鋼の管体を備える管杭である。管体は、端から端まで互いに嵌合または溶接されるとともに、２つの反対の端部の間の共通の中央の縦軸に沿って配置された複数の管分割部分から構成される。すべての管分割部分は、同じ外径を有する。しかし、２つ以上の管分割部分は、互いに異なった内径を有する。これにより、２つの管杭の端同士の間で、壁の厚みが互いに異なる。
【００２０】
この構造によって、設計技師は、管杭の管分割部分のある１つが他の管分割部分よりも厚い肉厚を有するようにすることで、プロジェクトの耐用年数の間の腐食の予測速度におおよそしたがって管杭の材料の肉厚を設定することができる。
【００２１】
本発明を充分に理解するためには、添付の図面に図示されるような本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を参照しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】添付のグラフが管杭の長さ方向に沿って腐食のおおよその速度分布と代表的な曲げモーメント分布を表している、管杭擁壁の概略図である。
【図２】本発明に関連する種類の複数の管杭からなる列の図である。
【図３】管杭の外面に溶接された雄と雌の接続要素で互いに結合された２つの管杭を示す平面図である。
【図４】図３に示される雄と雌の接続要素の詳細な平面図である。
【図５】管杭を結合するのに使用可能な雄と雌の接続要素の他の実施形態を示す詳細な平面図である。
【図６】２つのＺ字形の薄板杭によって結合された２つの管杭の平面図である。
【図７】Ｕ字形の薄板杭によって結合された２つの管杭の平面図である。
【図８】本発明に関連する種類の擁壁（縮尺率は非均一）の断面図である。
【図９】本発明に関連する種類の桟橋（縮尺率は非均一）の断面図である。
【図１０ａ】３つの部分からなる一つの管杭を示す断面図（縮尺率は非均一）である。その３つの部分は、共通の縦軸に沿って端同士で互いに結合され、外径は同じであるが、内径は互いに異なっている。
【図１０ｂ】図１０ａの各々の管杭部分の横方向の断面図（縮尺率は非均一）である。
【図１１】継ぎ目部に沿って互いに溶接された、互いに異なる肉厚の２つの管杭の隣接する端同士の詳細な断面図（縮尺率は非均一）である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の好ましい実施形態について、図面の図１−１１を参照して以下に記述する。いろいろな図面における同一の要素は、同一の参照数字で示される。
【００２４】
図１は、鋼管杭から形成される擁壁１０を示す。擁壁１０は、他方側の海１４から、一方側の陸地１２を保持して分離する。前記した背景技術の部分で説明したように、この擁壁における管杭は、連続的な応力を受け、また、空気と水の作用により、連続的な腐食の影響を受ける。
【００２５】
擁壁を構成する複数の管杭はすべて、それらの縦軸が、実質的に平行になるとともに、共通の実質的な水平ラインに沿うように配置されて、海底下の地中に打ち込まれる。図２は、水平ライン３３に沿うように配置され、中間結合要素３４によって互いに結合された、そのような一連の複数の管杭３２を表す。中間結合要素３４は、溶接によって、杭の外側の曲がった面に取り付けられている。
【００２６】
図３は、そのような２つの管杭３２が、どのようにしてそのような接続要素３４で結合されているかについて示す。その詳細は、図４に示されている。地中に打ち込む前に、管の全長（または、ほぼ全長）にわたって、「雄」の接続要素３６が、各々の管３２の一方に溶接され、「雌」の接続要素３８が、反対側に溶接される。それから、複数の管は１回に１本ずつ地中に打ち込まれ、１つの管に溶接された雄接続要素３６は、次の隣接した管に溶接されている雌接続要素３８内に挿入され、連結される。
【００２７】
図５は、互いに密着して管同士を結合するために隣接した２つの管３２の間で使用可能な他の種類の接続要素４０を示す。この接続要素は、米国特許第７，１６８，２１４号で詳述されている接続要素と類似しており、嵌合ヘッド部４４を有する短い雄要素４２と、爪部４６によって形成された雌要素と、を備えている。
【００２８】
図６および図７は、それぞれ、２つの管杭３２を示す。２つの管杭３２は、並んで、縦軸方向に平行に配置され、コネクタだけの代わりに、薄板杭によって分離されている。図６では、隣接した２つの管杭は、２つのＺ字形薄板杭５０，５２によって、互いに結合される。図７では、２つの管杭は、介在するＵ字形の薄板杭５４によって結合される。
【００２９】
図８は、海辺の擁壁６０における多くの管杭の１つである管杭３２の側面断面図である。擁壁６０は、片側では陸地６２を支持し、他の側では腐食して海６４に崩れ落ちるのを防止する。擁壁の管は、管３２で表され、海底の下の砂地６６を貫通し、望ましくは、下記の岩盤６８に届くために充分な長さを有する。
【００３０】
海の平均水位は、両端矢印７０で示すように、特定の範囲内で潮によって変化する。また、壁に対する波しぶきは、両端矢印７２で示すように、特定の平均範囲内で変化する。しかし、複数の管からなる擁壁は、嵐や他の偶発事象から保護するように、充分に高く建設される。必要とされる管の全長を実現するために、それらが設置されるとき、複数の管は都合のいい長さ（例えば２０フィート）で建設場所に運ばれ、端から端まで溶接される。必要とされる管杭の全長に応じて、また、請負業者の選択に応じて、管の分割部分は、打ち込むプロセスの間に、分割部分同士を互いに溶接してもよいし、あるいは、それらは、最初に端から端まで溶接して、一つの長いユニットとして打ち込んでもよい。
【００３１】
管杭と薄板杭壁の耐用期間は、各要因、特に水や空気への露出に起因する材料（例えば、鋼）の腐食の速度に、完全に依存する。特に領域７０，７２において、水（特に、塩水、塩気のある水、または、汚染水）は、鋼杭壁が加速的に腐食する原因になる。これらの領域の外側、つまり、薄板杭壁が水中や地中に連続的に浸漬しているところや、管杭壁が主に空気に触れるところの外側では、雨の日を除いて、腐食は、いくぶん、あるいは、とても、少ない。
【００３２】
管杭壁の寿命を長くするために、例えば、最も腐食しやすい領域７４において、管表面の少なくとも一部をペンキやエポキシでコーティングすることは、既知である。そのような保護コーティングの使用によって、建設エンジニアは、薄板杭壁について、保護コーティングを使用しない場合に必要な厚さよりも薄い肉厚の管を設定することができる。その結果、材料（例えば、鋼）の総量について大幅なコスト削減につながる。
【００３３】
図９は、図８と同様の概略図であり、海洋桟橋７６を支持する鋼管杭３２の使用の様子を示す。図８と同様、この概略図は、潮間領域７０とスプラッシュ領域７２を示す。図８の擁壁の管と比較して、鋼管杭３２は、かなり少ない曲げモーメントを受ける。しかし、図１に関連して前記されたように、鋼管杭３２は、特に、スプラッシュ領域、潮間領域、低水位領域、および、永久浸漬領域で、腐食する。
【００３４】
本発明によれば、図１０ａおよび１０ｂに示すように、それらの耐用期間中、腐食の異なる速度を考慮して、図８および図９の管杭３２は、長さ方向の異なる場所で、肉厚が異なっている。図１０ａは、管３２の３つの部分、つまり、下方部分８６（水位の下に連続的に位置することを目的とする）、中央部分８８（擁壁の潮間領域と壁のスプラッシュ領域内に位置することを目的とする）、および、上方部分９０（連続的に大気内に位置することを目的とする）の長さを示す。図１０ｂ内に示すように、中央部分８８内の管は、非常に速い速度で腐食するが、下方部分８６や上方部分９０の管よりもかなり厚い壁を有している。下方部分８６は、より大きな曲げ応力に耐えなければならず、上方部分９０よりもいくらか大きな肉厚を有する。
【００３５】
しかし、管の３つの部分すべては、同じ外径を有する。
【００３６】
管の部分同士の間の継ぎ目部９２，９４は、端から端まで隣接しているそれらの部分と共に溶接される。
【００３７】
図１１は、管の分割部分８６，８８の間の溶接された継ぎ目部を詳細に示す。図示のように、管の分割部分の端は、約３０°〜３５°の角度で面取りされる。そして、隣接する分割部分とともに隣接接触するために少なくとも１／１６インチの「領域」を設ける。溶接材９６は、面取りによって与えられたスペースに充填される。
【００３８】
港や桟橋を設計するとき、土木技師は、それぞれの管の分割部分について、例えば１／１６インチの領域を有する３５°の面取りを設定しなければならない。土木技師は、以下のパラメータも設定しなければならない。
【００３９】
１．すべての管（特に、プロジェクトで使われて管を形成するすべての管分割部分）の数、長さおよび肉厚。
【００４０】
２．すべての管の外径。プロジェクトにおける互いに異なる管は、異なる外径であってもよい。しかし、個々の管を形成するすべての管分割部分は、同じ外径でなければならない。
【００４１】
３．外径の内側および外側の許容誤差。例えば、外径が３６インチの場合、マイナス０インチ〜プラス１／４インチ。
【００４２】
４．管の丸みの外側の許容誤差。例えば、等しいか、１％未満。
【００４３】
５．材料の種類とグレード。例えば、鋼のベースグレードＡＳＴＭ  Ａ５７２、グレード５０。
【００４４】
６．管の種類。例えば、１インチ未満の肉厚を有する薄い管に対して螺旋状に傷つけ、溶接したものか、あるいは、より厚い管に対して転がし、縦軸方向に溶接したもの。
【００４５】
本発明は、腐食の影響を受けやすい領域（例えば、潮間領域やスプラッシュ領域）内の管をコーティングする必要を無くすという長所があるとともに、同時に、腐食の影響を受けにくい領域（例えば、地中の領域）内の管の厚さを減少させることができる。
【００４６】
改善された鋼管杭、および、複数のこの種の管杭を取り入れている管杭構造は、このように示し、記述した通りであり、したがって、求められたすべての目的と利点を満たす。しかし、本発明の多くの変更、修正、バリエーションと他の使用法と応用は、その好ましい実施形態を開示する本明細書と添付図面を考慮すれば、当業者にとって明らかである。本発明の趣旨や範囲から逸脱しないすべてのそのような変化、修正、バリエーションと他の使用法と応用は、本発明によってカバーされていると考えられる。本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ、限定される。
【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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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
2014506966.tif 000013
【図１１】
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【国際調査報告】
2014506966.tif 000015