(57)【要約】【課題】翼から伝達される曲げモーメントに耐えることができ、かつ支持性能を低下させない経済的な回転貫入杭を提供する。【解決手段】杭外周を円周方向に分割する複数の翼２を有する外径がＤの杭先端部材３を杭一般部１の先端部に取り付ける。杭先端部材３は、翼２に作用する力によって発生する曲げモーメントに耐え得るよう杭一般部１より厚肉とするか、または強度の高い材質のものとする。１枚の翼２の取付け部について、杭先端部材３に生じる応力が最大となる位置を基準位置４とし、杭先端部材３の基準位置４から後端までの長さＬ1 を、０．１Ｄ以上、かつ０．５Ｄ以下とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に回転貫入用の翼が設けられた回転貫入杭において、前記翼が杭一般部より肉厚が厚いまたは杭一般部より強度が大きい杭先端部材の外周に設けられており、前記翼に作用する力によって該杭先端部材と翼の接合部に発生する曲げモーメントが最大となる位置を基準位置として、該杭先端部材の基準位置から後端までの長さＬ1 が、０．１Ｄ以上、かつ０．５Ｄ（ここで、Ｄは翼が取り付けられる杭先端部材の径）以下であることを特徴とする回転貫入杭。
【請求項２】
前記翼は、杭の軸回り円周方向について、複数枚設けられていることを特徴とする請求項１記載の回転貫入杭。
【請求項３】
前記杭先端部材が、前記杭一般部と分離しており、前記杭一般部の先端部が前記杭先端部材の内側に収まる構造となっていることを特徴とする請求項１または２記載の回転貫入杭。
【請求項４】
前記杭先端部材に、前記杭一般部を貫通させた回転貫入用の回転ロッドを接続するためのロッド接続部が形成されていることを特徴とする請求項３記載の回転貫入杭。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、先端部に翼を有し、地盤に回転貫入可能な回転貫入杭に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
杭体を回転させ地盤中に貫入させることと、杭体より大きな先端面積を持たせて通常の杭よりも大きな支持力を得ることを目的として、杭径よりも大きな外径を有する翼を杭先端部に設ける構造が実用化されている。
【０００３】
杭は供用時に構造物自重や地震力により鉛直荷重が作用することで、地盤反力を受ける。特に翼付き杭の場合では、翼の張出し幅に応じて大きな地盤反力を受ける。その結果、翼取付け部付近で大きな曲げモーメントが生じ、これが翼を取り付けている部材に伝達する。
【０００４】
杭一般部としては支持力分の軸力を受け持つことのできる肉厚を確保すれば良いが、翼が取り付けられている部分では軸力に加えて翼部から導入される曲げモーメントにも耐える必要があり、杭一般部より肉厚を厚くするか、強度の大きな材質を用いる等、構造耐力を上げなければならない。
【０００５】
これに対し、従来より、翼から導入される曲げモーメントにより翼が取り付けられている部分に過大な応力を発生させない方法が提案されている。
【０００６】
一例としては、既存の回転圧入鋼管杭工法で、杭一般部より肉厚が厚く、翼が取り付けられる鋼管の長さを１．０Ｄ以上と推奨しているものがある（非特許文献１参照）。
【０００７】
また、特許文献１には、同様の翼付きねじ込み式鋼管杭として、翼を取り付ける部分に杭一般部の鋼管の外径とほぼ等しい外径で、杭一般部の鋼管より肉厚または強度の大きい取付部材を鋼管の先端に溶接接合したものを用いることが記載されている。また、鋼管杭の先端部からの距離と鋼管杭の内側応力値および取付部材の取付位置の関係が示されている。
【０００８】
特許文献２には、翼付きねじ込み式鋼管杭の鋼管内の少なくとも翼の取付け部近傍にコンクリートを打設し、翼取付け部の応力を低減するものが記載されている。
【０００９】
特許文献３には、鋼管杭の鋼管に対し、翼を低強度溶接またはヒンジにより取り付けることで、翼に生じる過大な曲げモーメントが鋼管に伝達されないようにしたものが記載されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−１５９０８７号公報
【特許文献２】
特開２０００−９６５６０号公報
【特許文献３】
特開平１１−２２２８５４号公報
【特許文献４】
特開平１１−２４７１８３号公報
【特許文献５】
特開２００１−２４８１５７号公報
【非特許文献１】
「ＮＳエコパイル工法の一般土木工法・技術審査証明報告書」、財団法人国土開発技術センター、平成１２年３月、ｐ．２０８
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献１記載のものは、杭一般部より肉厚を厚くした翼取付け部分の鋼管の長さを１．０Ｄ以上としているが、肉厚の厚い鋼管を用いる範囲が広いため、材料面および製作面で不経済である。
【００１２】
特許文献１記載のものは、厚肉にする範囲を杭の先端からの距離で表しているが、これは１枚翼（複数個の螺旋状板または鋼製板を用いる場合も、全体としてほぼ杭軸回りを一周する１巻の１つの螺旋翼を形成している）の場合であり、また翼の位置との関係も特に考慮されていない。
【００１３】
特許文献２記載のものは、鋼管内にコンクリートを打設するため、施工現場にセメントプラントを準備しなければならず、新たな費用や工数が発生する。また、開端杭では施工により鋼管内が土砂で閉塞してしまうため、この技術は閉端杭の場合しか適用できないという問題がある。
【００１４】
特許文献３記載のものは、低強度溶接手段またはヒンジ手段により翼の変形増大を許容するものであるが、構造の剛性が低くなり支持性能が低下する懸念がある。支持力を低下させないためにはそれ相応の翼厚が必要となり、材料、加工コストが増加する。またヒンジ手段は機械継手の加工・取付けを必要とするためコストが増加する。
【００１５】
本願発明は、従来の技術における上述のような課題の解決を図ったものであり、翼から伝達される曲げモーメントに耐えることができ、かつ支持性能を低下させない経済的な回転貫入杭を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る発明は、先端部に回転貫入用の翼が設けられた回転貫入杭において、前記翼が杭一般部より肉厚が厚いまたは杭一般部より強度が大きい杭先端部材の外周に設けられており、前記翼に作用する力によって該杭先端部材と翼の接合部に発生する曲げモーメントが最大となる位置を基準位置として、該杭先端部材の基準位置から後端までの長さＬ1 が、０．１Ｄ以上、かつ０．５Ｄ（ここで、Ｄは翼が取り付けられる杭先端部材の径）以下であることを特徴とするものである。
【００１７】
本願発明は、主として鋼管杭を対象としているが、杭一般部については、鋼管杭の他、コンクリート杭、ＰＣ杭、ＰＨＣ杭、鋼コンクリート複合杭などでもよい。
【００１８】
杭先端部材としては、杭本体としての杭一般部と同径またはほぼ同径の鋼製部材等が用いられ、翼が溶接等により取り付けられる。杭一般部と杭先端部材は溶接等により一体化される場合と、請求項３、４で限定されているように分離している場合がある。
【００１９】
翼が取り付けられる杭先端部材の径Ｄは、通常は、杭一般部の外径と同径かほぼ同径であり、請求項３、４の杭先端部材が分離している形式では杭一般部の外径より若干大きくなる。また、杭先端部材の先端部がコーン形状等、径が一定でない場合は、翼が取り付けられる部分の外径を基準とする。
【００２０】
翼は、従来の回転貫入杭のように螺旋状あるいは平板状のものなどを用いることができるが、杭先端部材の形状に応じて任意の形状のものが利用可能である。
【００２１】
翼が取り付けられる杭先端部材に生じる曲げモーメント、従って応力が最大になる基準位置は、数値解析や実験等によって求めることができる。
【００２２】
杭先端部材の基準位置から後端までの長さＬ1 を０．１Ｄ以上としたのは、後に詳述するように、基準位置から０．１Ｄ以上になるとその部分に発生する曲げモーメントが著しく減少し、かつ構造耐力的にも十分な耐力が期待できるためである。
【００２３】
また、杭先端部材の基準位置から後端までの長さＬ1 を０．５Ｄ以下としたのは、後に詳述するように、基準位置から０．５Ｄになるとその部分に発生する曲げモーメントがほぼ０に収束し、かつ０．５Ｄより大きくても実質的に構造耐力が変わらず、経済性の面で不利となるからである。
【００２４】
請求項２は、請求項１に係る回転貫入杭において、前記翼は、杭の軸回り円周方向について、複数枚設けられていることを特徴とするものである。
【００２５】
円周を分割する形で翼が円周方向に複数並列的に配置されることで、翼が取り付けられる杭軸方向の範囲が短くなり、貫入性を損なうことなく、杭先端部材を短くすることができる。
【００２６】
翼の枚数は、通常、２枚以上で、杭径が大きい場合には施工性や製作性の向上という点から杭の軸周り円周方向の分割数を増加させることが望ましい。
【００２７】
本願の発明者らは数値解析により、円周を分割する形で杭の軸周り円周方向に翼が複数載置されている場合、特に分割数の多い場合において、単一の翼の中央部（翼取付け部の内角の１／２位置近傍) において発生する曲げモーメントが最大となる傾向を有することを見出した。
【００２８】
すなわち、円周方向に配置される翼の枚数が多い場合は、基準位置が杭先端部材に取り付けられている各翼の中央部（翼取付け部の内角の１／２位置近傍）となり、杭一般部より肉厚が厚いまたは杭一般部より強度が大きい杭先端部材のこの基準位置から後端までの長さＬ1 を杭軸方向に０．１Ｄ以上かつ０．５Ｄ以下の範囲で設定すればよい。
【００２９】
基準位置の一例として、円周方向に３分割され、単一の翼当たりの取付け部の内角が１２０°の場合は、基準位置は翼の取り付け部の内角がほぼ６０°の位置となり、円周方向に５分割され、単一の翼当たりの取付け部の内角が７２°の場合は、基準位置は翼の取り付け部の内角がほぼ３６°の位置となる。
【００３０】
請求項３は、請求項１または２に係る回転貫入杭において、前記杭先端部材が、前記杭一般部と分離しており、前記杭一般部の先端部が前記杭先端部材の内側に収まる構造となっていることを特徴とするものである。
【００３１】
また、請求項４は、請求項３に係る回転貫入杭において、前記杭先端部材に、前記杭一般部を貫通させた回転貫入用の回転ロッドを接続するためのロッド接続部が形成されていることを特徴とするものである。
【００３２】
回転ロッドは、杭一般部内を貫通し、杭先端部材に形成されたロッド接続部に接続される。図示しないが、ロッドの接続部は、ロッドの動きに応じて回転、上下動するようにしておくのが良く、杭の設置後はロッドと杭先端部材とを分離できるように着脱自在な形状としておくのが良い。
【００３３】
本願の出願人は、先に杭先端部材である翼を取り付けた先端シューを杭本体を構成する杭一般部と分離した基礎杭および施工方法を出願している（特願２００１−３９９９２２号）。
【００３４】
杭先端部材が杭一般部から分離されている場合、杭先端部材のみを回転させて、杭本体としての杭一般部を回転させずに施工を行うことができる。そのため、杭一般部を回転させる場合の地盤抵抗を考慮する必要がなく、杭一般部は杭先端部材に追随させて埋設するか、あるいは地盤が柔らかい部分については自重で沈設させることもでき、小さいエネルギーで杭の建込みを行うことができる。
【００３５】
また、杭一般部として中空杭を用いた場合、分離した杭先端部材と先端部がその杭先端部材の内側に収まる杭一般部との間の隙間を所定間隔以上確保することで、施工時に土砂を杭本体内に取り込み、回転圧入用の回転ロッドのスクリュー翼で土砂を上方に押し上げるなどして、さらに建て込みを容易にすることができる。
【００３６】
さらに、杭先端部材が杭一般部と分離されている場合、杭先端部材自体の製作や取扱いが容易である他、杭一般部も特別な加工が必要なくなるため、杭先端部材と杭一般分を一体化したものに比べ、経済的であり、杭先端部材と杭一般部の施工現場への納期を大幅に短縮させることができる。
【００３７】
施工完了状態においては、杭一般部の先端部（下端部）が杭先端部材の後部（上部）に載置されることで、杭先端部材の径に応じた先端支持力が得られ、杭先端部材に取り付けられた翼により地盤の大きな支持力を得ることができる。
【００３８】
また、請求項３、４に係る発明では、杭先端部材が杭一般部と分離しているため、翼が取り付けられている杭先端部材には杭一般部に導入される軸力が伝達しない。従って、翼から導入される曲げモーメントのみに耐え得る構造でよいため、杭先端部材が分離されていないものに比べると、杭先端部材の強度、剛性が小さいものでよいことになる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１は、本願発明の杭先端構造の一実施形態を示したもので、杭一般部１を構成する外径Ｄの鋼管杭の先端部に、４枚の鋼製の翼２を有する杭先端部材３を取り付けてある。
【００４０】
杭先端部材３は杭一般部１より厚肉で、外径が杭一般部１と同じＤであり、杭一般部１の先端に溶接等により取り付けられている。また、４枚の翼２は杭先端部材３の外周部に溶接等により取り付けられ、４枚の翼２により外径２Ｄの翼部を構成している。
【００４１】
翼２の取付け部において該杭先端部材３に生じる応力が最大となる位置である基準位置４から杭先端部材３の後端（図における上端）までの長さＬ1 は、図１の例では０．１Ｄとしている。
【００４２】
図示した杭先端部材３は鋼製であり鋼管を切断してもよいし、鋼板を曲げ加工し溶接により製作してもよい。翼２は供用時に地盤反力による荷重支持を直接担う部分であり、通常、その取付け部の内角の和は３６０°程度となる。
【００４３】
また、一般的に杭を回転貫入させるためには、翼２をある角度をもって取り付けている。本実施形態では翼２の取付け角度は８°（取付け角度が杭軸方向に対して８２°）である。
【００４４】
杭先端部材３の先端には貫入性向上と杭打設開始時において施工位置決めを容易にするための円錐形のコーン部５を設けてある。
【００４５】
杭を回転させながら地盤に貫入する場合において、翼２に磨耗によるすり減りが生じることが懸念されるが、本実施形態では、翼２のすり減りをできるだけ小さくするために翼始端側に杭の貫入方向に向かって幅が漸減し、翼２より上昇角度（取付け角度）が大きな始端翼６をコーン部５に取り付けてある。また始端翼６の代わりに超硬チップ等を取り付けることも考えられる。
【００４６】
杭は供用時に構造物自重や地震力により鉛直荷重が作用することで、地盤反力を受ける。特に翼付き杭の場合では、翼の張出し幅に応じて大きな地盤反力を受ける。その結果、翼取付け部付近で大きな曲げモーメントが生じ、これが翼２を取り付けている部材に伝達される。
【００４７】
そこで杭一般部１より肉厚が厚い杭先端部材３を曲げモーメントの作用する範囲のみに用いることで、杭一般部１の肉厚を厚くする必要がなくなり、経済的である。
【００４８】
図２は、図１に示される翼２の形状について、翼２に作用する力によって杭先端部材３に生じる曲げモーメント分布の数値解析の結果である。解析は杭先端部材３を無限長と仮定し、翼部下面から支持力に相当する荷重を載荷させたものである。
【００４９】
解析結果より、杭先端部材３に生じる応力が最大となる基準位置４より０．１Ｄの長さを有していれば曲げモーメントの影響は著しく減少する。
【００５０】
また、図３は、翼２が取り付けられる杭先端部材３を無限長と仮定した場合の最大構造耐力を１として評価した場合における、基準位置４から杭先端部材３の後端までの長さＬ1 と構造耐力の関係を示している。
【００５１】
解析結果より、基準位置４から杭先端部材３の後端までの距離Ｌ1 を０．１Ｄ程度設ければ、杭先端部材３が無限長である場合に対して９０％以上の構造耐力を有し、基準位置４から杭先端部材３の上端までの距離を０．１Ｄ未満とすると、構造耐力は急激に低下して杭先端部材３を用いることによる十分な補強効果が得られないことが分かった。
【００５２】
これらの解析結果からから、基準位置４より杭先端部材３の後端までの距離を０．１Ｄ未満とする構造は望ましくないと言える。
【００５３】
図４は、図１の翼２と杭先端部材３を平面に展開して示したものである。数値解析によれば、円周を複数に分割する形で、周方向に複数枚の翼２が設けられている場合、特に分割数、すなわち翼２の枚数が多くなると、杭先端部材３に生じる応力が最大となる位置は単一の翼２の中央部（翼取り付け部の内角１／２位置）近傍であることが分かった。
【００５４】
従って、簡便には、数値解析や実験等によらずに基準位置４を求めることができる。図１の実施形態においては杭先端部材３に取り付けられている翼２の１枚当たりの取付け部の内角は９０°であることから、基準位置４は１枚の翼２の取付け部の内角の１／２位置である４５°の位置となる。
【００５５】
前述したように、図１の例では、基準位置４と杭先端部材３の後端（図中、上端）までの距離Ｌ1 は０．１Ｄである。幾何学的関係から基準位置４より杭先端部材３の下端まで（コーン部５を除く）の距離Ｌ2 は次式により表される。
【００５６】
Ｌ2 ＝｛（φ／２）／３６０｝×π・Ｄ・ tanθ＋t w 
ここでφは翼２の１枚当たりの内角、Ｄは翼２が取り付けられている杭先端部材３の外径、θは翼２の取付け角度（この例では８°とした）、ｔw は翼２の厚さである。
【００５７】
上の式より、Ｌ2 ＝０．０６Ｄ＋ｔw となるため、杭先端部材３の全長Ｌは０．１６＋ｔw となり、既往の杭の先端構造において推奨されてきた値（１．０Ｄ以上）よりも短いことから（非特許文献１参照）、材料・加工コストが安価となり、経済的である。
【００５８】
なお、翼２のすり減りの低減や貫入性を向上させるために、翼２に始端翼６や超硬チップ等を取り付ける場合が考えられるが、上記の数値解析ではその部分は含めていない。しかし、このことは構造耐力から見ると安全側の評価をしていることになるため実用上問題とはならない。
【００５９】
図５は本願発明の他の実施形態を示したものであり、図１の実施形態と同様の部材構成となっている。ただし、翼２が取り付けられている杭先端部３の長さは、該部材に生じる応力が最大となる付近である翼２の単一の翼の中央部( 翼取り付け部の内角の１／２位置) における翼上面の杭先端部材取り付け部である基準位置４から０．５Ｄである。
【００６０】
図２に示した解析結果によれば、基準位置４より０．５Ｄの長さを有していれば発生曲げモーメントは概ね０に収束する。また、図３に示した解析結果より、基準位置４から杭先端部材３の後端までの距離を０．５Ｄ程度設ければ、杭先端部材３が無限長である場合とほぼ同等の構造耐力を有し、基準位置４から杭先端部材３の後端までの距離を０．５Ｄ以上としても、構造耐力は変わらないことが分かる。
【００６１】
翼２が取り付けられる杭先端部材３を必要以上に長くすることは、材料費と加工費が増加して経済的ではないことから、基準位置４から杭先端部材３の後端までの距離を０．５Ｄ以上とする構造は望ましくない。
【００６２】
図６は図５の翼２と杭先端部材３を平面に展開したものである。杭先端部材３に取り付けられている翼２の１枚当たりの取付け部の内角は９０°、上昇角度θは８°（取付け角度が杭軸方向に対して８２°）である。
【００６３】
Ｌ2 ＝０．０６Ｄ＋ｔw となるため、杭先端部材３の全長Ｌは０．５６＋ｔw となり、既往の杭の先端構造において推奨されてきた値（１．０Ｄ以上）よりも短いことから、材料・加工コストが安価となり、経済的である。
【００６４】
図７は本願発明のさらに他の実施形態を示したものであり、図１の実施形態と同様の部材構成となっている。ただし、本実施形態において３枚の鋼製の翼２が取り付けられている杭先端部材３は、分離型の先端シューとして杭一般部１から分離していており、杭先端部材３の内径は杭一般部１の外径Ｄより大きい。
【００６５】
また、杭先端部材３の長さは、１枚の翼２の中央部( 翼取り付け部の内角の１／２位置) における基準位置４から０．１Ｄ’以上、０．５Ｄ’以下の範囲である。ここで、Ｄ’は杭先端部材３の外径である。
【００６６】
翼２が取り付けられている部材が、分離型の先端シューの場合においても、分離型でない場合と同様に杭先端部材の基準位置からの長さを求めることができ、杭先端部材３の基準位置４から後端までの長さが０．１Ｄ’の場合は、杭先端部材３が無限長である場合に対して９０％以上の構造耐力を有し、０．５Ｄ’の場合は杭先端部材３が無限長である場合とほぼ同等の耐力を有する。
【００６７】
図８は、図７の翼２と杭先端部材３の部分を平面に展開したものである。杭先端部材３に取り付けられている翼２の１枚当たりの取付け部の内角は１２０°、上昇角度θは１０°（取付け角度が杭軸方向に対して８０°）である。
【００６８】
翼２の１枚当たりの取付け部の内角が１／２位置における翼上面を基準位置４として、基準位置４から先端シューとしての杭先端部材３の後端（図中、上端）までの距離Ｌ1 は、０．１Ｄ’以上、０．５Ｄ’以下の範囲であり、基準位置４から杭先端部材３の先端（図中、下端）までの距離Ｌ2 は０．０９Ｄ’＋ｔw となるため、杭先端部材３の全長Ｌは０．１９Ｄ’＋ｔw 以上、０．５９Ｄ’＋ｔw 以下の範囲となる。
【００６９】
翼２が取り付けられている先端シューとしての杭先端部材３は杭一般部１と分離しているため、杭先端部材３には杭一般部１に導入される軸力が伝達しない。従って、翼２から導入される曲げモーメントのみに耐え得る構造でよいため、杭先端部材３が分離されていないものに比べ、翼２が取り付けられる部材の肉厚を減少させることができる。
【００７０】
また、施工時においては、杭本体としての杭一般部１を貫通させた回転ロッドを杭先端部材３の後部に接続するなどして、杭先端部材３のみを回転させ、杭一般部１を回転せずに施工を行なうこともできる。
【００７１】
その場合、杭一般部１を回転させる場合の地盤抵抗を考慮する必要がなく、杭一般部１は杭先端部材３に追随させて埋設させるか、あるいは地盤が軟らかい部分については自重で沈設させることもでき、小さいエネルギーで杭の建て込みを行なうことができる。
【００７２】
【発明の効果】
本願発明は、回転貫入可能な翼を有する杭について、杭一般部の肉厚より厚くする、あるいは強度の大きな材質を用いる杭先端部材の範囲を、翼が取り付けられている該杭先端部材の応力の発生が最大となる位置を基準位置とし、基準位置から０．１Ｄ以上、かつ０．５Ｄ以下としたことで、翼から伝達される曲げモーメントに耐え、かつ支持性能の低下がない、経済的な回転貫入杭の先端構造を提供することができる。
【００７３】
杭先端部外周を円周方向に分割する複数の翼が設けられている場合にも、杭先端部材の基準位置から後端までの長さを０．１Ｄ以上、かつ０．５Ｄ以下とすればよく、特に分割数が多い場合に杭先端部材の長さが短くなり、経済性の面でも有利となる。
【００７４】
杭先端部材が分離する構造の場合、上記効果に加え、さらに杭一般部に導入される軸力が伝達しないため、翼から導入される曲げモーメントのみに耐え得る構造とすればよく、杭先端部材が分離されないものに比べて、翼が取り付けられる部材の肉厚を薄くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の杭の先端構造の一実施形態を示す正面図（一部切欠き断面図）である。
【図２】図１の実施形態における杭先端部材に生じる曲げモーメント分布の数値解析結果を示すグラフである。
【図３】図１の実施形態における杭先端部材の基準位置から後端までの長さと構造耐力の関係に関する解析結果を示すグラフである。
【図４】図１の実施形態における翼と杭先端部材を平面に示した展開図である。
【図５】本願発明の杭の先端構造の他の実施形態を示す正面図（一部切欠き断面図）である。
【図６】図５の実施形態における翼と杭先端部材を平面に示した展開図である。
【図７】本願発明の杭の先端構造のさらに他の実施形態を示す正面図（一部切欠き断面図）である。
【図８】図７の実施形態における翼と杭先端部材を平面に示した展開図である。
【符号の説明】
１…杭一般部、２…翼、３…杭先端部材、４…基準位置、５…コーン部、６…始端翼
【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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