쏘일네일 공법의 특징 및 개요
기존 콘크리트 옹벽이나 보강토 옹벽에 비해

1. 토공(흙) 작업량이 줄어든다.

2. 표면을 친환경적(식재, 조형등)으로 꾸밀 수 있다.

3. 경제적이다.

4. 장비진입이나 자재 운반이 어려운 곳에서도 가능하다.

1.1 쏘일네일링의 원리

쏘일네일 공법의 원리는 굴착면의 일부토사를 하나의 큰 보강체로 구성함으로써 보강구조체 배면의 토압에 저항할 수 있도록 한 것이다. 따라서 외적으로는 중력식 흙막이 구조체의 개념과 같은 원리로 배면토압을 지탱하게되며 내적으로는 지중에 설치되는 보강재인 네일(주로 이형철근)과 네일주변의 지반과의 상호 작용으로 국부적인 저항 시스템을 형성하여 쏘일네일링 구조체가 성립하게된다.

그림 1.1. 쏘일네일 공법의 개념도

그림 1.2. 쏘일네일 보강체 상세도

쏘일네일 공법은 지반내에 일정 간격으로 설치된 보강재에의해 한 덩어리의 흙+보강재의 보강체를 형성한다는 개념에서는 보강토(Reinforced Earth)공법과 유사한 점도 많지만 구조물의 형상이나, 토사, 보강재 등 사용되는 재료가 표준화된 보강토공법과는 차이점이 많다. 특히 가장큰 차이점은, 시공상의 측면에서 살펴볼 때 쏘일네일링은 굴토 또는 절토과정을 통해 위에서 아래로 일련의 보강작업이 이루어지지만 보강토공법은 반대로 아래에서 위로 뒷채움을 해 가면서 보강하는 방법이기 때문에 같은 형상의 단면이라 하더라도 발생 변위나 응력분포가 상당한 차이점을 나타낸다.

쏘일네일링 시공방법은 [그림 1.3]에서 보는 바와 같이 비탈면이나 터파기 굴착면을 자립할 수 있는 안정높이로 굴착함과 동시에 쇼크리트로 표면보호공을 시공하고 굴착배면 지반에는 천공 또는 기타의 방법으로 보강재를 박아 넣는 단순작업에 의하여 보강토체를 조성한다.

그림 1.3. 쏘일네일 시공순서

그림 1.4 보강토옹벽 시공순서

변위발생면에서 쏘일네일링과 보강토공법을 구분하여 보면 [그림 1.5] 에서 보는 바와 같이 차이를 볼 수 있다. 즉 쏘일네일링은 일련의 굴착공사가 진행되는 동안 네일이 설치된 벽체의 배면지반에서는 침하 및 재압축현상이 발생하며 시공완료후 벽체 최상부에서 최대 수직 수평변위가 발생한다. 보강토 벽체는 일련의 작업과정을 거치는 동안 흙의 자중에의해 하부층이 압축되며, 벽체변형이 벽체 하부에서 최대치를 나타내게 된다. 그러나 이 경향도 일반적인 것일뿐 실제 변형 거동은 쏘일네일 에서도 보강토 벽체에서와 유사한 거동이 발생 하기도 한다.

그림 1.5. 쏘일네일링 공법과 보강토 공법의 변형차이

두 공법의 또 다른 차이점은 보강재에 발생하는 인장력의 발달 양상에 따라 구분할 수 있다. 쏘일네일링벽체의 경우 지반의 횡방향 변위가 감소하면서 네일에 인장력이 발생하므로 설치된 각 네일에 발생하는 인장력은 시공단계에 따라 인장력은 커지며 j+1단계의 인장력은 j단계보다 항상 크다. 보강토에서는 이러한 과정이 반대로 발생한다. 보강토공법에서 인장력(Tmax)은 뒷채움 재료(backfill)가 균질하고 구조물 형상이 단순하기 때문에 파악하기 쉬우나 쏘일네일링공법의 경우는 변수가 더 많고 복잡하기 때문에 이를 결정하기가 매우 어렵다. 이것이 수많은 시도에도 불구하고 네일에 발생하는 인장력을 평가할 수 있는 방법(한계평형해석)이 아직 정립 되지 않은 이유 중의 하나이다(Juran et al., 1990). Basset와 Last(1976)는 Roscoe의 개념(인장이 0인 점(ε=0)이 파괴면)을 이용하여 보강재의 형태에 관계없이 잠재파괴면을 고려하여 역학적 특성을 설명하였다. 즉, 수직벽체에서 인장력에 저항하는 보강재가 삽입되면 벽체내부의 변형구간은 형상이 달라지며 보강구간의 전단시 체적변화가 없다고 한다면(팽창각ν=0) 파괴선은 위로부터 수직에 가깝게 발전한다고 생각하였다. 이런 차이점에도 불구하고 쏘일네일링과 보강토공법에서 보강재에 발생하는 최종응력상태는 유사한 점이 많다. 특히 최대응력이 벽체부에서 발생하지 않고 보강재 특성과 지반과의 상호작용에 따라 달라지면서 지중에서 발생한다는 점이 대표적이다. 지반의 응력발생 분포는 주동영역과 수동영역의 2개 구간으로 구분할 수 있다.

① 주동영역 : 네일주변 지반에 의해 발생한 마찰응력방향이 벽체의 전면을 향한다.

② 수동영역 : 마찰응력의 방향은 벽체의 내부측이며, 횡방향 변위의 방향은 주동영역과 반대이다.

그림 1.6. 네일링 벽체의 거동 (From CLOUTERRE, 1991)

2.1. 쏘일네일링의 설계 개요

쏘일네일 벽체의 안정성은 변형계산 또는 한계평형해석을 토대로 해석할 수 있다. 이러한 설계개념을 이해하기 위하여는 먼저 쏘일네일 벽체의 파괴유형을 이해할 필요가 있다.

2.1.1. 쏘일네일 벽체의 파괴유형

쏘일네일 구조체의 파괴유형은 흙쐐기가 일체식으로 움직이는 외적파괴 거동과 이와는 다소 차이가 있는 내적파괴 거동 그리고 이 두가지가 혼합된 형태의 파괴거동이 발생할 수 있다. 따라서 쏘일네일 공법의 적용에 있어서는 이 모든 것에 대한 안정성 검토가 이루어져야 한다.

그림 2.1. 쏘일네일 파괴유형

2.2. 한계평형해석

한계평형해석은 재료의 강도를 고려하여 파괴시 토체의 평형조건을 검토하는 방법이다. 한계평형해석법은 가상파괴면에 의해 구체화된 영역을 평형조건을 사용하여 분석한 후, 구조물의 내적, 외적 안정성을 검증하는데 목적이 있다. 안정성은 임계 가상파괴면과 연관지어 정의 내릴 수 있으나, 사용하중하의 구조물에서 작용력이 일련의 네일들에 어떻게 분포되는지는 규명하기 어렵다. 그러므로 벽체의 변형을 최소화시킬 수 있도록 네일을 배치하거나 순차적으로 천천히 파단되도록 네일을 배치시키는 것등을 고려하기가 불가능하다.

한계평형해석법은 크게 2가지로 나누어 볼 수 있다.

통상 '고전적인 한계평형해석'이라 일컫는 방법은 가상파괴면과 흙, 네일에 발휘되는 응력 또는 외력을 받고있는 토체를 설정한 후 이 부분에 대한 평형조건을 검증하는데 촛점을 두고 있다. 즉, 부재에 발생하는 응력은 몇 가지 가정사항을 설정한 후 파괴규준에 근거하여 분석을 실시한다. Fellenius, bishop의 절편법 또는 Perturbation method (Raulin et al, 1974)등이 대표적인 예이다. 이러한 방법들은 실측치와 계산치를 비교하여 보강되지 않은 토체에 수년간 폭넓게 적용되어 왔다. 최근, 이러한 방법들은 보강토 구조물과 쏘일네일 구조물에도 적용되기 시작했는데, 이를 통해 내적안정성, 외적안정성 등과 전체구조물의 파괴면 및 외부파괴면 등을 분석할 수 있다.

한계상태해석과 최근의 항복이론에 근거로 하고 있는 또다른 방법으로 운동학적(kinematic approach)방법은 전체 중에서 잠재파괴면에 의해 설정된 국부 토체에 정적인 평형해석을 실시한다. 토체는 외력에 대한 영향과 잠재파괴면 부근에 위치한 네일과 지반의 저항력에 영향을 받는다. 이 방법은 추가적인 가정사항이 필요하지 않기 때문에 고전적인 해석법보다 다소 엄격한 역학적 기준을 적용하고 있으나 아직 실제 적용조건하에서 충분하게 검증되지못한 단점이 있다. 따라서 현재는 균질토, 지하수가 존재하지 않는 지반, 네일에 휨과 전단이 작용하지 않는 간단한 쏘일네일 구조물에 적용되고 있다.

이러한 두 가지 한계평형해석법에서 네일링의 효과는 네일과 잠재파괴면이 교차하는 지점에 작용하는 힘의벡터성분(vector force)으로 고려된다. 네일에 발휘되는 힘은 쏘일네일 구조물의 다양한 파괴기준과 흙과 네일에 각각 적용되는 파괴기준, 두 재료의 상호작용에 적용되는 파괴기준등을 토대로 결정된다.

상기의 논리들의 방법론적인 타당성은 한계상태의 흙과 네일이 같이 거동한다는 가정에 있다. 즉, 흙과 네일 모두에 파괴가 진행될 때, 네일의 연성과 점진적으로 발생하는 흙의 소성등이 같은 변형거동(strain compatibility)을 한다는 것을 가정하고 있으며, 저항이 동시에 발휘된다는 이러한 가정은 실제적인 쏘일네일 벽체의 거동을 풀어가는데 효과적으로 쓰이고 있으나 실제 거동과는 다른 경우가 종종 발생한다.

이 가정의 가장 핵심은 파괴가 일어나기 직전까지는 구조물의 기하학적 변화를 고려할 정도의 큰 변위가 아니라고 생각하는 것이다. 연성을 지닌 네일의 경우, 파괴면을 따라 토체가 움직이는 동안 즉, 파괴가 진행되어 변형이 크게 발생된 경우에 네일이 휘게 되는데, 이로인해 취성파괴를 막을 수 있다는 유리한 점을 가지고 있지만 이미 그 상태에서 네일 보강체의 파괴는 한계치를 넘어선 것이되고 그러한 과도한 파괴 거동이 발생하기 이전에 네일 보강체가 유지되도록 하는것이 기본설게 개념인 것이다. 따라서 현재의 여러 가지 설계방안에서는 네일 보강재의 휨이나 전단에 대한 것들이 고려되지 않는 이유이다.

2.2.1. 한계평형해석에 의한 내적안정의 검토

쏘일네일링이 설치된 지반의 기본적인 안정해석은 네일링에 의해 보강된 영역의 토괴가 마치 일체화된 옹벽과 같은 작용을 한다는 가정에 의해 보강토 벽체가 가정할 수 있는 어떠한 경사면에 대해서도 안정을 유지한다고 하는 한계평형해석개념에 기초를 두고 실시하는 경우가 대부분이다. [그림 2.2]에 나타나 있는 바와 같이 사면에서 원지반의 강도가 부족한 경우에 보강을 하지 않는 비탈면은 붕괴를 예상할 수 있다. 이러한 비탈에 쏘일네일링공법을 적용하면 보강재의 효과에 의해 임계사면은 그림과 같이 뒷쪽으로 이동한다. 그리고 이때 보강된 사면안전율은 처음의 무보강시 사면의 안전율보다 증가하게 된다.

그림 2.2. 쏘일네일링 보강 구조체의 임계활동면 변화

비탈면 안정의 기본적인 방식은 사면 내의 임계활동면에서 활동면 아래에 배치된 보강재에 발생하는 장력과 활동면 상에서의 흙의 전단저항력, 그리고 경사토괴의 중량이 균형을 이룬다고 하는 단순한 힘의 평형식을 근거로 한다.

그러나 현재 실용적으로 이용되고 있는 철근보강에 의한 보강토공법의 해석방법은 몇 가지 제안되어 사용되고 있기는 하지만, 아직 표준화되어 있지 않으므로 해석대상 지반의 물리적 특성, 붕괴형태 등을 조사 검토하여 가장 적합한 설계해석법을 선정할 필요가 있다. 대표적으로 극한설계해석법에 의한 활동면의 가정은 원호형, 대수나선형, 이중선형의 모양으로 정의한 자유물체블럭의 안정성을 검토하여 보면 어떤 활동면의 형상을 적용하여도 서로 비슷한 결과를 얻는 것으로 나타났다.

(1) 원호활동면에 의한 안정해석

원호활동면에 의한 안정해석법은 일반적으로 가장 고전적인 안정해석방법이며 [그림 2.3]에서 보는바와 같이 일반적인 사면의 안정해석법과 동일하다. 즉 사면에 네일이 설치되는 경우 활동면 상단부분은 수직에 가까우며 적어도 하나의 네일은 활동면을 네일 자체에 직각방향으로 갖는다. 활동면을 보강영역 내에 완전히 포함시킨 경우의 내부 파괴형태, 부분적으로 포함시킨 경우의 혼합 파괴 형태, 완전히 바깥에 위치하는 경우의 외부 파괴 형태를 고려하여 검토 한다.

활동면의 형상을 [그림 2.3]에 보인 바와 같이 원호로 가정하고 활동면보다 더 깊은 보강재의 인장효과를 생각해서 보강재가 가지는 극한평형식을 이용하여 안정계산은 일반적으로 식 (2.1)을 이용한다.

그림 2.3. 원호활동면에 대한 안정계산

(2) 복합경사활동면에 의한 안정해석

복합경사활동면은 [그림 2.4]에서 보는바와 같이 2개의 정적 쐐기를 검토하므로서 안정해석을 실시한다. 상부 쐐기는 보강토체 뒤에 위치하여 보강토체에 주동하중으로 작용하고 하부 쐐기는 보강영역을 포함하는데 활동면이 보강영역을 통과한다. 그리고 활동면보다 더 깊은 보강재의 인장효과와 뒷면의 2개의 흙쐐기의 힘의 균형에 의해 필요한 보강재를 결정한다. 복합경사활동면에 의한 쐐기방법은 이와 같이 완전한 내부파괴를 명시적으로 고려하지 않으므로 다소 제한적으로 사용된다.

[그림 2.4]에 나타낸 복합경사면에 대해서 안전율을 구하여 보면 다음과 같다. 먼저 θ,δ를 여러 각도로 변화시켜 최소안전율이 되는 경사면을 구한다.θ는 경사면이 각 보강재의 선단 및 인접하는 보강재 선단의 중간점을 통과하도록 설정하고 δ는 임의의 각도로 변화시키며, 계산할 때에는 경사면 토괴를 지표면, 지층, 수위, 경사면의 변곡점 및 교점에서 메쉬를 절단하여 재분할한다. 이때 안정계산식은 다음의 계산식들이 이용되며, 여기서 구한 최소안전율이 영구구조물에서 통상 1.5 보다 크면 보강된 비탈면은 안정하다고 본다.

	-토괴중량 : W1,W2 -전단저항각 : S1,S2 S1 = (W1 + ΣP1-U)·cosθ·tanψ+C1L1 S2 = (W2 + ΣP2-U)·cosθ·tanψ+C2L2 (2.2) -보강재의 정착력 T = Σq·l0 (2.3) -안전율 : Fs

그림 2.4. 복합경사활동면에 따른 안정계산

(3) 활동면을 직선구배로 가정한 안정해석

활동면을 [그림 2.5]에서 볼 수 있는 것처럼 파괴활동면(α)을 수평에서 45°에서(45°+ ψ/2)범위의 직선 활동면으로 가정하고 활동면보다 깊은 보강재의 인장력 및 전단력에 의한 효과를 고려하여 안정해석을 실시한다.

그림 2.5. 가상 직선활동에 대한 안정계산

2.2.2. 외적안정의 검토(보강영역의 유사옹벽에 의한 안정해석)

내적안정을 체크하여 설정된 의사구조체(Soil Wall)에서 활동, 전도, 지지력 등을 검토하여 각각의 안정을 체크한다. 계산 결과가 불완전 한 것으로 판단되면 네일길이를 연장시킴으로써 의사구조체를 넓혀 다시 안정계산을 반복한다.

[그림 2.6]에서 보인 바와 같이 철근으로 보강된 부분을 일체화된 유사옹벽으로 간주하여 옹벽배면 토압에 대해 보강된 부분이 저항한다고 생각한다. 따라서 안정성 검토는 중력식옹벽의 경우와 마찬가지로 활동, 지지력, 전도에 대하여 검토를 수행한다.

그림 2.6 쏘일네일링으로 보강된 유사옹벽

2.2.3. 각 설계 및 해석 방법들의 특성

또한 네일로 보강된 사면 지반은 기존 일반사면에서 단순히 전체 안정성만을 검토하는 것과는 달리 지반과 네일의 상호작용에 의한 보강효과를 고려해야 하기 때문에 이러한 사면에 대한 안정성 검토는 전체 보강사면의 안정성과 각 네일과 그 주변 지반에 대한 부분 안정성을 함께 고려할 필요가 있다.

이러한 부분적인 안정성 검토는 네 가지 파괴상태를 고려할 수 있으며 각 설계 방법들이 채택하고 있는 부분 안정성에 대한 검토는 표 2.1에 정리한 바와 같이 각기 달리 적용되고 있다.

이러한 기본적인 이론들을 바탕으로 네일링 설계에 특화된 기법이 몇가지 제시되어 있으며 이러한 각각의 설계방법들의 특성에 대하여 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같다.

구 분		프랑스 방법	독일 방법	데이빗 방법	수정데이빗 방법	운동학적 방법
제안자		Schlosser, 1983	Stoker et al., 1979	Shen et al., 1981	Elias &Juran, 1988	Juran et al., 1989
해석 방법		한계휨평형해석 전체안정	한계휨평형해석 전체안정	한계휨평형해석 전체안정	한계휨평형해석 전체안정	작용응력해석 국부안정
매개 변수		c,ψ' 한계네일력 휨강성	c,ψ' 횡방향 마찰	c,ψ' 횡방향 마찰 휨강성	c,ψ' 횡방향 마찰 휨강성	c/γH, ψ' 무차원 휨 강성 계수(N)
네일력		인장력 전단력 모멘트	인장력	인장력	인장력	인장력 전단력 모멘트
파괴 형상		원형, 임의의 형상	Bi-linear	포물선	포물선	대수 나선
파괴 개념		복 합	인 발	복 합	복 합	비적용
안전율	토질 정수	1.5	1.0 (잔류전단강도)	1.5	1.0	1.0
	인발력	1.5	1.5 또는 2.0	2.0	1.5	2.0
추천 한계 네일 력	인장력	항복 응력	항복 응력	항복 응력	항복 응력	항복 응력
	모멘트	소성모멘트	-	-	-	소성모멘트
설계 결과		전체안정에대한 안정율 및 파괴면	전체안정에대한 안정율 및 파괴면	전체안정에대한 안정율 및 파괴면	전체안정에대한 안정율 및 파괴면	전체안정에대한 응력 및 한계 파괴면
지하수고려		가능	-	-	-	가능
지층 구분		가능	-	-	-	가능
하 중		경사 및 임의의 하중도 가능	경사하중	등분포 하중	경사 및 등분포 하중	경사하중
단면 형상		임의의단면가능	경사진단면 및 수직단면	수직단면	경사진단면 및 수직단면	경사진단면 및 수직단면

구 분	프랑스 방법	독일 방법	데이빗 방법	수정데이빗 방법	운동학적 방법
지반의 전단 저항력	고려	고려	고려	고려	고려
nail의 인발저항력	고려	고려	고려	고려	고려
지반의 수동저항력	전단·휨에 대하여 고려	고려 않음	고려 않음	고려 않음	휨에 대하여 고려
nail의 강도 (인장, 전단)	인장·전단 고려	인장만 고려	인장만 고려	인장 고려 않음	인장·전단 고려

2.3. 변위 해석법

많은 구조물중 특히 도심지역에 위치한 쏘일네일 구조물에서 변위량 예측은 시공 및 설계자의 최대 관건이 되고 있다. 한계평형해석법만으로는 변위예측에 관한 명확한 결과를 제공할 수 없기에 일반적으로, 경험과 계측치만이 사용중인 벽체 상단의 변위를 추정 가능하게 할뿐이다. 쏘일네일 벽체 상단에서의 수직, 수평변위의 크기는 대략 H / 1000 ∼ 4H/ 1000 정도로 측정된다.

현재까지 주로 이용된 쏘일네일링을 설계하는 방법은 네일의 인발저항력과 지반 전단강도의 관점에서 적절한 안전율을 고려, 구조물의 안정성을 판단하는 수정 사면활동해석(한계평형해석)이라고 볼 수 있다. 이 한계평형해석은 벽체에 작용하는 응력거동 특성에 대해서는 고려할 수 없는데, 계측결과(프랑스)에 의하면 굴착깊이가 증가하면 지반전단강도에 대한 안전율효과가 감소하고 인장력에 대한 평가가 중요하며 이를 고려할 필요가 있다. 네일에 발생하는 인장력은 굴착단계별로 증가하여 굴착완료 후에도 6개월 정도까지는 시공완료시에 비해 15∼35%정도 증가한다. 또한 동결-융해의 영향도 매우크며 변위 발생정도에 따라서도 네일에 발생하는 인장력이 큰 차를 보인다. 따라서 국부적 안정을 검토할 수 있도록 작용 응력을 고려할 수 있는 방법이 필요하다.

현재로서 변형과 변위의 검토에 대해 부족한 점은 다음과 같이 함으로써 보완될 수 있다.

·안정해석 결과와 비교하여 첫 번째 열에 보강재를 과다하게 설계할 경우, 구조물 상단의 변위를 줄일 수 있다.

·연속적인 굴착작업시 굴착고를 적절하게 설정하면, 굴착과정에서 발생하는 지반이완과 구조물의 변형을 억제시킬 수 있다.

[그림 2.7]과 같이 설치된 네일의 단면과 길이가 차등적으로 배치되었을 경우, 비록 구조물에 작용하는 힘과 변형이 서로 달라도, 두 가지 경우의 안정계산치는 동일할 수 있다.

결론적으로, 같은 안전율 이라도 보강체의 변형은 틀릴 수 있고 이에 가장 효과적인 네일 배치를 해야 한다는 것이다. 그러나 한계 평형 해석 으로는 이를 만족 시키는 설계를 하는데 한계가 있다. 그런 한계가 있더라도, 안정계산은 첫 굴착단계부터 시작하여 구조물이 완성될 때까지 순차적으로 계산 되야 한다. 이러한 측면에서, 네일의 배열은 매우 중요하며, 중간 굴착단계의 안정성을 위하여 최적화 방안을 모색할 수 있다. 최적화 방안에 대한 네일의 배치형상 예를[그림 2.7]에 나타내 보았다.

그림 2.7. 네일의 최적화 배치방안(From CLOUTERRE, 1991)

그림에서 네일의 배치형상은 기하학적으로 다른 모습을 보여주고 있지만, 동일한 안전율을 나타내고 있다. 그러나, 중간단계의 굴착시 입증된 안정성 문제로 인해 두 번째 배치가 더 선호된다. 이는 네일에 작용하는 힘을 파괴면을 따라 효과적으로 분포시킬 수 있으며, 또한 구조물 상단에서의 변형을 감소시킬 수 있기 때문이다.

네일벽체나 앵커, strut벽체의 변위를 적정하게 제한, 벽체를 안정하게 유지하기위해 네일에 작용하는 소요저항력을 평가하려는 시도는 다양하게 진행되어 왔으며 현재까지 크게 3가지로 분류할 수 있다.

① 경험적 토압을 이용한 해석

② 수치해석(유한요소, 유한차분등)

③ 운동학적 한계 해석

이중 네일링 구조체의 변형을 평가하는 가장 확실한 방법은 수치해석적 기법을 이용하는 것이다. 이 방법은 각 굴착 단계별 응력변화를 알 수 있을 뿐 아니라 지반-구조물의 특성을 고려 할 수 있고 단면 형상에 구애 받지 않아 광범위하게 사용할 수 있다. 그러나 수치해석방법 특성상, 입력 매개변수의 영향이 매우 크고 실제와 유사한 거동을 분석하기 위해서는 여러시험과 자료가 필요하기 때문에 어려움이 많다. 특히 그라우트체와 주면흙과의 경계요소 모델링등에 아직 많은 연구가 필요하다.

유한차분법을 이용한 변위해석예를 들어보면 다음과 같다. 해석단면의 지층상태와 네일 시공 상태는 [그림 2.8]과 같으며 해석에 사용된 물성치는 표 2.3와 같다.

본 해석예에서는 변위해석에 유한차분법을 이용하는 FLAC (Ver. 3.3)프로그램을 이용하였으며, 해석상 가정된 지반의 모델은 Mohr - Coulomb 모델이며 네일은 cable 요소로서 해석하였으며, 숏크리트 전면판은 두께 15cm, 설계기준강도는 240kg/cm2로 하였다.

수치해석시에는 실제 쏘일네일링 시공단계에 맞추어 단계별로 굴착하면서 해석하였으며, 수평변위의 검토는 최종단계굴착에 대한 결과를 이용하였다.

구 분	단위중량 (t/m3)	점착력 (t/m2)	내부마찰각 (。 )	포와송비	탄성계수 (t/m2)
매 립 층	1.7	0.0	25	0.35	2300
점토질 실트	1.75	2.0	20	0.30	2300
실트질 모래	1.80	0.5	28	0.30	1500
풍 화 토 층	1.8	1.0	30	0.30	3500

그림 2.8. 변위해석 단면

그림 2.9 단면 해석 모델

그림 2.10 단면 해석 변위벡터

해석결과발생된 굴착면에서의 최대 수평변위는 굴착면 하단에서 안쪽으로 2.09cm 이며, 이는 벽체의 최대높이의 0.3%로 가정된 허용변위량 2.16cm 보다 작으므로 가정된 단면에 대한 설계는 안정된 구조설계가 이루어진 것으로 판단할 수 있다. 그러나 이러한 계산결과는 굴착과 동시에 네일의 설치 및 숏크리트 타설작업이 이루어지는 것으로 가정하여 해석한 것이므로 실제 현장에서 굴착작업 후에 숏크리트 타설 및 네일의 설치하기까지 시간적인 차이에 의하여 굴착벽체의 변위가 더 크게 발생할 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 해석모델과 해석결과로 발생한 변위벡터에 대한 결과는 [그림 2.10] 에 나타내었다. 또한 변위해석결과의 변위 벡터에서 보여 지듯이 지반해석에 적용된 수치모델에 따라 현실과는 다르게 굴착저면 지반의 변위가 크게 산정 되기도 한다. 이는 Mohr - Coulomb 모델의 경우에 지반의 압축거동 특성과 인장 거동 특성을 같게 묘사하기 때문인 것으로 판단된다. 표 2.3. 수치해석에 사용된 입력 데이타표 2.2. 각 설계 방법에 적용된 부분 안정성의 고려 여부표 2.1. 각 설계방법들의 특성

3. 쏘일 네일링의 시공

3.1. 쏘일네일링의 시공 개요

쏘일네일링의 시공은 지반절취, 굴착면을 보호하기 위한 전면보호공, 굴착배면 지반보강을 위한 네일 설치로 대별할 수 있다. 이들의 시공은 지반조건, 주변 현장여건 등에 따라 변할 수 있으나, 시공단계별 일반적인 시공순서는 [그림 3.1]과 같다.

그림 3.1. 시공순서 개요도

3.2. 쏘일네일링의 공정

3.2.1. 지반굴착

전면보호공과 보강재를 설치하기 위한 지반굴착은 일반적인 지반굴착과 근본적으로는 같다. 그러나 쏘일네일링에서 굴착면은 본체 구조물로 이용되는 경우가 많으므로 정확한 위치와 형상으로 굴착할 필요가 있으며, 토질에 따라 지반이 자립할 수 있는 굴착깊이, 주입 그라우트나 숏크리트가 소요의 강도를 얻기 위한 양생기간 등을 고려하여 굴착깊이 및 다음 단계의 굴착시기 등을 결정하여야 한다. 지반조건에 따라 다르지만 일반적으로 한계굴착깊이는 지반의 겉보기점착력에 관계가 있으며 단계별 연직굴착 깊이는 최대 2m로 제한(그 상태로 최소한 1∼2일간 자립성 유지)하는 것이 좋다[그림 3.2]. 굴착은 설치하고자 하는 네일과 네일 사이의 중간까지 굴착한다. 지층 중간에 대수층이나 점착력이없는 사질층이 있거나 연약한지층이있어 자립이 곤란할 경우에는 [그림 3.3]에서와 같이 미리 보강재를 삽입하거나 턱을두는방법,기성판넬을 이용하는방법등을 사용하여 어느정도 시공기법으로 해결할 수 있다. 굴착지반의 정지선은 벽체와 수직으로 평편하게 굴착한다. 굴착중에 굴착벽면의 일부가 붕괴된 경우는 숏크리트로 그대로 분사하여 면처리를 하면 숏크리트의 사용량이 많아지므로 마대에 흙을 담아서 붕괴된 부분에 쌓아 그 위에 숏크리트를 분사하는 방법 등을 사용하면 효과적이다.

그림 3.2. 단계별 굴착깊이와 부분안정(From CLOUTERRE,1991)

그 림 3.3. 국부붕괴 방지 시공 예 (From CLOUTERRE,1991)

3.2.2. 천 공

천공은 보강재를 설치하기 위한 것으로 착암기나 보링기 등을 사용한다. 대부분의 천공은 유체(공기, 물, 니수, 시멘트그라우트, 벤토나이트)를 사용하여 실시된다.

천공시 유체의 선정은 공벽 붕괴방지 효과면에서 매우 중요하다. 특별한 경우(암반, 붕괴 우려지역)를 제외하고 습윤천공은 피하는 것이 좋다. 충격식 천공은 원칙적으로 견고한 지반에 이용되지만, 실제적으로 단단한 토층에도 사용가능하며, 흙의 특성 때문에 그 사용성을 제한 받는 지반에도 적용됨이 입증되었다. 충격·회전식 천공은 충격력 및 회전력을 각각 독립적으로 사용하거나 또는 조합하여 사용할 수 있다. 이 방법은 광범위한 적용성을 지니고 있어 비균질성 지반 또는 변화가 많은 지반에 가장 자주 쓰이는 방법이다.

천공은 지반굴착후 바로 천공하는 방법과 굴착지반의 안정을 위하여 숏크리트 타설 후 천공하는 방법이 있다. 보강재는 암반과 같은 밀실한 지반에서는 천공 후 보강재를 삽입하고 그라우팅을 하지만 붕괴성 지반에서는 천공 후 공벽의 자립이 어렵기 때문에 보강재의 설치나 그라우팅이 곤란하다. 이러한 붕괴성 지반에는 공벽의 붕괴를 방지하기 위해 케이싱을 사용하거나 붕괴성 지반에 적용할 목적으로 제작된 특수한 자립식 천공기를 사용하기도 한다. 특수한 자립식 천공기의 한 예로서 젯트볼트가 있는데 이 기계는 고압그라우트 주입기구를 갖추고 있는 특수 볼트를 회전, 삽입 및 타격으로 박아 넣음과 동시에 볼트 끝에 그라우트재를 고압분사함으로써 관입과 보강재의 정착을 동시에 수행하는 타설시스템이다.

통상 압축공기를 이용하는 크롤러 드릴을 이용하는 것이 효과적이나 점성토지반이나 느슨한 매립토 지반의 경우 유압식드릴을 이용하거나 오거형태의 네일링 전용 천공장비를 이용하지 않으면 시공이 곤란한 경우가 있으며 국내에서도 하루빨리 전용장비의 활용이 확대되는 것이 바람직하다.

천공이 이루어진 후에는 반드시 공내부를 깨끗이 청소해주어야 하며 이때 공벽이 세굴될 염려가 있으므로 점성토지반과 같은 특별한 경우를 제외하고는 물을 사용해서는 안된다. 최소한의 공벽유지가 어려운 지반인 경우에는 케이싱을 사용하기도 하지만 케이싱은 그라우트를 주입하면서 빼내는 것이 경제적이다. 천공시에는 천공의 위치, 간격, 지름, 깊이 등에 주의하여 소정의 정도가 확보되도록 한다. 그리고, 천공시 지하매설물, 건물기초 등의 시설물을 사전에 조사한 후 천공장비를 정착하여 지반의 심한 교란이나 지하구조물의 손상을 방지하여야 한다.

사진 3.1. 크롤러 드릴에 의한 천공

사진 3.2 오거형 천공기

사진 3.3. 소형 천공기에 의한 급경사면 천공

3.2.3. 보강재의 삽입

쏘일네일링에 사용되는 네일은 이형철근이나 네일로 사용이 가능한 다른 강봉 등을 사용할 수 있으며, 그라우트와 부착되는 부분의 유해한 흙이나 기름등은 사전에 제거되어야 한다. 네일은 이음매가 없이 한 본을 그대로 사용하는 것이 좋지만 삽입길이가 길어 어쩔 수 없이 연결을 해야하는 경우에는 커플러를 이용하는것이 바람직 하며, 용접으로 연결할 경우에는 일반용접으로 연결해서는 안되고 강재의 성질이 변화되지않는 방법으로 해야한다. 네일의 삽입시에는 그라우트의 최소두께를 확보하기 위하여 네일이 천공구멍의 중앙에 위치하도록 간격재를 사용하여야 하며, 간격재는 철근을 구부려 용접하거나 기성제품을 사용할 수 있으며 간격은 2m 내외 정도로 하는 것이 좋다.

사진 3.4. 기성제품 간격재 사용예

사진 3.5. 네일의 삽입

3.2.4. 그라우팅 실시

네일을 설치하고 그라우트를 시행하여 통상의 경우 무압으로 시멘트 밀크(milk)를 공의 내부로 그라우트하며 케이싱을 설치한 경우 케이싱을 회수하고자 할 때에는 그라우팅이 끝난후 완전히 굳기전에 공벽이 무너지지 않도록 하며 케이싱을 제거하여야 한다.

그라우팅은 공내부를 완전히 충진하도록 하여야하며 그라우팅재가 주변지반에 침투되는 경향에따라 3 ∼ 6차에 걸쳐 실시하여야 한다. 건조한 토사 지반일수록 주입회수를 충분히 하며 최종적으로 공 입구부에서는 그라우트재가 흘러 넘치지 않도록 헝겊이나 마개 등을 막고 주입하여야 한다.

주입호스는 최소 2개 이상을 설치하고 1차주입호스 말구는 천공홀 최 저부에 위치토록 하며 또하나의 호스는 공 입구에서 공길이의 3/4 정도의 위치에 말구를 위치토록하여 2차 이후의 주입을 실시하도록 한다. 이때 주입호스가 구분이 되도록 표시를 하여 관리하도록 한다.

사진 3.6. 네일의 그라우팅

그라우트의 주입시에는 주입파이프를 구멍의 바닥까지 늘어뜨려 바닥에서 부터 실시하며, 그라우트가 차오르면 주입파이프를 서서히 빼내면서 굴착면 끝까지 실시해야 한다. 공벽내부의 붕괴를 최소화하기 위해서 그라우트의 주입은 네일이 설치된 후에 바로 실시하는 것이 좋다. 이때 주입파이프는 그라우트 면보다 항상 아래에 있어야 한다.

1차주입은 공 저부로부터 공입구로 주입재가 흘러 넘칠때까지 실시하고 서너시간 경과후마다 2 ∼ 5차 주입을 실시하고 최종주입은 공 입구에서 흘려 넣도록 한다.

그라우트가 종료되면 소요강도를 얻기 위한 양생기간이 최소 1주일정도 소요되므로 이 기간 내에는 네일에 인장 또는 충격이 가해지는 일이 없도록 해야 한다. 그러나 보통은 급결재를 사용하므로 소요강도의 80%에 도달하면(약 1일∼3일) 다음 단계의 작업을 실시한다.

사진 3.7. 네일의 그라우팅 완료 예

3.2.5. 전면보호공

전면판은 지반의 절취면을 구속해주고 지반의 노출을 방지하여 준다. 설계상에서는 숏크리트의 이러한 역활외에 역학적으로 자체의 강성은 고려하지 않는다. 굴착면 보호를 위한 전면보호공은 숏크리트, 기성판넬, 현장타설 콘크리트 등을 이용할 수 있으나 가설구조물에는 일반적으로 숏크리트가 이용되고 영구구조물로서 네일링이 적용될경우에는 시공시 가설형태로 시공되는 숏크리트 전면판 두께를 증가시키거나 이 위에 철근 콘크리트 구조물을 추가 설치하는 방법이 있다.

사진 3.8. 전면보호공에 사용되는 지압판

표면보호에 이용되는 숏크리트는 지질조건이나 시공조건에 따라 배합을 변경하여 강도나 경화시간을 조절하며, 숏크리트의 시공 두께는 보통 7 내지 15cm이고 필요에 따라 와이어메쉬나 강재 등의 보강재를 사용하기도 한다. 숏크리트를 치는 방법은 1차와 2차로 나누어 치기와 설계 숏크리트 두께만큼을 한꺼번에 치는 방법이 있으나, 최근에는 후자의 경우로 시공하는 경향이 있다. 1, 2차로 나누어치는 방법은 두께 7.5∼10cm 두께로 1차 숏크리트를 치고 나서 와이어메쉬, 지압판 및 볼팅작업을 한 후에 다시 7.5∼10cm 두께의 숏크리트를 치는 방법이다. 이때에는 지압판 및 너트가 숏크리트 안에 매설되므로 2차 숏크리트를 치기전에 띠장역활을 하는 수평철근도 연결해주어야 한다. 한꺼번에 시공하는 방법은 그라우팅 실시 후에 굴착벽체에서 숏크리트 타설두께 1/2의 위치에 와이어메쉬를 설치하고나서 한꺼번에 숏크리트를 분사하는 방법이다. 이때에는 숏크리트를 치고난 후에 벽체의 외부에 지압판설치 및 볼팅작업을 실시해야 한다. 금속지지판은 전면판 콘크리트가 완전히 타설된 후 밀착·설치하는 것이 좋으며, 금속지지판을 먼저 설치한 후 숏크리트를 타설하면 전면판 뒷부분에 숏크리트가 채워지지않는 부분이 국부적으로 생성될 수 있다.

사진 3.9. 하중지지용 강봉의 예

특별한 경우를 제외하고 네일 설치를 위한 장치는 일반적으로, 금속지지판과 나사모양의 너트로 구성된다. 지압판은 대략 150×150×12mm의 강판을 사용하며, 숏크리트 분사직후의 지압판설치 및 볼팅작업시에는 손으로 볼트를 조여주고 다시 1일정도 양생(급결재 사용)시키고 난후에 소요강도에 도달하면 렌치를 이용하여 견고(14 kg-m)하게 조여주어야 한다.

영구구조물로서 숏크리트구조 위에 벽체구조물이 연이어 추가 설치되는 경우에는 전면판의 하중을 일부 지탱해줄 수 있도록 지압판의 네모서리에 약 15∼20cm 정도의 강봉을 용접해 붙여주거나 네일두부를 더 돌출시키는 방법이 필요하며, 벽체의 두께(약 30cm 이상)가 커지는 경우에는 길이 약 3m 정도의 보강네일을 추가로 삽입하여 벽체를 지탱할 수 있도록 해주어야 한다.

숏크리트 위에 구조용 전면판을 설치하는 방법은 위에서 언급한대로 세가지 방법이 있다. 먼저 숏크리트를 분사하여 벽체를 조성하는 경우에 철근을 배치하고 난 후 숏크리트를 소요두께 만큼 분사한후 미장에 의하여 마감하는 방법이다. 둘째로, 현장 콘크리트타설에 의한 방법은 역시 철근을 배근하고 난 후에 거푸집을 설치하고 현장에서 콘크리트를 타설하는 방법이다, 셋째는 일반 건축용 외관자재로 생산되는 기성 콘크리트 판넬을 부착하여 전면을 마감하는 경우이다.

사진 3.10. 전면 벽체 숏크리트 타설

그림 3.4. 전면벽체 단면

3.2.6. 배수시설

지하수위가 높고 평상시에도 네일링 설치지반내에 지하수위의 존재가 예상되는 경우에는 원칙적으로 네일링 적용이 곤란한 경우가 많으므로 네일링 공법 적용을 재검토 하는 것이 바람직하다.

네일 구조체에 물이 유입되는 것을 방지하기 위하여 배수시설이 반드시 필요하며 크게 지하수의 유입방지와 지표수의 유입방지로 구분할 수 있다.([그림 3.7])

지하수가 많이 배출되는 곳에서는 굴착지반과 숏크리트면 사이에 지오드레인 같은 배수재를 설치해서 물을 배수하는 벽면 배수시설과 필요시 weep hole을 설치하여 유출수를 배제시키고 강우시 우수가 작업장에 유입되는 것을 방지하기 위한 표면 배수시설을 해주어야 한다. 지하수위가 낮은 곳이더라도 표면 배수시설과 숏크리트 전면벽과 원지반사이의 침투수를 유출시키기위한 배수시설은 반드시 설치해 주는 것이 좋다. 벽면 배수시설에서 배수재는 일반적으로 네일과 네일사이에 수평·수직간격, 2 ∼ 4m 정도로 벽체상단에서 하단까지 수직·수평방향으로 설치되며, 이를 배수구멍에 연결하여 벽체밖으로 배출되도록 한다. 필요한 경우에는 배수재 하단에서 물을 한쪽으로 집수하여 배출할 수도 있다. 이때에 배수재와 배수구멍과의 접속이 확실하지 않으면 오히려 배수시설이 설치하지 않는 것보다 못한 악 영향을 미칠수 있으므로 특히 주의 하여야 한다. 이를 위해서는 [사진 3.11]에서 보는 바와 같이 철근등으로 보조틀을 설치하여 고정시킨 후 숏크리트를 타설하면 효과적이다.

굴착면 상단의 표면배수시설은 우수나 지표수들이 배수로 구조물과 지반의 사이로 침투하지 못하도록([그림 3.6])하는 것이 중요하며 Con'c apron을 설치하는 방법을 적용하면 효과적이다.

그림 3.5. 배수구멍 설치 예

그림 3.6. 지표면 배수처리 예

사진 3.11. 토목섬유를 이용한 배수처리 예

사진 3.12. 배수처리용 다발관

그림 3.7. 배수공 설치 개요도

3.2.7. 계측기의 설치 및 관리

본 공법은 옹벽처럼 강성이 높은 구조물을 이용하거나 프리스트레스를 도입하여 적극적으로 원지반의 안정을 도모하는 어스엥커와는 달리 굴착에 따른 응력이완에 의하여 생기는 원지반의 변형을 보강재의 인장력으로 구속하는 것이 공법의 기본 구조원리이다. 따라서 보강재의 보강효과는 원지반이 어느 정도 변형해야 비로소 발휘되는 것이므로 시공중 어느 정도의 변형이 발생하는 것을 허용한다. 반대로 벽체 또는 지중에서 발생하는 변형이 네일링 벽체의 안정성을 해석하는데 매우 중요한 지표가 되며 설계 시점에서는 사전조사나 실험에 의하여 복잡한 지반조건을 정확하게 반영시키기 어렵다. 오히려 시공시에 설계조건과 다른 것이 보통이므로 쏘일네일링 시공시에는 계측에 의한 현장관리가 어느 공법의 경우보다 중요성을 지닌다. 이러한 계측관리의 목적은 시공 중이나 시공 후에 계측에 의하여 구조물의 이상유무를 미리 발견하여 조치하며, 축척된 계측 자료를 추후 설계시에 이용하여 좀더 정확한 설계 및 시공이 이루어지도록 하는데 목적이 있다. 또한 이러한 계측결과에 의하여 설계시와 시공시의 차이점을 발견하고 쏘일네일링 구조물의 전체적인 안정상태를 판단하는 자료로도 활용된다. 이러한 계측은 계측기를 사용한 항목 뿐만이 아니라 벤치마크를 설치한 후에 측량에 의하여 벽체의 상단변위를 관측하는 것이나 설계시에 반영된 지층이 지반을 굴착해 감에 따라서 어떻게 달라지는가에 대한 지질학적인 관측 등도 포함되는 것이다.

계측에 의한 시공관리의 흐름은 [그림 3.8]과 같고 시공관리를 위한 계측항목은 공법의 용도와 현장의 여건에 따라서 다소의 차이가 있으며, 주된 계측항목은 표 4.1과 같다.

계측관리는 전문가가 시행하는 것을 원칙으로 하고 만약 전문인력이 이를 수행치 못할 경우에는 감독원 및 감리자가 인정하는 용역업체로 하여금 대행토록 한다.

필수 계측항목으로는 배면지층의 변위측정, 지하수위의 변동측정, 철근의 변형율측정, 네일의 인발시험 등이 있으며, 계측에 의하여 시공 중과 후에 현장상황을 관측하면서 과다변위 등의 이상이 발생할 때에는 네일을 추가로 설치하는 등 보강조치가 필요하다. 경사계의 설치시에는 오차를 최소화하기 위하여 굴착벽체의 높이에 약 1.5 배 또는 기초지층이 암반일 경우에는 최소 1.5 m 깊이까지 천공을 한 후에 경사계관을 설치하고, 측정심도를 50 cm 간격으로 하여 경사계가 설치된 2 방향에 대하여 변위를 측정하는 것을 원칙으로 한다. 또한 벽체 상단의 변위를 측정하기 위하여 벤치마크를 설치하여 변위를 관측할 수도 있다. 변형율계는 철근의 상하단 두 곳을 포함하며, 설치간격은 1∼2m마다 해주는 것이 좋다. 인발시험은 시험용 네일에 대하여 실시하는 것과 실제 설치된 네일에 대하여 시험하는 두가지 방법이 있다.

그림 3.8. 네일링 시공관리 흐름도

측 정 항 목	계 측 항 목	측 정 사 항	계 측 기
지반보강 구조물의 관리	굴착벽면의 계측	·토압 ·수압 ·휨응력 ·변형	벽면경사계 토압계 간극수압계
	보강재의 계측	·네일의 응력	변형율계 하중계
주변지반 및 구조물관리	주변지반의 변위 계측	·배면지반의 변형	경사계 지중변위계
	주변구조물의 변 위 계측	·구조물의 침하	구조물기울기 측정기 균열게이지 변형율계
지하수위 관리	지하수위 계측	·지하수위 변동	지하수위계
소음 및 진동 관리	소음, 진동 계측	·주변건물에 대한 진동의 영향	Sound Level Meter, Vibroscope

3.3. 쏘일네일링의 시공관리

3.3.1. 시공검사

현장에서 시행하는 시공검사는 설계도면을 검토하는 시공전 검사와 공사과정에서 시행하는 시공중 검사로 나눌수 있다. 시공전 검사의 종류로는 쏘일네일링 벽체의 구조적 설계에 관한 사항, 배수시설, 굴착, 네일링, 숏크리트 전면판의 시공 등에 관한 단계별 세부사항 등이 있다. 쏘일네일링 벽체의 구조적 설계에 관한 사항은 현장의 지반조건에 관한 쏘일네일링 벽체의 전체 계획, 단면의 높이, 벽체로 부터 굴착깊이의 1.5 배 범위 내의 인접건물에 대한 상세한 자료와 전면판에 설치되는 보강재의 크기와 배치계획, 네일의 종류, 길이, 직경, 경사, 수직 및 수평간격, 네일과 콘크리트 전면판 사이의 적절한 연결을 보장해 주는 세부사항 등을 검토한다. 배수시설은 시설의 개요, 설계, 위치선정 등과 집수장치를 검토한다.

시공중 검사의 종류는 지반의 적합성 여부와 수리학적 및 지질학적인 특성검사와 공사과정이 시공계획과 일치하는지에 대한 검사로 분류한다. 지반의 적합성 여부와 수리학적 및 지질학적인 특성검사에 관하여 세부적으로 설명하면, 우선 굴착단계와 네일을 시공할 구멍을 천공하는 동안 지반의 두께, 종류, 지층의 경사등 지반조건이 사전에 조사된 바와 일치하는가를 확인해야 하고 균열지역, 투수층의 확공, 수원, 물이 스며나오는 지역 등에 관한 자료를 검토하며 공사도중의 검사결과와 계획된 자료가 일치하지 않으면 즉시 문제해결을 위한 대책이 마련되어야 한다. 공사과정이 시공계획과 일치하는지에 대한 검사는 네일의 시공사항과 시공단계별 계획으로 구분한다. 네일의 시공사항은 그라우팅한 네일과 지반에 직접 타입하는 네일로 구분할수 있는데 그라우팅한 네일에 대해서는 아래와 같은 항목들이 네일 한가닥마다 작업일지에 기록되어야 한다. 작업일지의 기록내용은 작업일자 및 작업반장의 이름, 네일이 시공된 위치와 개수, 작업당시의 기온, 천공장비의 종류 및 천공시 사용되는 유체, 천공깊이, 직경 및 경사, 사용되는 그라우트의 양 및 주입시의 압력, 네일의 길이 및 공칭지름, 시공시에 현장에서 발생하는 제반 문제점들을 매일 기록하는 것이 좋다. 지반에 직접 타입된 네일에 대하여서는 작업일자 및 작업반장의 이름, 타입된 네일의 갯수 및 타입 위치, 타입 장비, 네일의 길이, 경사 및 일반적인 특징, 전면판이 시공되는 부분의 지반특성, 시공시에 발생되는 제반 문제점들 즉, 타입속도, 네일의 일탈 정도 등을 기록한다.

시공단계별 계획으로 실시하는 검사계획은 지반이 불안정한 경우, 굴착단계의 높이와 길이를 줄이는 방법을 고려해야 하며, 굴착작업과 전면판의 설치는 가능한한 같은 날에 실시하여야 하고 네일과 전면판이 충분한 지지력을 가질 수 있도록 굴착단계간의 시간을 최소화하여야 한다. 시공중의 네일벽체에 대한 검사로는 전면판의 수직, 수평 변위에 대한 검사와 쏘일네일링 벽체의 유동에 대한 검사와 네일에 발생하는 인장력에 대한 검사, 전면판의 가시적인 검사, 배수시설에 대한 검사,간극수압에 대한 검사 등이 있고 검사는 굴착단계마다 실시되어야 하며, 변위가 발생했을 때는 빈도를 늘여야 한다.

3.3.2. 계측결과를 이용한 시공관리 기법

네일링공사의 경우 최근 사면보강용으로 뿐만 아니라 굴착흙막이 대용으로도 활용성이 입증되어 많이 쓰이고 있다. 그러나 앵커공법과는달리 네일링공법의 시공관리를 위한 적합한 방법 및 기준이 제시되어있지 못하여 관련 기술자들이 노심초사하는 경우가 종종 발생하고 있다.

[그림 3.9]에서는 여러현장의 경사계로부터 측정된 흙막이벽체의 수평변위와 굴착깊이와의 관계를 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 양호한 현장의 경우 통상의 시공관리 기준인 최대발생변위 1/300H를 만족하고 있으며 앵커시공된 현장의 경우보다 네일시공된 현장의 경우가 굴착깊이별 최대변위가 안정측으로 도시되고 있다. 특히 네일의 경우 굴착깊이가 클수록 최대변위 크기증가가 감소하는 경향을 보이고 있다.

그림 3.9. 굴착깊이와 최대변위와의 관계

한편 [그림 3.10]에서는 쏘일네일링 시공된 굴착공사 현장의 벽체의 안정성을 다른 방식으로 검토하여 보기 위하여 쏘일네일링이 시공된 벽체의 수평변위를 최대변위와 굴착깊이 그리고 무차원화된 최대굴착깊이에 대한 수평변위의 비(z/H)와 굴착깊이와 최대굴착깊이 비(δ/H)로 도시하여 분석한 결과이다.

횡축은 최종굴착깊이에 대한 단계별 굴착깊이(z/H)로 나타내고, 종축은 최종굴착깊이에 대한 수평변위(δ/H)로 무차원화시켜 나타내면 수평변위는 시공상태가 양호한 현장과 불량한 현장이 분명히 구분될 수 있다. 즉 불량한 현장의 계측결과는 상부에 도시되고 양호한 현장의 결과는 하부에 도시되며 중간부분에는 이들 두 상태가 함께 존재하게 된다. 이 결과를 활용하면 수평변위에 의한 굴착시의 안정성을 판단할 수 있는 기준을 다음과 같이 제시할 수 있다.

즉, 각 굴착단계별 굴착깊이 (Z)에 대한 흙막이벽체의 수평변위 (δ)가 1.5 x 10 -3 · Z이하면 흙막이벽체의 안정성이 양호한 현장이며 , (1.5 x 10 -3 ~ 2.5 x 10 -3)· Z 사이이면 주의시공을 요하는 현장이고, 2.5 x 10 -3· Z 이상이면 흙막이벽체의 안정성이 불량한 현장으로 판단할 수 있다.

이와같이 제시된 기준을 본 현장사례에 대하여 그림에서 보는 바와 같이 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 네일이 시공된 현장의 경우 앵커시공전 현장의 경우보다 비교적 양호한 현장에 포함됨을 알 수 있다.

실제로 이와 같은 판정기준을 적용하여본 결과 요주의 영역에 속한 현장의 경우 초기 굴착시 지표면 이상등이 관찰되기도 하였다. 이로 미루어 볼 때 제시된 시공기준은 실제 업무에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

그림 3.10 굴착깊이별 지중수평변위의 관계 표 3.1 주요계측항목

쏘일네일 공법의 올바른 보강 메카니즘

Soil Nail 공법이란 원 지반에 천공을하여 보강재(이형철근, 스틸바, 스틸파이프등)를 넣고 공내부를 시멘트 밀크로 충진하고 전면을 숏크리트로 처리하여 보강된 토체를 일체화시켜서 옹벽대용, 흙막이구조물, 사면보강공법 등으로 사용된다.

1.굴 착	2.천 공

3.네일 보강재 삽입	4.그라우팅

5.전면부 쇼크리트	6.표면 조성후

Nail 공법의 주 저항 메카니즘은 그라우팅체와 주변 지반접촉면의 저항력으로 저항한다는 것이다.

쏘일네일 구조체 성능 발휘 개념도	쏘일네일 구조체 상세

Nail 그라우팅체 주변의 흙이 굴착면 쪽으로 변형을 일으키려는 것을 그라우팅체와 주변 지반 마찰 저항력이 저항하고 최종으로는 보강재에 전달되어 보강재의 인장저항력으로 지반 변형에 저항하는 개념이다.

대부분의 토사 풍화암 지반의 경우 그라우팅 과 철근 사이 저항력 >그라우팅과 주변지반 사이 저항력이다.

다시말해 일반 이형 철근을 사용하는 네일링 공법에서도 이 같은 이유로 철근의 인장력을 다 활용하지 못하는 것이 실질 거동이다. 따라서 보강재로 철근이 아닌 비싼재료인 FRP나 여러 가닥의 철근을 쓰는 것은 의미가 없다.

또 한가지 중요한 거동은 네일 보강재가 휨이나 전단에 어떻게 저항 하느냐 하는 문제이다. 굴착면을 굴착하게 되면 지반은 굴착면 쪽으로 주로 수평변형을 일으키게 되고 이 변형이 크지 않은 상태에서 네일이 이 변형을 우선적으로 억제하는 방식이다.

휨이나 전단에 저항력을 발휘 하려면 변형이 그 방향으로 어느 정도 유발되어야 하나 네일링 공법 자체가 그러한 과도한 변형 유발전에 네일의 인장 저항력으로 변형을 억제 시키는 개념이고 휨이나 전단이 충분히 유발될 정도의 변형이 발생한 경우 그 네일링 보강체는 이미 허용할 수 있는 구조적 안정 한계를 넘어선 상태인 경우가 흔히 발생한다. 따라서 휨이나 전단 저항은 네일 설계시 고려되지 않는 것이 타당하다.

또 네일그라우팅체 와 주변 지반과의 저항력을 높이기위한 방법으로 주입되는 그라우팅체의 주입시 가압주입을 실시하는 방식이 쓰이고 있으나 이 방식에는 다음과 같은 점이 선행 되어야 한다.

첫째, 굳지 않은 상태에서 가압주입한 경우 그 가압력에의해 주면 저항력이 증대 된다는 개념을 활용하기 위해서는 그라우팅체가 양생이 완료된 후의 가압 주입에의한 주입압과 주면 저항력 증대가 기술적으로 제어가능한 방법이어야 한다. 굳기전의 주입압은 굳은 후에 당연히 달라지게되며 이의 제어 방법이 확보되지 못한 경우라면 기술적 중대 결함을 일으킬 수 있다.

둘째, 가압주입시 주입압이 일정 수준(할열주입압)을 넘으면 원지반을 교란시켜 오히려 원지반의 강도를 저하시킬 수 있으므로 이에대한 검토가 반드시 필요하다.

쏘일네일 안정성(율)에 영향을 주는 인자들

Soil Nail 공법의 안전성(율)에 영향을 미치는 인자는 여러 가지 이며 이들의 영향을 잘 이해 하여야 효과적인 네일 설계를 할 수 있다.

▲ 변경할 수 없는 인자(실제적으로 값이 고정된 인자)

- 지반물성(흙의 강도정수, 각종 지반의 역학적 물성등)

- 굴착면 형상(굴착 깊이, 경사, 상재 하중 조건등)

* 정확한 값을 모를수는 있어도 원래 그 물성값은 이미 정해져서 변경될 수 없는 인자 들이다.

▲ 변경할 수 있는 인자(설계/시공시 선택 가능한 인자)

- 네일 보강재(길이, 간격, 설치 각도,보강재 형태, 치수, 종류등)

- 시공방법(천공 방법, 그라우팅 주입방법등)

결론적으로 쏘일네일 구조체 안정성(율)에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 (선정 가능한 인자 중에서) 네일 보강재의 길이 이다.

측정 편차가 큰 지반 물성이나 보강체의 주면 마찰저항력 값보다 네일 보강재 길이가 가장 큰 영향 인자이다.

따라서 안정성 증대를 위해서는 주면 저항력을 키우는 공법을 사용하거나 설치 간격을 조정하는등의 방법보다 네일 길이를 키우는것이 가장 효과적이다.

지반 물성을 증대시킨다고 가정하는 공법들 적용시 유의해야할 점

일부 가압 주입 공법중 그 효과를 네일 설치 지반 전체의 원지반 물성(마찰각, 점착력) 증대로 가정하여 해석하므로서 네일 설치 간격을 넓혀 효율성을 강조하는 경우, 가압 그라우팅으로 인해 실제 주변 지반 전체 강도가 증대되는 것을 객관적이고 합리적으로 검증 하여야 한다.

가압 주입에 의해 할열압 이하로 주입 하면서 시멘트 밀크 입자가 주변 지반에 침투하는 범위는 극히 적다. 따라서 가압 주입에의한 전체 지반 강도의 증가는 거의 미미한 수준이다.

직접 전체 지반의 강도 증가를 측정하지 않고 간접적인 측정 효과를 네일링 설치 사이 지반 전체의 강도 증가로 가정하는 것은 크게 잘못된 것이다. 극단적으로는 가압 주입에의한 지반강도 증대 효과가 아닌 일반 네일 공법의 보수적인 지반 물성 선정 효과를 가압 주입 효과로 호도하는 것이다.

잘못된 가정으로 효율성을 호도하여 네일 간격을 넓힘으로 국부적인 파괴가 발생하거나 안정성을 위협할 수 있으며, 문제 발생시 제대로된 대응책 수립에 걸림돌이 될 수 있다.

쏘일네일 해석 프로그램 분석

Soil Nail 설계에 사용되는 프로그램은 적용하는 이론적 배경이 서로 다르며 이를 정확히 파악하여야 효과적이고 안정성이 확보된 설계를 제대로 할 수 있다.

해석 프로그램은 크게 힘의 한계평형 조건을 근간으로하는 프로그램과 수치해석(유한요소, 유한차분등) 프로그램으로 대별할 수 있으며

보강 구조체의 변위를 구체적으로 분석하기 위하여는 수치해석적 방법이 효율적이나 이 경우 네일 요소의 Simulation 방법에 정확을 기하여야 한다.

▲Soil-nail 설계용 한계평형 해석 프로그램 비교 분석

구 분	Soil-nail 전용프로그램			사면안정 프로그램
	Nail M	SNAIL	TALREN	STABL	SLOPEW
해석이론	미국식(데이빗, 수정데이빗이론)	독일식(절편법 사면안정+복합 직선활동)	프랑스식(Clouterre이론)	이론적 배경 제시 없음 절편법 사면안정+보강재 이론으로 추정	절편법 사면안정+Anchor 해석 이론
파괴형상	쌍곡선	2~3개 복합직선	원호, 비원호	원호, 비원호	원호, 비원호
네일 저항력 고려	인장	인장	인장, 휨	인장	인장
지표면, 지층 형상	지층 수평 , 지표면 다양, 다단 굴착면 고려 제한적	지층 수평 , 지표면 다양, 다단 굴착면 고려 제한적	다양한 지층, 지표면, 다단 굴착면 가능	다양한 지층, 지표면, 다단 굴착면 가능	다양한 지층, 지표면, 다단 굴착면 가능
설계결과	안전율, 네일 장력, 벽체변형량	안전율, 네일 장력	안전율	안전율, 네일 장력	안전율
지하수위	고려불가	고려가능	고려가능	고려가능	고려가능
기타기능	일반 사면안정 해석에 적용 제한적 보강토,앵커 고려 불가 프리스트레싱 고려 가능	일반 사면안정 해석에 적용 제한적 보강토,앵커 고려 가능	일반 사면안정 해석에 적용 가능 보강토,앵커 고려 가능	일반 사면안정 해석에 적용 가능 보강토,앵커 고려 가능	일반 사면안정 해석에 적용 가능 보강토,앵커 고려 가능
OS 기반 및 Graphic출력	Dos 결과 Graphic출력 가능	Windows 결과 Graphic출력 가능	Windows 결과 Graphic출력 가능	Windows 결과 Graphic출력 가능	Windows 결과 Graphic출력 가능