사면보강공사 (Soil Nailing)

Soil Nailing

1. 개  요
Soil Nailing 공법은 Shotcrete와 Rock Bolt를 이용하여 Tunnel을 굴착하는 NATM(New Austrian Tunneling Method)에서 유래된 원지반 보강공법(In-situ Reinforcement of Soil)이다. 1960년태 초, 터널 굴착공법인 NATM공법의 기본개념이 암반지반 뿐 아니라 토사지반에도 적용될 수 있다는 착안에서 출발한 본 공법은 굴착면에 대한 지보와 안정성 확보를 목적으로 개발된 것이다..Soil Nailing 공법은 간단히 다음과 같이 그 공학적 개념을 정리할 수 있다. 즉, 인장응력, 전단응력 및 휨모멘트에 저항할 수 있는 보강재를 지반내에 비교적 촘촘한 간격으로 삽입함으로써 원지반의 전체적인 전단 저항력과 활동 저항력을 증가시켜 사면의 안정을 확보함과 동시에 지반의 변위를 억제하는 공법이다. 

2. 개  념
원 지반 보강토공법에 있어서 보강재를 지반내에 삽입하여 굴착면을 강화하여 굴착면의 안정화를 꾀하는 기본적인 개념은 성토에 의한 보강공법과 같다고 할 수 있지만 유사성과 그 차이점은 다음과 같다

원지반 보강토 공법의 비교

유 사 점	차 이 점
	Soil Nailing 공법	보강토 공법
Pre-stress를 가하지 않고, 토사와 보강재 사이의 상대 변위에 의해 인장(보강)력 발생	Top-Down 방식이기 때문에 시공시 보강재에 발생되는 응력 분포에 차이가 발생	Down-Top방식
장력은 토사와 보강재 사이의 마찰력에 의해서 유지	토사를 선택하거나 제어하지 못한다.따라서 최대인장력(Tmax)의 발생지점을 알기 어렵다.	보강옹벽에서는 마찰이 흙과 보강재 사이에서 직접적으로 발생
보강지역은 비보강지역을 중력식옹벽과 같은 거동을 하게 하여 안정적으로 지지	Grouting의해 주위 흙과 강재를 서로 부착시키고, 작용하중은 Grouting과 흙과의 접촉면을 통해서 전달된다.
전면판(Facing)은 보강옹벽의 경우 공장에서 제작된 조립식 벽체를 사용하고 Soil Nailing에서는 주로 숏크리트를 이용(벽체 전체의 안정에 큰 영향을 미치지 않음)	벽체의 변위가 굴착이 진행됨에 따라 점진적으로 발생된다. 대체로 벽체의 최상부에서 변위가 가장 크다. 영구옹벽일 경우의 전면판은 숏크리트 타설후 조립PC판넬을 이용해 마감한다.	성토하중으로 인해 벽체의 최하부에서 가장 큰 변위가 발생한다.

Soil Nailing은 굴토 또는 절토과정을 통해 일련의 보강작업이 이루어지지만 보강토공법(Reinforced Earth)은 반대로 아래에서 위로 뒷채움을 해가면서 보강하는 방법이기 때문에 같은 형상의 단면이라 하더라도 상당한 차이점을 나타낸다. 두 공법의 또 다른 차이점은 보강재에 발생하는 인장력의 발달 양상인데, Soil Nailing 벽체의 경우 지반의 휭방향 변위가 감소하면서 Nail에 인장력이 발생하기 때문에 설치된 각 Nail에 발생하는 인장력은 시공단계의 진전에 따라 커진다.

3. 시공 순서

 

4. 적용지반 및 적용불가 지반조건(미 고속도로, 1998년)

 
적용에 적합한 지반조건

잔류토나 풍화암
점토질 실트나 낮은 소성을 가진 흙
약간의 점성을 가진 조밀한 모래나 자갈
함수비가 5%보다 큰 균등한 모래
지하수위 위 

적용에 적합하지 않은 지반조건

표준관입시험 N값이 10이하이거나 상대밀도 30%이하인 사질토
균등계수가 2보다 작은 점성이 없는 사질토
액성지수가 0.2이상이고 비배수 전단응력이 50kN/㎡ 미만인 유기토나 점성토
함수비가 높은 흙
팽창성흙
파쇄가 심한 암
약한 불연속면(단층점토 충진 등)을 가진 암반 

5. 설계법

1979년부터 현재에 이르기까지 북유럽 및 미국 등에서 여러 연구자들에 의해Soil Nailing 구조물의 해석방법이 제안되었다. 각 설계방법들에 대한 특성은 다음의 표와 같으며 주요 차이점들은 Nail의 전단 및 휨강성의 고려 여부와 가상파괴면 형태 및 가상파괴면에서의 지반의 강도에 대한 안전율 적용의 차이등을 들 수 있다. Davis방법, 독일방법에서는 단지 Nail의 인장저항만을 고려한 반면, 프랑스방법이나 운동학적 방법에서는 인장저항 이외에도 전단, 휨강성을 고려하여 안전율을 평가하고 있다. 

각 설계방법의 특성

프랑스 방법	운동학적 방법	독일 방법	Davis 방법	수정 Davis 방법
제 안 자	Schlosser, 1983	Juran, et al., 1989	Stoker, et al.,1979	Shen, et al.,1981	Elias & Juran,1988
해석장법	한계힘평형해석	작용응력해석국부 안정	한계힘평형해석	한계힘평형해석	한계힘평형해석
Nail 력	인장력 전단력 모멘트	인장력 전단력 모멘트	인장력	인장력	인장력
파괴 형상	원형 임의의 형상	대수 나선	Bi-linear	포물선	포물선
파괴 개념	복 합	비 적 용	인 발	복 합	복 합
설계 결과	전체 안정에 대한 안전율 및 파괴면	전체 안정에대한 응력 및 한계 파괴면	전체 안정에 대한 안전율 및 파괴면	전체 안정에 대한 안전율 및 파괴면	전체 안정에 대한 안전율 및 파괴면
지하수 고려	가 능	가 능	-	-	-
	가 능	가 능	-	-	-
	경사 및 임의의하중도 가능	경사하중	경사하중	등분포 하중	경사 및 등분포 하중
	임의의 단면가능	경사진 단면및 수직 단면	경사진 단면및 수직 단면	수직단면	경사진 단면 및 수직 단면

6. 시공시 주의사항

보강 처리가 되지 않은 굴착면은 공사장비에서 발생하는 진동에 의해 붕괴될 수도 있으므로, 굴착면이 숏크리트로 보강될 때까지 가급적 줄이도록 하고, 진동을 일으키는 장비를 굴착면으로부터 멀리 떨어지게 해야 한다.또한, 네일 설치한 천공 시 공벽의 붕괴 등이 발생할 수 있는 지반에서는 대책을 수립하여야 한다. 특히, 벤토나이트는 천공벽면을 막을 형성하여 마찰력을 감소시켜서 그라우트와 지반이 단단하게 결속되지 못하게 하므로 벤토나이트는 사용하지 말아야 한다.천공구멍에 주입한 그라우트 안에 공극이 있으면 지반과 그라우트 사이의 마찰력은 감소하고 철근이 부식될 것이다. 천공구멍안을 채우는 그라우트가 너무 되거나 묽으면 주입된 그라우트내에 공극이 존재하게 된다. 그라우트내의 공극에 의해 Soil Nail과 지반사이의 마찰력이 감소되므로 그라우트의 물/시멘트비는 그라우트 강도의 품질을 저하시키지 않는 범위내에서 유동성이 좋아야 한다.
천공구멍의 경사 때문에, 굴착표면근처의 천공구멍 부분은 그라우트로 완전히 채울 수 없을 것이다. 굴착표면으로부터 300~600mm보다 적은 깊이의 빈 공간이 생겨도 SOIL NAIL성능에는 영향을 끼치지 않는다. 이 정도 깊이의 빈공간은 최초의 그라우트 되메움을 한 후 물을 혼합하지 않은 마른 그라우트재를 수작업으로 채우거나 굴착벽면에 숏크리트 시공시 숏크리트로 채운다. 그러나, 그라우트로 채우지지 않은 빈 공간의 깊이가 600mm보다 크거나 숏크리트로 완전하게 되메움을 하는데 문제가 있다면 천공구멍 입구부분을 재 그라우팅하거나 시멘트등을 사용하여 수작업으로 빈 공간을 채워야 한다.

홀채움 불량으로 인한 붕괴

출처 : 대원토질 http://www.daewontns.co.kr