소일 네일링(Soil Nailing)공법

[최현기]

소일 네이링 공법은 통상적으로 널리 이용되고 있는 굴착지보 구조물과 비교하여 볼 때 다음과 같은 특성을 지니고 있다.

① 본 공법은 원지반 자체를 주된 구조적 요소로 이용하고 있어 가시설 비용이 들지 않으며 건물외벽과 합벽시공이 가능하여 거푸집 및 되메우기 작업이 생약된다. 그 밖의 주요소인인 네일도 상대적으로 가격이 저렴하다. 또한 쇼크리트와 전면판도 단지 전면에 존재하여 흙의 붕괴를 방지하기 위한 국부적인 역할을 수행하므로 두께가 상대적으로 얇아 경제적이다.
② 소일 네일링은 간단한 천공 및 그라우팅 장비로 시공이 가능하다.
③ 상부에서 하부로 지반굴착과 병행하여 작업이 이루어지므로 설계시와 상이한 지층특성이 나타날 겨우 즉각적으로 네일의 설치간격과 길이 등을 조정이 가능하므로 현장적응성이 뛰어나다.
④ 소일 네일링공법은 네일이 설치되어 있는 하나 하나가 블록형태로 외압에 대해 지지토록 되어 있으므로 주변지반의 거동에 적절하게 대응되게 된다. 특히, 수직 및 부등침하에 효과적이므로 지진이 자주 발생되는 지역에서도 매우 적합한 공법을 보고되고 있다.

소일 네일링 공법으로 시공된 흙막이 구조물의 구성요소는 원지반, 저항력을 발휘하는 보강재 및 전면판 등으로 구성되며 이 공법의 경제성 및 성공여부는 합리적인 검토와 이에 따른 적절한 자재의 선정 및 정밀한 시공성에 달려 있다.

① 보강재

ⓐ 타입용 네일은 배면지반을 미리 천공하지 않고 진동충격 공기압이나 유압해머를 이용하여 설계시 검토된 각도대로 지반에 네일을 타입하는 방법으로서 시공속도는 빠르나 전석층이나 자갈층이 존재하는 경우 작업이 불가능하다.
ⓑ 그라우팅용 네일은 고강도 강봉을 미리 천공한 구멍에 삽입한 후 중력 또는 저압의 그라우팅을 실시하는 것으로 네일과 그라우팅 사이에 부착력을 증대시키기 위해 Ribbed bar를 사용하기도 하며 특수한 튜브를 사용하여 분사 그라우팅을 실시하기도 한다.
ⓒ 제트 그라우팅용 네일은 중앙부의 강재와 그라우팅된 지반으로 이루어진 합성보강재로서 두께는30~40cm까지 가능하다. 진동충격타입과 고압의 제트그라우팅을 결합한 시공기술은 주변지반의 재다짐 및 지반개량을 유발하며 합성보강재의 전단저항 및 인발저항을 현저하게 증대시켜 좋은 효과를 나타낸다.
ⓓ 부식방지용 네일은 영구구조물에서의 사용을 목적으로 최근에 프랑스에서 개발된 것으로 물의 침투에 대해 보호하기 위해 철근을 에폭시로 코팅한 것이다.

② 전면판
전면판의 주요 기능은 보강된 층 사이의 국부적인 지반에 대한 안정을 확보하고 굴착직후의 이완을 방지하며 침식 및 풍화작용으로부터 지반을 보호하기 위한 구조체 이다. 따라서 전면판은 연속적으로 연결 및 설치되어야 하고 굴착이 진행되는 동안 지반변위에 저항하도록 유연성을 가져야 한다. 지반의 특성에 따라 현재 사용되고 있는 전면판의 종류는 다음과 같은 4가지 정도가 있다.

ⓐ 쇼크리트 전면판은 주로 가설 흙막이 구조물의 전면판으로 사용되고 있으며, 가장 중요한 특성은 주변지반 내부의 간극 및 균열을 채울 수 있으면서도 연속적으로 유연한 표면을 제공해 준다는 점이다.
ⓑ 용접된 와이어 메쉬는 일반적으로 쇄석암이나 조주석, 혈암 등의 중간정도 성질의 흙에 전면판을 보강하기 위해 사용된다.
ⓒ 콘크리트 구조물은 최근에 많이 사용되는 것으로 공장에서 제작된 기성패널을 이용하여 다양한 미적조화, 환경친화 및 내구성 기준에 충족되도록 설계하여 적용하고 있다. 특히, 전면판 뒤쪽에 지속적인 배수시설을 운영할 수 있는 장점이 있다.
ⓓ 강재 전면판은 강판을 이용하여 직사각형 형태의 강재 패널을 서로 볼트로 연결하고 네일은 그 모서리에 설치한다. 시공시 피복을 적절히 실시하여 부식이나 미적인 손상을 방지하기도 한다.

그림 2는 소일 네일링의 설계과정을 흐름도로 나타낸 것으로 먼저 현장답사 및 지반조사를 통하여 사면의 형상, 지층구성, 지하수위, 재하중 조건을 파악하고 실내시험을 통하여 지반 토질정수와 강도정수를 결정한다. 이러한 지반의 강도정수 결정시 점토지반인 경우는 비배수 조건에서 산정하고 사질토인 경우에는 배수조건으로 실내시험을 실시하는 것이 합리적이나 실제 현장에서는 불교란시료 채취나 여러 가지 제약조건으로 인해 표준관입시험으로 구한 N치로 C, Φ 값을 추정하는 경우가 많다. 그리고 네일링 주변의 마찰저항으로 네일의 정착력을 결정한다. 그런 다음, 네일의 설치간격과 각도는 임의로 결정할 수 있지만 보통은 1~1.5m로 가정하고 설치각도는 안전율이 가장 큰 값으로 한다. 한편, 네일의 길이를 결정할 때에는 사면 아래 부분 높이에 포함되는 네일을 무보강시의 활동면보다 안전하게 들어가도록 선정한다. 이와 같이 보강한 사면을 포물선으로 가정한 활동면에 따른 반복적인 계산으로 허용안전율 1.3 이상이 될 때까지 반복한다.

① 네일의 안정성 검토
네일에 의해 보강된 벽체의 거동은 중력식 보강벽체와 유사하기 때문에 그림 3과 같이 3가지에 대한 안전성을 검토한다.

ⓐ 외부 파괴면에 대한 안정성 : 보강된 부분이 일체로 거동한다는 가정 하에 네일로 보강된 부분을 일체의 중력식 옹벽으로 가정하여 일반 설계방법을 적용하여 활동, 전도 및 지지력에 대해 검토한다.
ⓑ 내부 파괴면에 대한 안정성 : 보강된 부분내에서 파괴면이 형성되는 경우에 대한 안정성을 검토한다.
ⓒ 혼합 파괴면에 대한 안정성 : 보강부분과 보강되지 않은 부분을 포함해서 안정성을 검토한다.

② 네일의 부분 안정성 검토
네일로 보강된 벽체는 단순히 안정만을 검토하는 것이 아니라 네일의 보강효과를 얻어야 하므로 지반의 전단파괴, 네일의 인발파괴, 지반의 수동파괴, 네일의 파괴 등의 부분적이 안정성에 대한 검토를 고려해야 한다. 이러한 부분 안정성을 검토하는 대표적인 설계방법은 표 1과 같다.

[표 1] 부분 안정성 검토하는 설계 방법의 특성

구분	데이비스	독일	프랑스	Juran
해석 방법	한계 휨 평형해석 두개의 요소	한계 휨 평형해석 두 개의 요소	한계 휨 평형해석 절편법	작용응력해석 Working stress 절편법
파괴면 형상	포물선	두 개의 직선	원호, 임의형태	대수 나선
안전율
설계 결과	전체 안전율 위험단면	전체 안전율 위험단면	전체 안전율 위험단면	작용 네일힘 위험단면
부분 안정성 고려사항	지반의 전단저항력 네일의 인발저항력 네일의 인장강도	지반의 전단저항력 네일의 인발저항력	지반의 전단저항력 네일의 인발저항력 네일 양변지반의 수동저항 네일의 인장강도 및 전단	지반의 전단저항력 네일의 인발저항력 네일 양변지반의수동 저항에 대한 휨고려 네일의 인장강도와 전단

③ 소일 네일링 구조체에 대한 설계 기준

ⓐ 지반, 보강재, 지반-보강재의 상호작용인 인발파괴 또는 보강재 사이에 위치한 흙의 소성흐름 등에 관련된 가능파괴에 대한 안정성 검토
ⓑ 전면에서의 예상변위 검토시 일반적으로 굴착깊이의 0.2~0.3%를 사용한다.
ⓒ 열약한 조건 하에서는 영구구조물에 대한 내구성을 검토한다.
ⓓ 환경적 및 건축적 측면에서의 외관 검토를 실시한다.
ⓔ 전면판 구조에 대한 안정검토를 실시한다.

소일 네일링 공법의 시공은 지반조건, 시공방법, 장비 및 굴착순서에 따라 상당한 차이가 있지만 시공단계별로 일반적인 시공순서를 열거하면 다음과 같다.

① 지반굴착

지반조건에 따라 다르지만 단계별 연직 굴착깊이는 최대 2.0m로 제한하고 그 상태로 최소한 1~2일간 자립성 유지하는 것이 좋다. 일반적으로 설치하고자 하는 네일과 네일 사이의 중간까지 굴착한다.

② 천공

천공은 지반굴착 후 바로 천공하는 방법과 굴착지반의 안정을 위하여 쇼크리트 타설 후 천공하는 방법이 있다. 쇼크리트 타설 후 천공 할 경우에는 천공시의 충격에 의하여 쇼크리트 벽체에 균열이 발생할 수 있으므로 쇼크리트 분사 전에 각 천공위치에 천공경 정도의 스치로폼이나 코르크 마개 등을 설치하였다가 천공시에 제거하는 방법을 사용하는 것이 좋다. 한편, 천공장비는 보통 크롤라드릴을 사용하는 것이 적당하나 지반특성, 주변구조물 현황 등을 고려하여 유압드릴과 홈드릴 등을 여건에 맞춰 사용해야 하며 천공 구멍은 최소한 수 시간 동안 나공 상태를 유지하여야 하고 천공각도는 설계 각도에서 ±3° 이상의 오차가 생겨서는 안 된다. 천공 완료 후에는 공내부를 깨끗이 청소해 주어야 하며 최소한의 공벽유지가 어려운 경우에는 케이싱을 사용하고 그라우트를 주입하면서 제거한다.

③ 보강재 삽입

보통 시공에 사용되는 네일은 이형철근이지만 다른 강봉을 사용할 수 있으며, 그라우팅재와 부착되는 부분의 유해한 흙이나 기름 등은 사전에 제거해야 한다. 영구구조물에 사용되는 네일은 에폭시 코팅하여 사용해야 하며 네일은 이음매가 없는 한 본을 그대로 사용하는 것이 좋지만 삽입길이가 길어 연결을 해야하는 경우는 커플러를 이용하여 연결하고 용접으로 연결해서는 안된다. 네일 타입시 그라우팅의 최소 두께를 확보하게 하고 네일이 천공구멍 중앙에 위치하도록 간격재를 사용하며 간격재는 PVC관을 천공경에 맞게 변형하거나 철근을 구부려 용접하여 사용할 수 있다. 간격재의 최소 길이는 1.5m 이하로 네일 끝단에는 강재패널로 제작된 화살촉 모양의 부재를 용접 부착하고 지반에 타입하여 그라우팅시 네일이 밖으로 실려 나오는 일이 없도록 한다.

④ 그라우팅 실시

천공 내부벽의 붕괴를 최소화하기 위해 그라우팅의 주입은 네일이 설치된 후에 바로 실시해야 한다. 주입방법은 주입관을 구멍바닥까지 늘어뜨려 바닥부터 실시하며 그라우팅이 차오르면 주입관을 서서히 빼내면서 굴착면 끝까지 주입한다. 지반균열이나 공극이 많으면 그라우팅재의 침투로 예정된 양보다 많이 소요되며 재주입을 해주어야 한다.

⑤ 배수시설

지하수가 많이 배출되는 곳에서는 굴착지반과 쇼크리트면 사이에 배수재를 설치하여 배수하는 벽면 배수시설을 해주어야 한다. 벽면 배수시설에서 배수재는 일반적으로 네일과 네일 사이 설계도상에 지정된 간격, 폭 30~40cm 정도로 벽체 상단에서 하단까지 수직방향으로 설치하며 벽체 하단에서는 PVC 관에 연결되어 벽체 밖으로 배출되도록 한다. 한편, 표면 배수시설은 굴착선에서 30cm 이상 이격시켜 자갈 배수층을 설치하거나 버림 콘크리트를 일정한 높이로 쌓아주고 그 인근 지반의 4~5m까지는 비닐이나 멤브레인 등으로 덮어서 우수가 지층으로 침투하여 굴착 배면의 붕괴를 초래하는 일이 없도록 한다.

⑥ 전면판 설치

ⓐ 임시 쇼크리트 전면판은 지반의 절취면을 일시적으로 구속해 주고 지반의 노출을 방지해 주는 것으로 설계시에는 이러한 역할 외에 자체의 강성은 고려하지 않는다.
ⓑ 구조용 전면판은 쇼크리트를 분사하여 벽체를 조성하는 경우에 철근을 배치하고 난 후 쇼크리트를 소요 두께만큼 분사하여 미장에 의하여 마감한다.

출처 : http://www.geovan.net/002_03(3).htm