소일네일링(Soil Nailing)공법의 모든것

1. 공법비교

​	어스앵커(Earth Anchor)공법	버팀대(Strut)공법	Nailing 공법
시 공 개 요	·벽체시공 (H-Pile 건입) ·단계별 굴착후 띠장(Wale)설치 ·어스앵커 시공을 위한 천공 (유압보링기,크롤러드릴), ·앵커체 삽입 ·1차, 2차 및 3차 그라우팅 주입 ·앵커체 인장, 시험, 정착	·벽체시공 (H-Pile 건입) ·필요한 위치에 중간 말뚝 (Post Pile)시공 ·단계별 굴착후 띠장 설치 ·버팀대거치 ·Jack으로 버팀대에 Pre-stress를 가함	·단계별 굴착 ·천공후 1차 shotcrete 및 와이어 매쉬 설치 ·네일 삽입후 그라우팅 ·굴착면에 shotcrete 또는 con'c panel등으로 전면 판 형성
적 용 조 건	·굴착면적이 넓을 때 ·양호한 앵커체 정착지반이 있고 피압 지하수가 없을때 ·현장 외부 용지에 여유가 있을때 또는 앵커체 영향 범위내의 용지 사용에 대한 승인을 득했을 때	·굴착규모가 중규모 이하며 평면 형상이 사각형일때 ·주위지반이 연약할 경우에도 적용 가능. ·외부용지에 여유가 없을 때 ·복공의 구간이 대부분일때	·현장 조건 적응에 용이하며 사면안정, 교대, 옹벽, 기초 하부 보강, 흙막이, 기존 벽체 보강등 다양한 분야에 적용 가능
적 용 토 질	·거의 전 지층 ·보통 조밀-매우조밀한 상태의 표층에 효과적 ·암반층	·전지층 ·특히 연약한 점토 또는 느슨한 상태의 매립,퇴적 사질토 지반에 대해서는 특히 적용성이 좋은 공법임.	·거의 전지층 ·연약한 점토 또는 느슨한 상태의 매립,퇴적 사질토 지반에 대해서는 적용하기 어려움.
장 점	·작업공간을 최대한 이용할수 있으므로 대형장비에 의한 시공 능률이 좋음. ·국부적인 파괴가 토류구조물의 전체파괴로 이어지지 않음. ·Anchor에 Prestress를 주기 때문에 벽체의 변위와 지반 침하를 최소화 할 수 있음. .해체가 간단함. .평면의 형상이 복잡하고 지반이 경사져 있어도 시공 가능	·벽체의 변형이나 파괴를 조기에 판별할 수 있음. ·시공후 보강이 용이함. ·굴착 면적이 좁으면 앵커 공법보다 저렴 할 수 있음. ·대부분의 자재를 재사용할 수 있어 자재의 소모가 적음. .굴착면적이 좁고 깊을 때 유리하며 연약한 지반도 시공 가능.	·굴착후 즉각적인 숏크리트 적용으로 원지반의 함수비 및 강도 유지 가능. ·작은 소음과 진동 유발. ·경량의 시공장비 이용. ·현장 여건 파악이 용이하며 적응성이 뛰어남. ·국부적인 파괴가 토류구조물의 전체파괴로 이어지지 않음. ·공기단축을 할수 있음
단 점	·이웃 대지까지 앵커체가 침범 할경우 민원 발생소지가 있음 ·정착지반이 연약한 경우 적합치 않다. -.천공시 지하수 유입 -.인접구조물과 지하매설물 등에 제약 -. 배면보강이 어려움	·넓은지역에서 사용이 곤란. ·Strut의 국부적 파괴가 토류 구조물 전체에 치명적이다. ·시공 편의상 제때에 버팀대 설치가 어려워 배면 변형을 초래함. ·버팀대를 균형되게 설치해야 하므로 굴착 공사에 어려움이 있음 ·굴착시에 직상에 설치되어 있는 버팀대로 인해 장비 작업에 제약을 받음.	·변위 억제에 수동적이르로 수평 변위가 상대적으로 클수 있음 ·지하수위가 높거나 용수가 많을 경우 시공상 어려움이 있음 ·연약한 점토층이나, 예민한 지반, 느슨한 사질 지반에서는 시공이 어려움. ·지하수의 영향에 민감함.

2. SOIL NAILING 시스템의 개요

사면에 대한 안정작업의 선행 없이, 보강 없는 대심도 굴착은 매우 위험하다. 그러므로, 안전 보장을 위하여 적절한 수평 지반 보강재를 설치하는 것은 필수적이다. 특히 인구밀도가 높은지역에서 시공이 이루어지는 경우에는 매우중요하다.

​Soil Nail 공법은 붕괴의 위험성이 큰 자연사면이나 굴착에 의한 인공사면의 안정성을 확보하기 위하여 인장응력, 전단응력 및 휨 모멘트에 저항할 수 있는 Nail을 촘촘한 간격으로 삽입함으로서 원지반의 전체적인 전단강도의 증대를 도모하여 이에 따른 발생변위를 억제시키는데 주목적이 있다.

​굴착공사 도중 및 완료 후 사면 파괴에 대한 안정성을 향상시키기 위한 현장 지반 보강 공법의 일종에 속한다. Soil Nailing 시스템은 기본적으로 조밀하게 배치된 주입 Nail과 굴착토 사면에 타설하는 숏크리트로 이루어진다. 이 방법은 굴착 중에 변위, 이완, 지반 손실이 적기 때문에 가설 지반 보강 시스템으로 또는 최근에는 영구 지반보강 시스템에도 그사용이 증가되고 있다.

​전형적인 Soil Nail 적용방법의 예로서 직립, 사면 굴착 그리고 소단을 이용한 굴착등이 있다. 영구 Soil Nailing 시스템은 높은 수준의 Nail 방식과 더 많은 보강재를 필요로 하며, 구조적으로 안정되고, 적절한 지하수 배수, 잠재적 동상에 대한 보호 그리고 알맞은 표면 마무리를 해야 한다. 영구 시스템은 다양한 현장조건에 적응할 수 있는 융통성과 능력 때문에, 현재 사면 안정, 교대, 옹벽, 기초 하부 보강, 기존 벽체 또는 보강토 옹벽의 보수, 석조벽 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

 

3. SOIL NAILING 시스템의 장점 및 단점

(1) 장점

Soil Nailing 시스템은 현재 사용되는 많은 대심도 보강 시스템들에 비해 현저한 장점을 제공한다.

Soil Nailing 시스템은 토체 보호와 보강이 신속하게 이루어져서 지반을 원래의 불교란 상태를 최대한 유지한다. 이러한 독특한 작용은 어떠한 다른 재래 방식과도 비교할 수 없다.

시공에 따른 즉각적인 보호와 시공 순서는 현재 사용하는 시스템들에 비한다면 현저한 장점을 제공한다. 몇몇 두드러진 장점을 살펴보면 다음과 같다.

① 원 지반 자체가 구조적 요소의 하나로 이용되고 그 이외의 구조적 요소는 비교적 가격이 저렴한 Nail을 이용한다. 기성 전면판 또는 숏크리트 전면판은 국부적인 파괴 방지에 주로 이용되며, 비교적 얇고 가격 또한 저렴하다.

② 새로 노출되어진 면에 즉시 숏크리트를 적용함으로써 지반의 느슨해짐을 방지하며, 토체의 함수비 및 강도 변화가 매우 적다. 따라서, 원지반 상태에 가깝게 지반 평형이 유지된다.

③ 주입 Nail 수가 많기 때문에, 하나 또는 몇 개의 Nail이 파괴되더라도 Tie-Back 앵커 시스템처럼 전체 시스템의 안정이 문제되지는 않으며, 급작스러운 파괴는 일어나지 않는다.

④ Soil Nailing은 유연성이 강하므로, 휘어진 Nail을 사용하여 어려운 굴착 형상에도 적용할 수 있다. 또한, 시공 중에 Nail의 배치를 조정함으로써, 현장 지반의 폭넓은 변화에도 대응할 수 있다.

⑤ 급경사면의 형태가 매우 복잡할 때, 현장 여건 및 토층 별 특성을 감안하여 이에 적합한 구조로 시공이 이루어 질 수 있다.

⑥ Top-Down방식에 의한 단계별 시공이므로 접근이 어려운 장소와 협소한 공간에서도 작업이 용이하다.

⑦ 대형기계의 사용이 불가능할 때, 단순한 천공 장비 및 그라우팅 장비만을 사용하며, 시공 장비가 상대적으로 작고, 기동성이 있으므로 시공성이 우수하다.

⑧ 비교적 작은 소음과 진동을 유발하므로 도심지내에서도 주위에 큰 불편을 제공하지 않는다.

⑨ 호박돌, 단단한 자갈 지반, 풍화암, 절리가 있는 경암과 같은 지반조건에서는, 소구경 천공이 알맞으며, 엄지말뚝과 Tie-Back 앵커를 설치하는 것보다 경제적이다.

⑩ 가설 Soil Nailing 벽체를 영구시설의 부분으로 사용한다면, 굴착량과 콘크리트량을 줄일 수 있고, 뒷채움이 필요없게 된다.

⑪ 시공이 용이하고, 현장에 장애물이 없으므로 안전하며, 공기를 재래 시공법에 비해 50%까지 공기를 단축할 수 있다.

⑫ 적절하게 설치된 Soil Nail은 안정성을 증가시키고 수평 변위를 저감하기 위하여 Prestress를 가할 수 있다.

⑬ 숏크리트 마감면은 Nail에 연결된, 상대적으로 유연한 슬래브로 고려할 수 있다. 따라서, 전체 시스템이 불균형 하중에 대하여 국부적으로 과다응력을 받지않고 자유롭게 적응한다.

⑭ 부식에 대한 조치로서 에폭시 코팅등의 적절한 보강 Nail을 사용하고 마감면을 충분히 두껍게 한다면, 또한 Soil Nailing 시스템을 영구 수평 보강 시스템으로 설계할 수 있다.

​(2) 단점

Soil Nailing 시스템은 대심도, 대공간 굴착에 매우 유용하게 적용되어 왔다. 사질 또는 점토질 성토재, 중간 또는 강성이 큰 점토, 빙적토, 풍화암 등 다양한 지반조건에 적용되었으며, 실트질, 소성 점토나 빙적토와 같은 좋은 토질 조건에서는 경제적이다.

Tie-Back 앵커 시스템에서와 마찬가지로, Soil Nailing 시스템은 일반적으로 점성이 없는 고소성 조립토, 큰 자갈을 포함한 흙이나 높은 지하수위를 가진 지반에는 적합하지 않다. 비록 아직 한계가 있기는 하지만, 최근 자굴식 Nail이나 사전굴착 Trench와 같은 기술과 장비의 발전에 힘입어 최근 몇 년동안 어려운 조건인 지역에서도 Soil Nailing 시스템의 사용이 증가되었다. Soil Nailing 시스템에 있어서 몇 가지 단점을 들자면 다음과 같다.

① 세립토에서는 숏크리트 배면에서의 Geodrain만에 의한 효과적인 지하수의 배수가 곤란할 수 있다. 이와 같은 경우에는 수평 깊은 배수관과 같은 추가적인 대책이 필요하다.

② 매우 연약한 점토층에서는 인발저항력이 낮아 Soil Nailing 시스템이 적절하지 못하다.

③ 예민한 흙에서는 천공작업에 의해 지반이 교란되어 지지력이 저감되므로 Soil Nailing 시스템을 사용하지 않는 것이 좋다.

④ 팽창성 또는 동해에 민감한 흙에 사용하는 경우, 지반 팽창이나 동결 지하수에 의해 숏크리트 표면부에 부가적인 응력을 초래하게 되므로, Soil Nailing 시스템 적용시 매우 주의해야 한다.

⑤ Soil Nail을 Prestress 주는 기법을 이용한 Prestressed Soil Nail을 사용함으로서 조절이 가능하기는 하지만, Tie-Back 앵커 시스템에 비해 수평 변위가 더 클 수 있다.

⑥ 암반 절리가 굴착면을 향해 급경사인 경우, Soil Nailing을 사용하는 것은 적절하지 않다.

⑦ 지하수위가 없는 지반 또는 지하수위 저하에 의해 안정화된 지반에 제한적으로 사용된다.

⑧ 가설 벽체의 경우에도 Nail을 제거하지 않기 때문에, 영구적인 지하 지역권이 필요하다.

⑨ 점성토 지반에 사용시 크리프 영향에 세심한 주의가 요구되며, 부식성 토양에 시공될 경우 Nail의 내구성 및 부식성에 대해 에폭시 코팅을 적용하여 시공을 하는등의 조치를 취하여야 한다.

⑩ 영구 Nail 설치시 숏크리트를 이용한 전면판에 대한 미관적 처리에 대하여 적절한 조치를 취하여야 한다.

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4. SOIL NAILING 공법의 적용성 및 제한성

(1) 적용성

1) 굴착면의 안정

개착식으로 실시되는 깊은 굴착에는 통상적으로 측면 브레이싱을 사용한다. 측면브레이싱에는 스트럿, 타이백 등이 사용되는데, 굴착이 진행됨에 따라 작업에 많은 지장을 초래할 수 있다. 반면에 굴착면의 안정에 이용되는 Soil Nail은 상당량의 수평변위를 억제시킬 수 있으며, 굴착과 동시에 작업이 진행되므로 측면브레이싱에 비해 시공속도, 경제성 면에서 우수한 장점을 지니고 있다.

​2) 사면의 안정

Soil Nail을 이용한 사면보강은 개착식 굴착지보체계와 유사한 원리를 사용하며, 스트럿은 사용되지 않는다. 사면의 안전율이 너무 낮거나 활동 및 파괴의 위험성이 존재할 때, 안전율을 증가시키고 활동을 억제시키기 위한 방안으로 Soil Nail을 사용하게 된다. Soil Nail을 이용한 사면안정에 사면의 선단부근에 강성이 큰 엄지말뚝을 병용하기도 한다.

​3) 터널의 지보체계

토층이 비교적 얇고 미고결 지반을 통과하는 도심지 터널 설계에서는 굴착시 stand-up-time이 확보되지 않아 여러가지 보조 공법을 채택하여 선 보강에 의한 원지반 자체의 전단강도를 증대시킨다. 현재 국내에서 일반적으로 이용되는 보강공법으로는 강관 다단 그라우팅, 파이프 루트공법 등이 있지만 이들은 시공이 용이하지 않고 공사비용이 매우 높은 단점이 있다.

최근에 국내에 소개된 Spile Reinforcement System은 Soil Nail의 원리를 터널에 적용한 공법이다. 다른 공법들과 달리 시공이 간편하면서도 그 자체가 영구지보체계를 확보하고 있다. 현장적용에 있어서도 다양한 지층조건을 고려할 수 있으며, 시공성면에서도 신속성과 경제성을 갖춘 공법으로 각광받고 있다.

​4) 기존옹벽의 보강

보강토 옹벽, 석축, 타이백 옹벽 등 설계당시 예측하지 못했던 현장여건의 변화로 기존옹벽의 안정성에 문제점이 노출되었을 때, 또는 기존재하고 있는 낡은 석조 구조물을 보존하고자 할 때, 이를 보강하기 위한 수단으로 Soil Nailing 공법이 매우 효과적으로 이용된다.

​5) 병용공법으로의 활용

주위에 대형건물이 존재하는 경우, Soil Nailing 공법 자체만으로 공사에 어려움이 발생할 수 있다. 즉, 벽체의 변위를 기준으로 영향권내 인접건물들의 안정성을 검토하므로, 이러한 변형이 기존건물에 어떤손상을 미치는지의 여부를 점검할 필요가 있다. 이때 변위제한의 목적으로 그라운드 앵커(Prestressed Ground Anchor)와 Soil Nail을 병용하여 사용하기도 한다.

​(2) 제한성

도심지에 설치되는 Soil Nail 벽체는 타공법의 기술적 제약으로 인해 발생하는 변위 및 변형을 최소한으로 억제시킬 수 있다. 이러한 변위는 구조물 연직높이의 약 1/1000~4/1000정도로 추정되며, 특히 벽체의 높이, 전면부의 기울기, Nail의 밀도와 강성, 토질, 그리고 시공되고 있는 구조물 아래의 지반상태등 여러 가지 요인들에 의해 좌우 된다.

수평 및 수직 변위들은 지표면 부근에 영향을 미치며, 전면판으로부터 거리가 멀어질수록 변위는 감소한다. 실제로, 벽체의 변위를 기준으로 영향권내 인접건물들의 안정성을 검토하므로, 이러한 변형이 기존건물에 아무런 손상을 끼치지 않는지의 여부를 점검할 필요가 있다. 또한 기존 구조물의 안정성에 크게 문제가 되지 않는 변형정도에 맞추어 수평 및 수직 변위를 구분할 필요가 있다. 모든 구조물에는 전면판 뒤쪽으로 법적인 안정지역(legal easement)을 확보하여야 하며, 삽입재(Nail 또는 앵커) 끝단보다 길게 확보할 필요가 있다.

​1) 특수지반조건

현장에서 Nail을 시공할 때, 지반조건에 가장 알맞은 기술적인 측면을 적절하게 사용하여야 한다. 특수한 지반조건을 제외하고 거의 모든 지반에서 Soil Nail 구조물은 시공, 설계가 가능하다. 그러나, 다음과 같은 경우에는 수반되는 문제점들을 면밀히 검토해야 한다.

① Nail의 길이와 굴착고가 비교적 짧다하더라도, 겉보기 점착력이 거의 없는 사질토지반, 굴착시 안정성을 확보할 수 없는 지반에서는 시공이 곤란하다. 또한 주입에 의한 지반의 처리, 굴착고를 보다 낮게 하는 등 확실한 선행조치가 가능할지라도, 겉보기 점착력이 없고, 조립질이며, 건조한 지반에서는 Soil Nailing을 사용하기어렵다. 비용 절감차원에서 경제성이 떨어지기 때문이다.

② 소성이 지배적인 점토질 지반과 매우 예민한 지반에서는 흙과 Nail 사이의 단위 주변마찰력이 비교적 작다.

③ 점토나 팽창성 흙은 동결 가능성이 크다. 즉, 높은 동결지수를 지니고 있다. 이러한 경우에 Nail과 전면판에 상당한 압력이 유발된다. 그러므로 동결하기 쉬운 지반은 동해를 피하거나 줄일 수 있는 확실한 예방책이 마련되어야 한다.

④ Nail과 전면판이 부식될 가능성이 높은 지반에서는 시공이 곤란하며, 부식에 대한 확실한 선행조치가 취해져야 한다.

2) 지하수위

지하수위 아래의 Soil Nail 벽체의 설계, 시공은 매우 어려운 실정이다. 구조물의 안정성, 전면을 통한 물의 유출 등으로 인해 시공 진행상 여러가지 어려움이 따른다. 단, 시공기간과 구조물의 수명 기간동안 적절한 배수장치가 선행된다면 가능할 수도 있다. 그러나, 지하수위 아래에서 Soil Nail 벽체를 시공하는 것이 경제적, 기술적으로 적합한지의 여부는 입증된 바 없다. 또한 작은 아이스렌즈(ice lense)나 수낭(water pocket)을 포함하고 있는 지반에서도 시공 도중이나 시공완료 후, 구조물에 악영향을 미칠 수 있다는 문제점이 있다.

*소일 네일링(Soil Nailing) 과 어스 앵커 공법의 비교

개념적으론 유사하지만 작은 앵커로 취급할 수도 있으나 기증적인 면에서 비교하면 어스 앵커 공법은 설치 후 스트레스를 주어 변위 발생을 방지하고 설치 후 스트레스를 주어 변위 발생을 방지하고, 소일 네일링 공법의 경우 프리 스트레스 없이 변형을 동반함.

어스 앵커 공법은 고정단 길이에만 하중을 전달하지만, 소일네일링 공법은 대부번 지반과 밀착되어 응력 분포가 다름. 또한 어스앵커 공법은 보강체 지지대가 필요하지만, 소일 네일링 공법은 스틸 플레이트 정도로 쉽게 처리할 수 있음.

하지만, 소일네이링 공법의 문제점으로는 다음과 같다.

토양의 유동성을 정확하게 예측하는 데 어려움: 토양 유형, 토양 수분 함량, 경사각, 네일의 간격과 방향과 같은 많은 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 소일네일링 후 토양의 행동을 정확하게 예측하는 것은 어려운데, 이는 경사면이나 벽의 예상치 못한 움직임이나 실패로 이어질 수 있다.

네일의 적절한 설치와 정렬을 보장하는 데 어려움: 토양 네일을 설치하려면 전문 장비와 숙련된 인력이 필요합니다. 적절한 안정성을 제공하기 위해 손톱이 올바른 깊이, 각도 및 간격으로 설치되도록 하는 것이 필수적이다.

시간이 지남에 따라 네일의 부식 가능성: 소일네일링은 일반적으로 시간이 지남에 따라 부식에 취약한 강철로 만들어진다. 이것은 네일의 강도와 네일을 박는 시스템의 전반적인 안정성을 감소시킬 수 있다. 장기적인 효과를 보장하기 위해 네일을 부식으로부터 적절하게 보호하는 것이 필요하다.

네일이 지하 유틸리티 또는 기타 지하 기능을 방해할 가능성: 소일네일링을 설치하기 전에, 그 지역에 있을 수 있는 지하 유틸리티 또는 기타 지하 기능을 찾고 식별하는 것이 필수적이다. 네일이 이러한 기능과 가까운 곳에 설치되면 손상이나 손상을 일으킬 수 있습니다.

네일이 하중을 견딜 가능성이 있어 토양의 유연성을 제한할 수 있다: 토양에 안정성을 제공하도록 설계되었지만, 토양의 자연스러운 유연성을 제한할 수도 있다. 이것은 네일과 주변 토양에 대한 스트레스를 증가시킬 수 있다.

네일이 토양의 배수 능력에 영향을 미치고 수압과 불안정성을 증가시킬 수 있다: 토양의 배수 능력에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 수압과 불안정성을 증가시킬 수 있다. 이 문제를 방지하기 위해 적절한 배수가 제공되도록 하는 것이 중요하다.

이 방법은 모든 유형의 토양에 적합하지 않습니다: 소일네일링 공법은 부드러운 토양이나 수분 함량이 높은 토양과 같은 모든 유형의 토양에 적합하지 않습니다. 

결론적으로, 소일네일링 공법은 경사면과 옹벽을 안정시키는 효과적인 방법이 될 수 있지만, 고려해야 할 잠재적인 문제도 있다. 이 공법이 현장에 적합한 공법인지 확인하고, 여러 문제를 최소화하기 위한 방법을 적절하게 검토 적용해야 한다.

                                                                               허용 오차

<그림1> 시험장비 및 인발시험용 Soil Nailing의 설치 모식도

 

----  잘 보셨으면  "좋아요" 부탁해요?  010-3816-1998. 감사함다. -----