소일 네일링

소일 네일링(soil nailing)은 불안정한 자연 흙 사면이나 불안정한 인공 (성토) 사면을 처리하기 위한 보강 건설 공법으로, 새롭거나 기존의 흙 사면을 안전하게 급경사로 만들 수 있도록 한다. 이 기술은 비교적 가느다란 보강 요소를 사면에 삽입하는 것을 포함하는데, 이는 주로 일반적인 철근을 사용하지만, 독점적인 고체 또는 중공 시스템 바도 사용할 수 있다. 고체 바는 일반적으로 미리 뚫린 구멍에 설치된 다음 별도의 그라우트 라인을 사용하여 그라우팅된다. 반면, 중공 바는 희생적인 드릴 비트를 사용하여 드릴링과 그라우팅을 동시에 진행할 수 있으며, 드릴링이 진행됨에 따라 중공 바를 통해 그라우트를 펌핑한다. 비교적 짧은 바를 흙 사면에 발사하는 운동학적 방법도 개발되었다.

드릴링 기술을 사용하여 설치된 바는 일반적으로 완전히 그라우팅되며, 사면 표면에 걸쳐 일정한 간격으로 배치된 지점에 약간 아래쪽으로 경사지게 설치된다. 표면에는 단단한 마감재(종종 공압으로 적용되는 콘크리트, 즉 숏크리트) 또는 개별 소일 네일 헤드 플레이트가 사용될 수 있다. 또는, 헤드 플레이트 아래의 흙 표면에 유연한 보강 메쉬를 고정할 수도 있다. 환경 조건이 요구되는 경우, 유연한 메쉬 마감재와 함께 토끼 방지 철망 및 환경 침식 방지 직물이 사용될 수 있다.

소일 네일 부품은 옹벽이나 기존의 성토 사면 (제방)을 안정화하는 데 사용될 수도 있다. 이는 일반적으로 보강 조치로 수행된다.

1972년 베르사유에서 현대 기술을 사용하여 처음 적용된 이래,"Construction d'un mur de soutènement entre Versailles-Chantiers et Versailles-Matelots", S. Rabejac and P. Toudic, General review of the railways, 93rd edition, pp 232-237. 소일 네일링은 이제 전 세계적으로 잘 확립된 기술이다. 미국 연방 고속도로국은 1996년과 2003년에 지침 간행물을 발행했다.

 예비 분석 
소일 네일링이 효과적인 보강 기술이 될 수 있는지 결정할 때 네 가지 주요 사항을 고려해야 한다. 첫째, 기존 지반 조건을 검토해야 한다. 다음으로, 특정 적용 사례에 대해 소일 네일 벽의 장점과 단점을 평가해야 한다. 그런 다음, 특정 적용 사례에 대해 다른 시스템을 고려해야 한다. 마지막으로, 소일 네일 벽의 비용을 고려해야 한다. 소일 네일 벽은 다양한 토양 유형과 조건에 사용될 수 있다. 소일 네일링에 가장 유리한 조건은 다음과 같다: 토양은 수직 또는 거의 수직으로 절단했을 때 최소 이틀 동안 1~2미터 높이로 지지 없이 서 있을 수 있어야 한다. 또한, 단면 내의 모든 소일 네일은 지하수위 위에 위치해야 한다. 소일 네일이 지하수위 위에 위치하지 않는 경우, 지하수가 굴착면, 지반과 소일 네일 자체 사이의 결합에 부정적인 영향을 미치지 않아야 한다. 이러한 소일 네일링에 유리한 조건에 따라, 단단하거나 매우 단단한 점토, 점토질 실트, 실트질 점토, 모래질 점토, 모래질 실트를 포함하는 단단하거나 매우 단단한 세립토가 선호된다. 일부 겉보기 응집력이 있는 조밀하거나 매우 조밀한 모래와 자갈도 소일 네일링에 잘 작동한다. 암석이 전체적으로 균일하게 풍화된 경우(약한 면이 없는 경우) 풍화암도 허용된다. 마지막으로, 빙하 토양은 소일 네일링에 잘 작동한다. 현장의 지반 조건에 대한 지반 조사를 통해 토양 강도 데이터, 지하수위, 토양/기반암 층서학을 결정하는 것이 적절할 수 있다. 조사 중에 얻은 토양/기반암 샘플은 승인된 지반공학 실험실에서 시험하여 소일 네일링 설계에 적합한 설계 매개변수를 결정할 수 있다. 이 조사는 또한 원하는 경우 불안정 또는 파괴의 가능한 원인에 대한 통찰력을 제공할 것이다.

소일 네일링에 불리하거나 어려운 토양 조건 목록에는 건조하고 입도 분포가 좋지 않은 비점성 토양, 높은 지하수위를 가진 토양, 조약돌과 큰 돌을 포함하는 토양, 매우 연약한 세립토, 부식성이 높은 토양, 불리한 약한 면을 가진 풍화암, 그리고 황토가 포함될 수 있다. 기타 어려운 조건에는 장기간의 동결 온도 노출, 반복적인 동결-해동 주기가 있는 기후, 그리고 매우 느슨한 모래질 토양이 포함된다.

 기원 
소일 네일링은 암석의 지하 굴착을 위한 시스템인 오스트리아 신 터널 공법에서 발전했다. 이 방법은 암반에 수동 강철 보강재를 설치한 후 보강된 숏크리트를 적용하는 것으로 구성된다. 수동 강철 보강재와 숏크리트를 결합하는 이 개념은 1960년대 초부터 암반 사면의 안정화에도 적용되었다.

소일 네일링의 첫 번째 적용은 1972년 프랑스 베르사유 근처의 철도 확장 프로젝트에서 이루어졌다. 소일 네일은 모래 토양으로 구성된  높이의 사면을 안정화하는 데 사용되었다. 이 방법은 다른 기존 지지 방법과 비교하여 더 비용 효율적이었으며 동시에 건설 시간을 단축시켰다. 다음으로 소일 네일링을 연구한 나라는 독일이었다. 1975년부터 1981년까지 카를스루에 대학교와 건설 회사 바우어는 공동으로 연구 프로그램을 수립했다. 이 프로그램은 다양한 구성의 실험 벽에 대한 실물 규모 테스트를 수행하고 설계에 사용될 분석 절차를 개발했다. 미국은 1976년 포틀랜드 (오리건주)에 있는 굳 사마리탄 병원의 확장 공사에서 조밀한 실트질 모래의  깊은 기초 굴착을 지지하기 위해 처음으로 소일 네일링을 사용했다. 이 보강 시스템은 기존 보강 시스템 비용의 약 85%로 절반 정도의 시간으로 완성되었다.

 설계 
현장 예비 분석 후, 소일 네일 벽의 초기 설계를 시작할 수 있다. 이 과정은 한계 상태 및 설계 접근 방식 선택으로 시작된다. 소일 네일 벽 설계에 사용되는 가장 일반적인 두 가지 한계 상태는 강도 한계 상태와 사용성 한계 상태이다. 강도 한계 상태는 소일 네일 벽 시스템의 잠재적 파괴 메커니즘 또는 붕괴 상태를 다루는 한계 상태이다. 사용성 한계 상태는 과도한 벽 변형으로 인한 사용 기능 상실을 다루는 한계 상태이며, 일반적인 사용 조건에서 응력, 변형 및 면 균열 폭의 제한으로 정의된다. 소일 네일 벽에 대한 가장 일반적인 두 가지 설계 접근 방식은 한계 상태 설계와 사용 하중 설계이다.

초기 설계 고려 사항에는 벽 배치(벽 높이 및 길이), 소일 네일 수직 및 수평 간격, 벽면 소일 네일 패턴, 소일 네일 경사, 소일 네일 길이 및 분포, 소일 네일 재료 및 관련 지반 특성이 포함된다. 설계 엔지니어는 이러한 모든 변수를 염두에 두고 다음 단계로 단순화된 차트를 사용하여 네일 길이와 최대 네일 힘을 예비적으로 평가한다. 네일 길이, 직경 및 간격은 일반적으로 벽의 외부 및 내부 안정성을 제어한다. 이러한 매개변수는 모든 외부 및 내부 안정성 요구 사항이 충족될 때까지 설계 중에 조정될 수 있다. 초기 설계가 완료된 후, 소일 네일 벽은 외부 및 내부 파괴 모드, 지진 고려 사항 및 미적 품질에 대해 테스트되어야 하는 최종 설계가 진행된다. 배수, 동결 침투 및 바람, 정수압과 같은 외부 하중도 결정되어 최종 설계 검토에 포함되어야 한다. 소일 네일 벽은 고소성 점토 토양 지역에는 이상적이지 않다. 높은 소성, 높은 액성 한계 및 낮은 비배수 전단 강도를 가진 토양은 장기 변형(크리프)의 위험이 있다.

 시공 
275px|섬네일|장비 운전자가 궤도형 굴착기를 사용하여 고속도로 교대용 소일 네일을 설치한다.
설계가 완료되면 다음 단계는 시공이다. 대부분의 소일 네일 벽 시공은 특정 절차를 따른다. 먼저 굴착을 하고 필요한 경우 임시 지지대를 설치한다. 이는 일반적인 토공 장비와 유압식 드릴을 사용하여 수행된다. 다음으로, 설계 엔지니어가 지정한 사전 결정된 위치에 소일 네일 구멍을 뚫는다. 이 단계에 사용되는 장비는 소일 네일 벽이 지지하는 재료의 안정성에 따라 달라진다. 안정된 지반에는 에어 플러시 또는 건식 오거 방식을 사용하는 회전 또는 회전 타격 방식이 사용될 수 있다. 불안정한 지반에는 에어 및 워터 플러시가 있는 단일 튜브 및 이중 회전 방식 또는 중공 오거 방식이 사용된다. 구멍을 뚫은 후 다음 단계는 네일을 설치하고 그라우팅하여 제자리에 고정하는 것이다. 모든 네일이 삽입된 후 배수 시스템이 설치된다. 합성 배수 매트는 네일 헤드 사이에 수직으로 배치되며, 벽 바닥까지 연장되어 일반적으로 기초 배수구에 연결된다. 숏크리트 층을 적용하고 베어링 플레이트를 설치한 후 최종 마감재를 설치하여 소일 네일 벽을 완성한다. 위에서 설명한 단계의 변형은 특정 프로젝트 조건에 대한 추가 준비 작업 또는 보조 활동을 수용하기 위해 필요할 수 있다.

시공 측면에서 소일 네일 벽은 다른 대안보다 결정적인 장점이 있다. 소일 네일 벽은 어스 앵커 벽보다 더 작은 용지를 필요로 하며 환경 영향이 적다. 소일 네일 벽의 설치는 비교적 빠르며 일반적으로 어스 앵커 벽보다 적은 재료와 작은 건설 장비를 사용한다.

 비용 비교 
소일 네일 벽의 큰 장점 중 하나는 다른 대안보다 비용 효율적이라는 것이다. 기존의 소일 네일링 시공 절차를 사용하는 경우, 소일 네일 벽은 콘크리트 중력식 벽보다 훨씬 경제적이며 어스 앵커 벽과 비슷하거나 더 비용 효율적이다.

 검사 및 성능 모니터링 
검사 활동은 고품질 소일 네일 벽 생산에 필수적인 역할을 한다. 왜냐하면 프로젝트 계획 및 사양에 대한 적합성은 설계된 기간 동안 의도된 역할을 수행할 소일 네일 벽을 만들어낼 것이기 때문이다. 검사는 일반적으로 다음 사항을 평가하는 것을 포함한다: 재료 사양에 대한 시스템 구성 요소의 적합성, 시공 사양에 대한 시공 방법의 적합성, 단기 성능 사양에 대한 적합성, 그리고 장기 모니터링. 단기 성능 사양은 유압 잭과 펌프를 사용하여 여러 하중 적용을 수행하는 하중 테스트로 확인된다. 단기 성능을 위한 세 가지 일반적인 하중 테스트는 검증 또는 극한 하중 테스트, 증명 테스트 및 크리프 테스트이다. 검증 또는 극한 하중 테스트는 시공사의 설치 방법에 따른 인발 용량 및 강도에 대한 소일 네일의 준수 여부를 확인하기 위해 수행된다. 증명 테스트는 시공사의 시공 절차가 일관되었는지, 그리고 네일이 검증 단계에서 테스트되지 않은 토양 구역에 드릴링 및 그라우팅되지 않았는지 확인하기 위한 것이다. 크리프 테스트는 네일 설계 하중이 구조물의 서비스 수명 내내 안전하게 지지될 수 있는지 확인하기 위해 수행된다.

장기 성능 모니터링은 충분한 성능을 보장하고 향후 설계 관행을 개선하기 위한 데이터를 수집하는 데 사용된다. 측정할 매개변수에는 벽면의 수직 및 수평 이동, 면 요소의 국부적 이동 또는 열화, 지반으로의 배수, 네일의 하중, 하중 분포 및 하중 변화, 온도 및 강우량이 포함된다. 이러한 매개변수는 경사계, 로드셀 및 스트레인 게이지를 포함한 여러 특정 도구를 사용하여 측정된다.

 같이 보기 
 침식 방지

 각주 

분류:지반공학적 버팀구조