[논문]쐐기형 제거식 쏘일 네일링 시스템의 설계 및 시공사례

한연진; 박시삼; 권혁준; 김홍택; 박주석

문제 정의

아울러 도심지 지하굴착 보강공법으로 쏘일네일링 공법을 적용할 경우, 대지경계선 침범으로 인한 토지점용료 납부 등의 민원발생 등으로 인해 제거식 쏘일네일링 공법을 적용하는 현장이 점진적으로 증가하고 있는 추세이다. 따라서 본 연구에서는 최종굴착단계까지 시공 완료 후, 이형철근을 쉽게 제거할 수 있는 쐐기형 제거식 쏘일네일링 공법(Wedge Type Removable Soil Nailing System)을 개발하였으며, 개발된 본 공법을 대지경계선과의 이격거리가 짧은 현장에 적용한 설계 및 시공 사례를 소개하고자 한다. 또한 개발된 쐐기형 제거식 쏘일네일링 공법의 이형철근 제거성능 평가 및 인발거동 특성을 평가하기 위해 수행된 현장인발시험결과 등을 소개하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 최종굴착단계까지 시공 완료 후, 이형철근을 쉽게 제거할 수 있는 쐐기형 제거식 쏘일네일링 공법(Wedge Type Removable Soil Nailing System)을 개발하였으며, 개발된 본 공법을 대지경계선과의 이격거리가 짧은 현장에 적용한 설계 및 시공 사례를 소개하고자 한다. 또한 개발된 쐐기형 제거식 쏘일네일링 공법의 이형철근 제거성능 평가 및 인발거동 특성을 평가하기 위해 수행된 현장인발시험결과 등을 소개하고자 한다.

제안 방법

Case 1～Case 4에 대하여 고정소켓 바로 앞쪽과 뒤쪽에 스트레인게이지를 부착하여 인발시험시 네일의 인발변형을 측정하였다(표 3. 참고). 인발하중시 변형특성 결과를 정리하면, 그림 6.
본 연구를 통해 개발된 쐐기형 제거식 쏘일네일링 공법은 고정소켓, 쐐기형 나사, PVC 파이프 및 이형철근 등으로 구성되어 있으며, 고정소켓 내부에 쐐기형 나사를 설치하여 고정소켓과 이형철근을 결합 시켜 시멘트 그라우트체와 일체식 거동을 할 수 있도록 고안하였다. 쐐기형 제거식 쏘일네일링 공법의 시공완료후 개요도는 그림 7.
본 연구에서 개발된 쐐기형 제거식 쏘일네일의 제거성능을 평가하기위해, 동일한 지반에 동일한 조건으로 기존 제거식 쏘일네일 및 쐐기형 제거식 쏘일네일을 시공한 후, 제거성능 평가를 수행해 보았다(그림 9).
본 연구에서는 FEM 해석 프로그램인 Midas Geox 및 한계평형해석 프로그램인 TALREN 97의 지반 구조물 안정성 해석프로그램으로 쐐기형 제거식 쏘일네일링 공법을 적용한 현장에 대하여 안정성 검토를 수행하였다(그림 10. 참고). 또한 현장지반조사 결과를 토대로 기존 문헌자료 및 실내역학실험결과에서 산정한 값을 적용하였으며, 검토에 적용한 특성값 및 지반강도 정수는 표 5.
본 연구에서는 쐐기형 제거식 쏘일네일 및 일반네일의 인발거동 특성을 비교, 평가해보기 위해 하중 제어방식의 인발시험을 수행하였으며, 쐐기형 제거식 쏘일네일 및 일반네일은 시험조건은 표 3과 같으며, 현장인발시험 개요도 및 대표단면도는 그림 2, 3과 같다.
현장인발시험시 네일 인발에 따른 철근의 변형률값을 계측하기 위해 변형율계(strain gauge)를 설치하였으며, 네일 인발시 10초 단위로 계측되도록 자동측정장치(Data Logger)를 설정하였다. 아울러, 네일인 발하중은 10kN 단위로 유발변위가 수렴할 경우 점진적으로 증가시켜 인발하중에 따른 변위특성을 측정 하였다. 현장인발시험 과정은 그림 4.
현장인발시험시 네일 인발에 따른 철근의 변형률값을 계측하기 위해 변형율계(strain gauge)를 설치하였으며, 네일 인발시 10초 단위로 계측되도록 자동측정장치(Data Logger)를 설정하였다. 아울러, 네일인 발하중은 10kN 단위로 유발변위가 수렴할 경우 점진적으로 증가시켜 인발하중에 따른 변위특성을 측정 하였다.
2. 현장인발시험

현장인발시험위치(B09-02) 및 지반조사위치는 그림 1과 같으며, 현장인발시험이 수행된 위치에서 가장 가까운 시추조사결과(B09-13)를 토대로 안정성 검토를 수행하였다.

성능/효과

1) 쐐기형 제거식 쏘일네일 및 일반네일의 인발시험 결과를 살펴보면(그림 5 참조), 초기인발변형특성이 네일길이 10m 인 경우가 다소 우수하게 평가되었으나, 최대인발력 220kN에서는 거의 유사한 거동을 하는 것으로 평가되었다. 아울러, 일반네일의 거동특성 역시 쐐기형 제거식 네일과 거의 유사하게 평가되었으며, 쐐기형 제거식 쏘일네일의 경우, 일반네일에서 발휘하는 인발마찰거동 특성을 충분히 발휘하는 것으로 평가되었다.
2) 인발하중시 변형특성 결과를 살펴보면, 쐐기형 제거식 쏘일네일의 Case 1 및 Case 2의 경우 네일두부에서 최대변형을 보이며, 고정소켓 설치부분에서의 인발변형에 저항을 하는 것으로 나타났으며, 선단부로 갈수록 인발변형이 점진적으로 감소하는 경향을 보이고 있는 것으로 평가되었다. 일반네일의 Case 3 및 Case 4의 경우, 네일 두부에서 최대 변형을 보이다가 감소하는 경향을 보이는 것으로 평가되었다(그림 6 참조).
3) 기존 제거식 쏘일네일의 경우 제거용 장비 투입 및 세팅하는데 상당시간이 소요되었으며, 10m네일을 기준으로 10분 정도 소요되는 것으로 평가되었으며, 쐐기형 제거식 쏘일네일의 경우, 헤머로 네 일의 두부를 타격하여 손쉽게 제거가 가능한 것으로 평가되었다. 아울러, 10m 길이의 네일을 제거하는데 소요되는 시간은 3분 정도 소요되어 70% 정도의 공기단축 효과가 있는 것으로 평가되었다 (그림 9 참조).
5m) 적용하였다. 그 결과 수평변위 허용기준은 71.7mm이며, 최종 굴착완료시 수평변위는 38mm 정도로 발생하여 허용기준을 만족하므로 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다.
기존 제거식 쏘일네일의 경우 제거용 장비 투입 및 세팅하는데 상당시간이 소요되었으며, 10m네일을 기준으로 10분 정도 소요되는 것으로 평가되었으며, 쐐기형 제거식 쏘일네일의 경우, 헤머로 네일의 두부를 타격하여 손쉽게 제거가 가능한 것으로 평가되었다. 아울러, 10m 길이의 네일을 제거하는데 소요 되는 시간은 3분 정도 소요되어 70% 정도의 공기단축 효과가 있는 것으로 평가되었다.
쐐기형 제거식 쏘일네일 및 일반네일의 인발시험 결과를 살펴보면(그림 5), 초기인발변형특성이 네일 길이 10m 인 경우가 다소 우수하게 평가되었으나, 최대인발력 220kN에서는 거의 유사한 거동을 하는 것으로 평가되었다. 아울러, 일반네일의 거동특성 역시 쐐기형 제거식 네일과 거의 유사하게 평가되었으며, 쐐기형 제거식 쏘일네일의 경우, 일반네일에서 발휘하는 인발마찰거동 특성을 충분히 발휘하는 것으로 평가되었다.
기존 제거식 쏘일네일의 경우 제거용 장비 투입 및 세팅하는데 상당시간이 소요되었으며, 10m네일을 기준으로 10분 정도 소요되는 것으로 평가되었으며, 쐐기형 제거식 쏘일네일의 경우, 헤머로 네일의 두부를 타격하여 손쉽게 제거가 가능한 것으로 평가되었다. 아울러, 10m 길이의 네일을 제거하는데 소요 되는 시간은 3분 정도 소요되어 70% 정도의 공기단축 효과가 있는 것으로 평가되었다. 네일이 시공된 전체길이를 50m라고 가정했을 경우, 네일 제거시간을 비교해보면, 표 4.
3) 기존 제거식 쏘일네일의 경우 제거용 장비 투입 및 세팅하는데 상당시간이 소요되었으며, 10m네일을 기준으로 10분 정도 소요되는 것으로 평가되었으며, 쐐기형 제거식 쏘일네일의 경우, 헤머로 네 일의 두부를 타격하여 손쉽게 제거가 가능한 것으로 평가되었다. 아울러, 10m 길이의 네일을 제거하는데 소요되는 시간은 3분 정도 소요되어 70% 정도의 공기단축 효과가 있는 것으로 평가되었다 (그림 9 참조).
쐐기형 제거식 쏘일네일 및 일반네일의 인발시험 결과를 살펴보면(그림 5), 초기인발변형특성이 네일 길이 10m 인 경우가 다소 우수하게 평가되었으나, 최대인발력 220kN에서는 거의 유사한 거동을 하는 것으로 평가되었다. 아울러, 일반네일의 거동특성 역시 쐐기형 제거식 네일과 거의 유사하게 평가되었으며, 쐐기형 제거식 쏘일네일의 경우, 일반네일에서 발휘하는 인발마찰거동 특성을 충분히 발휘하는 것으로 평가되었다.
현장 구간의 전체적인 실내실험 결과 사질토층이 우세하게 분포하였고, 통일분류 결과 SM, SW-SM 으로 분류되며 함수비는 6.2～16.4%, 비중은 2.65～2.69의 범위를 나타내는 것으로 확인되었다. 현장구간 내 암석의 일축압축 시험 결과 연암의 일축 압축 강도는 45.
현장구간 내 암석의 일축압축 시험 결과 연암의 일축 압축 강도는 45.3∼53.6MPa, 경암의 일축 압축 강도는 42.0∼100.4MPa 범위로 확인되었다.

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