쏘일네일 벽체 — 굴착 한 단, 배치 규정, 그리고 확인시험

FHWA 지반공학 회람 7호(FHWA-NHI-14-007)를 읽어 굴착 한 단이 1~2일 무지보로 서 있어야 한다는 성립 조건, 통상 5 ft 간격과 최소 3.5 ft라는 시공에서 나온 숫자, 10~20도 경사와 0.7H 길이의 근거, 최대 인장력이 벽체 상부 3분의 2에서 발생한다는 계측 결과, 한계상

쏘일네일 벽체는 위에서 아래로 한 단씩 굴착하면서 배면 흙에 강봉을 박고 숏크리트로 면을 만들어, 흙 자체를 보강해 세우는 벽체다. 도로 확장의 절취 사면, 기존 교량 아래의 굴착처럼 배면에서 작업할 수 없고 벽을 세운 뒤에 흙을 채울 수도 없는 곳에 쓴다. 그래서 이 공법의 설계는 강도 계산이 아니라 굴착 한 단이 며칠 서 있을 수 있는가에서 시작한다.

이 글은 FHWA 지반공학 회람 7호 「Soil Nail Walls — Reference Manual」(FHWA-NHI-14-007)을 근거로 한다. 원문 단위는 ft·in이며, 괄호 안 미터법 값은 환산치다.

1. 시공 순서가 곧 설계 조건이다

굴착 한 단(lift)의 깊이는 2.5~7 ft(0.75~2.1 m) 범위, 통상 3~5 ft(0.9~1.5 m)이고, 첫 열 못이 들어갈 높이보다 조금 아래까지 판다. 이 단계의 성립 여부가 공법 전체를 결정한다.

이 단계의 실현 가능성이 결정적인데, 굴착면이 못과 초기 면이 설치될 때까지, 통상 1~2일 동안 무지보로 서 있을 수 있어야 하기 때문이다. — FHWA-NHI-14-007, §2.3

이어지는 공정에도 시간과 치수가 붙어 있다.

천공 후 텐던을 넣고 중력 또는 5~10 psi(35~70 kPa) 미만의 낮은 압력으로 그라우팅한다. 중공바(hollow bar)를 쓰면 천공과 그라우팅이 한 공정이 된다.

초기 면은 통상 4 in(100 mm) 두께의 경량 배근 숏크리트이고, 용접철망을 두께 중앙에 둔다.

지압판을 갓 친 숏크리트에 눌러 붙이고, 육각너트는 초기 숏크리트 타설 후 24시간 이내에 조인다.

다음 단을 파기 전에 숏크리트가 규정 3일 압축강도에 도달해야 하며, 공정 계획에서 양생 기간은 72시간으로 본다.

즉 벽 한 단의 사이클은 굴착 → 천공·그라우팅 → 배수재 → 숏크리트 → 양생이고, 이 사이클이 지반이 자립하는 시간 안에 끝나야 한다.

2. 간격·경사·길이는 시공에서 나온 숫자다

못은 격자로 배치한다. 수평 간격 S_H와 수직 간격 S_V는 보통 4~6 ft(1.2~1.8 m), 때로 6.5 ft(2.0 m)까지이고 통상 5 ft(1.5 m)로 잡는다. 검산은 곱으로 한다 — S_H × S_V가 대략 36~42 ft²(3.3~3.9 m²)보다 작을 것.

하한도 있다. 최소 간격 약 3.5 ft(1.1 m)를 규정하는데, 천공이 벗어나 앞서 설치한 못을 뚫을 가능성을 줄이기 위해서다. 너무 가까우면 조밀한 말뚝처럼 하중 전달이 겹친다.

상하단은 따로 정해져 있다. 첫 열은 벽체 상단에서 약 2~3.5 ft(0.6~1.1 m)보다 깊지 않게, 마지막 열은 굴착 바닥에서 약 2~3 ft(0.6~0.9 m) 위에 둔다. 면이 캔틸레버로 버틸 수 있는 범위가 한정되어 있기 때문이다.

경사는 수평에서 10~20도, 가장 흔하게 15도다. 이 각도에서 그라우트가 공 바닥에서 두부까지 흘러 공극 없이 채워진다. 10도 미만은 피한다 — 그라우트에 공극이 생기고 못 두부에 이른바 "새 부리(bird's beak)"가 길게 남아 인발저항이 줄고 방식 성능이 떨어진다. 반대쪽 한계도 있어, 약 40~45도보다 급한 못은 압축을 받을 수 있다.

길이는 예비 단면에서 약 0.7H(H는 벽 높이)로 잡는다. 그리고 결과가 범위를 벗어나면 그것 자체가 판정이다.

계산 결과의미

필요 길이 > 약 1.2H지반 조건이 쏘일네일 벽체에 유리하지 않다는 신호

길이 < 0.5H활동(sliding) 안정 요구를 만족하지 못한다

길이 < 약 0.6H실제로 드물다

벽면 기울기(batter) 10%같은 조건에서 필요 길이가 약 10~15% 감소

3. 해석이 말하는 힘의 위치와 실제가 다르다

한계평형 기반 설계 프로그램은 균등 길이 못을 모형화할 때 벽체 하부에서 가장 큰 힘이 생긴다고 예측하는 경향이 있다. 계측은 다른 그림을 보여준다.

그러나 가장 큰 못 인장력은 실제로는 벽체 상부 3분의 2에서 발생하는 경향이 있다(상부 못이 하부 못과 같거나 더 긴 경우). — FHWA-NHI-14-007, §6.3.3e

그래서 균등 길이 배치는 단순하지만, 상부 못을 하부보다 짧게 만드는 배치는 해석이 통과하더라도 실제 힘의 분포와 어긋난다.

4. 안전율 — 한계상태마다 값이 다르다

허용응력설계(ASD)의 최소 권장 안전율은 한계상태별로 다음과 같다.

한계상태정적지진

전체 안정(FS_OS)1.51.1

굴착 중 단기 조건1.25~1.33해당 없음

바닥 융기(basal heave)2.0(단기) · 2.5(장기)2.3

인발저항2.01.5

수평 활동1.51.1

텐던 인장 (Grade 60·75)1.81.35

텐던 인장 (Grade 95·150)2.01.50

면 휨1.51.1

면 뚫림전단1.51.1

헤디드 스터드 인장 (A307)2.01.5

헤디드 스터드 인장 (A325)1.71.3

단기 조건의 1.25~1.33은 못 설치 전 최대 2일까지 무지보로 두는 임시 굴착 단에 대응하며, 중요 구조물이거나 지반 조건의 불확실성이 클수록 큰 값을 쓴다. 전체 안정은 예외도 명시되어 있다 — 비중요 영구 구조물이고 지반 정보가 충분하며 지역 시공 실적이 있어 불확실성이 제한적이라고 판단되면 일부 발주자는 FS_OS = 1.35를 수용한다.

5. 변위 — 예측식과 경보값

최대 수평변위는 대개 벽체 상단에서 발생하고, 침하는 그와 같은 정도의 크기다. 장기 변위 추정에는 지반별 계수가 쓰인다.

지반(δ_h/H)_iC

풍화암·단단한 흙1/10000.8

사질토1/5001.25

세립토1/3331.5

이 식은 L/H ≥ 0.7, 상재하중 무시 가능, FS_OS ≥ 1.5일 때만 유효하다. 세 조건 중 하나라도 어긋나면 이 표로 변위를 말할 수 없다.

현장에서 쓰는 경보값은 따로 있다 — 시공 중 수평변위가 0.005H를 넘으면 우려의 대상이며, 이는 일반적으로 수용 가능한 거동의 상한이다. 그리고 변위는 준공으로 끝나지 않는다. 계측 자료는 움직임이 때로 6개월까지 이어지고, 장기 변형이 준공 직후 관측값보다 최대 15%까지 커질 수 있음을 보여준다. 소성지수 PI가 대략 20을 넘고 액성지수 LI가 0.2를 넘는 고소성·고함수 세립토가 이 기간이 길어지는 지반이다.

6. 시험 — 검증시험과 확인시험

시험은 두 종류다. 검증시험(verification test)은 시공 전에 희생 못에 시행해 설계에 쓴 부착저항이 시공 방법으로 실제 얻어지는지 확인한다. 시험 위치는 통상 주요 지층마다 2본씩 잡는다. 확인시험(proof test)은 시공 중에 전체 시공 못의 최소 5%에 시행하며, 검증시험은 이 5%에 포함되지 않는다.

두 시험 모두 못에 부착장과 자유장이 있어야 한다. 전체가 그라우팅된 못은 시험해서는 안 된다. 자유장은 지압판 뒤에서 부착장 상단까지 이어지고, 천공 내에서 최소 3 ft(0.9 m)여야 한다. 지압판 아래에서 생긴 응력이 위쪽 부착 구간으로 전달되어 부착강도를 인위적으로 높이는 것을 막기 위해서다.

같은 이유로 그라우팅에도 금지 사항이 있다.

그라우트를 가정한 부착장 위로 펌핑하도록 허용해서는 안 된다. 하중이 자유장 구간의 그라우트를 통해 위로 전달되어(이른바 "도넛" 효과) 계산된 부착응력이 인위적으로 높아지기 때문이다. — FHWA-NHI-14-007, §9.4

장비 조건도 규정되어 있다 — 정렬하중은 최대 시험하중의 2.5% 이하, 잭은 예상 시험하중이 정격 용량의 80%를 넘지 않도록 선정, 다이얼 게이지는 못 축에서 5도 이내로 정렬하고 0.001 in(0.025 mm)까지 읽으며, 이동 범위는 최대 시험하중에서의 탄성 신장량 + 1 in, 또는 최소 2 in(50 mm) 이상이어야 한다.

하중 단계는 시험 종류에 따라 다르다.

구분검증시험(VTL 기준)확인시험(PTL 기준)

단계0.13 · 0.25 · 0.38 · 0.50 · 0.63 · 0.75 · 0.88 · 1.00 VTL0.17 · 0.33 · 0.50 · 0.67 · 0.83 · 1.00 PTL

단계별 유지각 10분 이상 (1·2·4·5·10분 기록)이동이 안정될 때까지

크리프 시험 하중0.75 VTL에서 60분1.00 PTL에서 10분

7. 합격 기준 — 인발, 탄성 신장량, 크리프

합격은 세 가지를 모두 만족해야 한다.

1.00 VTL(또는 1.0 PTL) 미만에서 인발이 일어나지 않을 것.

최대 시험하중에서 측정된 총 이동량이 자유장의 이론 탄성 신장량의 80%를 넘을 것. 이 조건은 하중 전달이 부착장에서만 일어나고 자유장에서는 일어나지 않았음을 보증한다.

크리프 이동량이 기준을 넘지 않을 것.

크리프 기준은 시간 구간별로 숫자가 붙는다.

구간검증시험(0.75 VTL)확인시험(1.0 PTL)

1~10분0.04 in(1.0 mm) 미만0.04 in(1.0 mm) 미만

6~60분0.08 in(2.0 mm) 미만연장 시 0.08 in(2.0 mm) 미만

초과했을 때—PTL을 50분 더 유지하고 20·30·50·60분에 기록

추가 조건유지 시간 내내 크리프율이 선형이거나 감소할 것

기록은 로그 시간축의 반로그 그래프로 정리해 시방서의 합격 기준과 대조한다.

8. 적용이 어려운 지반

이 공법이 성립하지 않는 조건이 목록으로 정리되어 있다. 판단은 굴착 전에 끝나야 한다.

지반문제

건조하고 입도가 불량한 사질토점착력이 없어 수직에 가까운 절취면을 만들기 어렵다

지하수위가 높은 사질토천공이 쉽게 붕괴해 임시 케이싱이 필요하고, 용출수가 숏크리트 타설을 방해

호박돌·전석이 섞인 지반천공이 극히 어려워 공기와 비용이 커진다

연약 세립토(N60 < 4)부착저항이 낮아 비현실적으로 긴 못이 필요하고, 고소성 점토는 크리프가 문제

붕괴성 흙(collapsible soil)포화되면 급격한 체적 변화 — 굴착 중 문제 또는 장기 부착저항 저하

유기질토전단저항이 매우 낮고 이방성이 크며, 무기질토보다 부식성이 강하다

부식성이 강한 토양·지하수영구 구조물에 특히 치명적 (예: 신더, 슬래그)

불리한 절리를 가진 풍화암천공 안정성이 나쁘고 그라우팅이 어렵다

9. 정리

굴착 한 단은 통상 3~5 ft이고, 그 면이 1~2일 무지보로 서 있어야 이 공법이 성립한다.

숏크리트는 4 in, 다음 단 굴착 전에 3일 강도(계획상 72시간)에 도달해야 하고, 너트는 24시간 이내에 조인다.

간격은 통상 5 ft, S_H × S_V < 36~42 ft², 최소 3.5 ft — 마지막 값은 앞선 못을 뚫지 않기 위한 것이다.

경사는 10~20도, 통상 15도이며, 10도 미만은 그라우트 공극과 인발저항 감소 때문에 피한다.

길이는 예비적으로 0.7H, 1.2H를 넘으면 지반이 불리하다는 신호, 0.5H 미만은 활동 안정을 만족하지 못한다.

최대 인장력은 벽체 상부 3분의 2에서 발생하는 경향이 있고, 한계평형 프로그램의 예측과 어긋난다.

안전율은 한계상태별로 다르며, 굴착 중 단기 조건 1.25~1.33이 별도 항목으로 있다.

시공 중 수평변위 0.005H가 수용 가능한 거동의 상한이고, 변위는 준공 후 6개월까지 최대 15% 더 커질 수 있다.

확인시험은 시공 못의 최소 5%, 시험 못의 자유장은 천공 내 최소 3 ft, 전체 그라우팅된 못은 시험할 수 없다.

합격은 인발 없음 + 탄성 신장량의 80% 초과 + 1~10분 0.04 in, 6~60분 0.08 in 미만의 세 조건을 모두 만족해야 한다.

쏘일네일 벽체에서 설계와 시공은 분리되지 않는다. 못의 길이와 간격을 정하는 숫자의 상당 부분이 그라우트가 흐르는 각도, 드릴이 벗어나는 거리, 숏크리트가 굳는 시간에서 나왔고, 부착저항이라는 가장 중요한 가정은 시공자가 실제로 쓴 방법으로 뚫고 채운 못을 시험해야만 확인된다. 굴착이 시작되면 되돌릴 수 없는 공법이므로, 적용이 어려운 지반인지에 대한 판정이 가장 먼저 끝나야 한다.