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一、工程概况
连霍高速郑洛段改建工程按八车道高速公路标准改扩建，采用单侧加宽为主，局部分离路基方式建设。由于项目位于黄河岸边，东段属平原微丘区，西段属山岭重丘区，路基土质以砂性土、轻亚粘土土质为主，沿线地质结构变化较大，地形、地貌复杂，软弱地基较多，为保证新老路基之间的沉降差相对较小，路基处理方案采用预制管桩（PTC薄壁管桩）、CFG桩（素混凝土桩）等方式。设计为LK122+350-LK124+433、K0+000-K64+900段:CFG桩直径为50㎝，桩间距2.5米,设置有120㎝×120㎝的钢筋混凝土桩帽,使用C20混凝土浇注,桩型按正方形布设。K64+900-K104+400段：CFG桩直径为50㎝，桩间距1.4米，结构物基底桩型按正三角形布设；正常路基段桩型按梅花形布设,未设置桩帽，使用C20混凝土浇注。
本文就CFG桩（振动沉管机成桩）的施工方法来探讨CFG桩在连霍高速公路郑州至洛阳段改建工程地基处理中的应用。
二、施工材料
（一）材料要求
1、水泥：一般用32.5级普通硅酸盐水泥，水泥无受潮结块；
2、碎石：粒径20-40㎜，最大粒径不超过40㎜，含泥量不大于2%（为使混合料级配良好，可掺入石屑填充碎石的空隙）；
3、砂：中粗砂或石屑，不得含有草根、垃圾等，含泥量不大于3%；
4、粉煤灰：可用Ⅱ、Ⅲ级粉煤灰；(要求:烧失量宜不大于12%,国内粉煤灰一般为4-11%；0.0074㎜颗粒含量不大于45%)。
5、可根据施工需要使用早强剂或泵送剂。
（二）、桩身混合料要求
1、混合料的强度等级一般应与地基的承载力要求相适应，使用C15普通水泥混凝土;
2、混合料的水灰比，一般应严格控制在0.3~0.55范围内,并可视施工季节气温变化作适当调整，但水泥混凝土水灰比不能过大;
3、混合料的坍落度不宜过大，一般控制在20~35㎜;
4、混合料的搅拌时间应加强控制，从搅拌开始到最后拔管结束，不应超过混合料的初凝时间（一般按4小时控制）。
（三）混合料配合比计算公式（适用于自拌粉煤灰混凝土）
１、混合料中石屑与碎石的比例用石屑率表示：
公式一
式中： λ－石屑率，根据试验λ 值取０.２５～０.３３为合理； Ｇ１Ｇ２－单方混合料石屑、碎石用量（㎏）
２、混合料２８ d抗压强度
公式二
式中：fcu——混合料２８ d抗压强度，ＭPa；
Ｃ－单方水泥用量（㎏） ；Ｗ－单方用水量（㎏）；
RBC－水泥强度等级。
３、水灰比、粉灰比
混合料坍落度按３㎝控制时，水灰比Ｗ／Ｃ粉灰比Ｆ／Ｃ（Ｆ为单方粉煤灰用量）有如下关系：
公式三Ｗ／Ｃ＝０.１８７＋０.７９Ｆ／Ｃ
注意：混合料密度一般为２.２－２.３㎏/㎝3
利用以上公式,参考水泥混凝土配合比的用水量并加大2-5%,可进行配合比设计.
说明:(1)配合比试配时,可按坍落度3.0㎝适当调整用水量.
(2)实际施工中无粉煤灰时可不用,改用砂代替.
(3)实际施工的生产配合比可按四舍五入法将理论配合比调整为整数.
三、振动沉管机成桩施工质量控制
(一)施工技術要求:
1、根据土质情况，控制制桩距离。
（1）在饱和软土中成桩，桩机的振动力较小，但当采用连打作业时，由于饱和软土的特性，新打桩将挤压已打桩，形成椭圆或不规则形状，产生严重的缩颈和断桩。此时，应采用隔桩跳打施工方案。
（2）在饱和的松散粉土中施工，由于松散粉土振密效果好，先打桩施工完后，土体密度会有显著增加。而且，打的桩越多，土的密度越大。在补打新桩时，一是加大了沉管难度，二是容易造成已打桩断桩，此时，隔桩跳打不宜采用。
（3）当满堂布桩时，不宜从四周转向内推进施工，宜从中心向外推进施工，或从一边向另一边推进施工。但仅凭打桩顺序的改变并不能完全避免新打桩的振动对已结硬的已打桩产生影响。此时，应采用螺旋钻机成孔的方案，避免新打桩的振动造成已打桩的断桩。 2、严格控制拔管速率。
拔管速率太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩，而拔管速率过慢又会造成水泥浆分布不匀，桩枯顶浮浆过多，桩身强度不足和形成混和料离析现象，导致桩身强度不足。故施工时应严格控制拔管速率。正常的拔管速率应控制在1.2～1.5米／分。
3、控制好混合料的坍落度。
混合料坍落度过大，会形成桩项浮浆过多，桩体强度也会降低。坍落度一般控制在3～5厘米，和易性好，当拔管速率为1.2～1.5米／分时，一般桩顶浮浆可控制在10厘米左右，成桩质量容易控制。4、拔管过程避免反插。
在拔管过程中若出现反插，由于桩管垂直度的偏差，容易使土与桩体材料混合，导致桩身掺土影响桩身质量，应避免反插。
5、设置保护桩长。
保护桩长是指成桩时预先设定加长的一段桩长，结构物基础施工时将其剔除,用于路基时可将保护桩保留；设置保护桩是保证施工质量有效手段，但浪费材料较多。使桩在加料时，比设计桩长多加0.5米的保护桩，将沉管拔出后，用插入式振捣棒对桩顶混合料加振3～5秒，提高桩顶混合料密实度。上部用土封项，增大混合料表面的高度即增加了自重压力，可提高混合料抵抗周围土挤压的能力，避免新打桩振动导致已打桩受振动挤压，混合料上涌使桩径缩小。
(二)施工程序控制
1、桩机进入现场，根据设计桩长、沉管入土深度确定机架高度和沉管长度，进行设备组装；
2、桩机就位，保持水平、稳固，调整沉管与地面垂直，确保垂直偏差不大于1%；
3、启动钻机，沉管到预定标高，停机；
4、沉管过程中必须作好施工记录。一般激振电流每沉1米记录一次，对土层变化处特别说明；
5、按设计配合比配制混合料，投入拌和机加水拌料，加水量由混合料坍落度控制，一般坍落度为3-5㎝，成桩后桩顶浮浆厚度不超过20㎝。混合料拌和均匀，搅拌时间不得少于1分钟；
6、沉管至设计标高时须尽快进行空中投料，直到管内混和料面与钢管料口平齐。若上料不足应在拔管过程中加料至设计标高；
7、开动马达，沉管原地留振10秒左右，然后边振边拔管。控制拔管速度。当遇到淤泥或淤泥质土时，拔管速度可适当放慢 (一般土层中以1.2-1.5米/分,软弱土层中以0.6-0.8米/分为宜);
8、当拔管至地面时，应确认成桩符合设计要求后用粒状材料或湿粘土封顶保护；
9、移位至下一点施工。
施工工艺：桩机进场及设备组装→桩机就位→钻机成孔→停机投料→启动马达、留振→拔管→移至下一点。
四、素混凝土桩帽的施工
1、本项目CFG桩增加了素混凝土桩帽，桩帽中设计有一层钢筋网片，并要求钢筋网片与桩头钢筋连接。钢筋网片加工及质量要求同管桩桩帽。
2、为防止桩成孔后混凝土灌注时桩顶部土体塌陷造成桩体污染，影响桩体受力，故CFG桩桩身混凝土应一次性浇注至桩顶位置，并震捣密实，可同时将桩身与桩帽之间的连接钢筋预埋于桩头中。桩帽施工时将桩头预埋筋与桩帽钢筋网片连接，利用土模保证设计尺寸要求，浇注混凝土桩帽，湿水养生时间不得少于28小时。
五、褥垫层
1、褥垫层使用材料及厚度要求：
褥垫层位于桩顶和桩间土的上部，其厚度一般取30cm。当桩径d、桩间距s过大或上部结构刚度大且对地基沉降值要求高时，可适当加大其厚度，这样有利于提高桩土共同工作的效率。但若褥垫层厚度过大，因褥垫层碎石材料的离散性会导致桩、土应力比等于或接近1，造成复合地基承载力降低。
2、褥垫层使用材料
本项目褥垫层为级配碎石，材料可用碎石、砾石，级配砂石或碎石，但材料质量必须符合规范要求，最大粒径不宜大于40mm。因褥垫层中间增加了一层钢性格栅，施工时必須将褥垫层分两层铺筑，每层材料必须均匀摊铺，机械平整后，使用振动压路机碾压密实，一般碾压不少于3遍。
六、桩顶标高的控制
1、涵洞、通道CFG桩地基处理：
涵洞、通道基础及两端台背下部地基CFG桩处理可按现场地面情况分别标高控制。
结构物基础下部CFG桩桩帽顶标高必须满足结构物基础混凝土厚度+桩顶碎石垫层厚度要求。
结构物两端台背下部CFG桩桩顶标高可根据现场地面实际标高控制，尽可能减少挖掘量，保护自然地基，可将施工范围内的自然地基进行整平处理后打桩施工，实际成桩长度不得小于设计要求，以桩帽顶标高不高出自然地面为宜。
因新加宽结构物与高速公路多为斜交，为保证CFG桩能够充分发挥作用，可在保证CFG桩设计数量不减少的情况下，适当调整布桩方式，按正方形或梅花形方式布桩，保证桩帽位于结构物基础下部能够充分受力。按梅花形方式布桩时每排桩的间距应满足设计要求。
2、加宽路基CFG桩地基处理
新加宽路基CFG桩地基处理要保证实际成桩长度不小于设计桩长。
若地基处理范围内（某一施工段落）自然地面起伏变化较大，可分台阶进行桩基施工；地面起伏变化小于80㎝时将地表整平后按同一平面施工；起伏变化大于80㎝时可分台阶打桩施工，但应尽可能减少自然地基的挖掘破坏。
若同一断面上自然地面起伏超过80㎝，且超高部分宽度大于新加宽路基宽度的50%时也可分台阶打桩施工。否则，可按同一平面整平处理后进行桩基施工。
七、质量检验
CFG桩施工结束后，间隔一定时间方可进行质量检验，一般养护龄期不得少于28小时。CFG桩施工过程中的质量检测，《建筑地基处理技术规范》要求的主要检查项目包括：施工记录、混合料坍落度、桩数、桩位偏差、褥垫层厚度、夯填度和桩体试块抗压强度等。
为确保CFG桩的成桩质量，在正常施工前，施工单位应根据设计要求做好CFG桩的成桩试验工作，根据试验结果确定成桩工艺和施工参数。按施工桩长施工3-5根标准桩，用来在低应变检测时标定桩身平均速度。正式检测时，从标准桩中任意抽取3根进行低应变测试，根据设计桩长和桩底反射时间求取每根桩的桩身平均速度，再求取三根标准桩波速的平均值。依据波速平均值和其它被抽检桩的桩底反射时间求取相应桩的桩长，同时根据低应变测试波形对桩身的完整性进行评价。
1、桩间土检验：桩间土质量检验可用标准贯入、静力触探和钻孔取样等方法进行处理前后的对比试验。
2、单桩和复合地基检验（静载荷试验）：可采用单桩荷载试验、单桩或多桩复合地基载荷试验进行处理效果检验。试验数量宜为总桩数的０.５-1%,且每个单体工程的试验数量不应少于3点。
3、用低应变动测法检测CFG桩的桩长、桩身强度和桩身的完整性，必要时可采用钻孔取芯方法对桩身质量进行检验。
连霍高速郑洛段改建工程按八车道高速公路标准改扩建，采用单侧加宽为主，局部分离路基方式建设。由于项目位于黄河岸边，东段属平原微丘区，西段属山岭重丘区，路基土质以砂性土、轻亚粘土土质为主，沿线地质结构变化较大，地形、地貌复杂，软弱地基较多，为保证新老路基之间的沉降差相对较小，路基处理方案采用预制管桩（PTC薄壁管桩）、CFG桩（素混凝土桩）等方式。设计为LK122+350-LK124+433、K0+000-K64+900段:CFG桩直径为50㎝，桩间距2.5米,设置有120㎝×120㎝的钢筋混凝土桩帽,使用C20混凝土浇注,桩型按正方形布设。K64+900-K104+400段：CFG桩直径为50㎝，桩间距1.4米，结构物基底桩型按正三角形布设；正常路基段桩型按梅花形布设,未设置桩帽，使用C20混凝土浇注。
本文就CFG桩（振动沉管机成桩）的施工方法来探讨CFG桩在连霍高速公路郑州至洛阳段改建工程地基处理中的应用。
二、施工材料
（一）材料要求
1、水泥：一般用32.5级普通硅酸盐水泥，水泥无受潮结块；
2、碎石：粒径20-40㎜，最大粒径不超过40㎜，含泥量不大于2%（为使混合料级配良好，可掺入石屑填充碎石的空隙）；
3、砂：中粗砂或石屑，不得含有草根、垃圾等，含泥量不大于3%；
4、粉煤灰：可用Ⅱ、Ⅲ级粉煤灰；(要求:烧失量宜不大于12%,国内粉煤灰一般为4-11%；0.0074㎜颗粒含量不大于45%)。
5、可根据施工需要使用早强剂或泵送剂。
（二）、桩身混合料要求
1、混合料的强度等级一般应与地基的承载力要求相适应，使用C15普通水泥混凝土;
2、混合料的水灰比，一般应严格控制在0.3~0.55范围内,并可视施工季节气温变化作适当调整，但水泥混凝土水灰比不能过大;
3、混合料的坍落度不宜过大，一般控制在20~35㎜;
4、混合料的搅拌时间应加强控制，从搅拌开始到最后拔管结束，不应超过混合料的初凝时间（一般按4小时控制）。
（三）混合料配合比计算公式（适用于自拌粉煤灰混凝土）
１、混合料中石屑与碎石的比例用石屑率表示：
公式一
式中： λ－石屑率，根据试验λ 值取０.２５～０.３３为合理； Ｇ１Ｇ２－单方混合料石屑、碎石用量（㎏）
２、混合料２８ d抗压强度
公式二
式中：fcu——混合料２８ d抗压强度，ＭPa；
Ｃ－单方水泥用量（㎏） ；Ｗ－单方用水量（㎏）；
RBC－水泥强度等级。
３、水灰比、粉灰比
混合料坍落度按３㎝控制时，水灰比Ｗ／Ｃ粉灰比Ｆ／Ｃ（Ｆ为单方粉煤灰用量）有如下关系：
公式三Ｗ／Ｃ＝０.１８７＋０.７９Ｆ／Ｃ
注意：混合料密度一般为２.２－２.３㎏/㎝3
利用以上公式,参考水泥混凝土配合比的用水量并加大2-5%,可进行配合比设计.
说明:(1)配合比试配时,可按坍落度3.0㎝适当调整用水量.
(2)实际施工中无粉煤灰时可不用,改用砂代替.
(3)实际施工的生产配合比可按四舍五入法将理论配合比调整为整数.
三、振动沉管机成桩施工质量控制
(一)施工技術要求:
1、根据土质情况，控制制桩距离。
（1）在饱和软土中成桩，桩机的振动力较小，但当采用连打作业时，由于饱和软土的特性，新打桩将挤压已打桩，形成椭圆或不规则形状，产生严重的缩颈和断桩。此时，应采用隔桩跳打施工方案。
（2）在饱和的松散粉土中施工，由于松散粉土振密效果好，先打桩施工完后，土体密度会有显著增加。而且，打的桩越多，土的密度越大。在补打新桩时，一是加大了沉管难度，二是容易造成已打桩断桩，此时，隔桩跳打不宜采用。
（3）当满堂布桩时，不宜从四周转向内推进施工，宜从中心向外推进施工，或从一边向另一边推进施工。但仅凭打桩顺序的改变并不能完全避免新打桩的振动对已结硬的已打桩产生影响。此时，应采用螺旋钻机成孔的方案，避免新打桩的振动造成已打桩的断桩。 2、严格控制拔管速率。
拔管速率太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩，而拔管速率过慢又会造成水泥浆分布不匀，桩枯顶浮浆过多，桩身强度不足和形成混和料离析现象，导致桩身强度不足。故施工时应严格控制拔管速率。正常的拔管速率应控制在1.2～1.5米／分。
3、控制好混合料的坍落度。
混合料坍落度过大，会形成桩项浮浆过多，桩体强度也会降低。坍落度一般控制在3～5厘米，和易性好，当拔管速率为1.2～1.5米／分时，一般桩顶浮浆可控制在10厘米左右，成桩质量容易控制。4、拔管过程避免反插。
在拔管过程中若出现反插，由于桩管垂直度的偏差，容易使土与桩体材料混合，导致桩身掺土影响桩身质量，应避免反插。
5、设置保护桩长。
保护桩长是指成桩时预先设定加长的一段桩长，结构物基础施工时将其剔除,用于路基时可将保护桩保留；设置保护桩是保证施工质量有效手段，但浪费材料较多。使桩在加料时，比设计桩长多加0.5米的保护桩，将沉管拔出后，用插入式振捣棒对桩顶混合料加振3～5秒，提高桩顶混合料密实度。上部用土封项，增大混合料表面的高度即增加了自重压力，可提高混合料抵抗周围土挤压的能力，避免新打桩振动导致已打桩受振动挤压，混合料上涌使桩径缩小。
(二)施工程序控制
1、桩机进入现场，根据设计桩长、沉管入土深度确定机架高度和沉管长度，进行设备组装；
2、桩机就位，保持水平、稳固，调整沉管与地面垂直，确保垂直偏差不大于1%；
3、启动钻机，沉管到预定标高，停机；
4、沉管过程中必须作好施工记录。一般激振电流每沉1米记录一次，对土层变化处特别说明；
5、按设计配合比配制混合料，投入拌和机加水拌料，加水量由混合料坍落度控制，一般坍落度为3-5㎝，成桩后桩顶浮浆厚度不超过20㎝。混合料拌和均匀，搅拌时间不得少于1分钟；
6、沉管至设计标高时须尽快进行空中投料，直到管内混和料面与钢管料口平齐。若上料不足应在拔管过程中加料至设计标高；
7、开动马达，沉管原地留振10秒左右，然后边振边拔管。控制拔管速度。当遇到淤泥或淤泥质土时，拔管速度可适当放慢 (一般土层中以1.2-1.5米/分,软弱土层中以0.6-0.8米/分为宜);
8、当拔管至地面时，应确认成桩符合设计要求后用粒状材料或湿粘土封顶保护；
9、移位至下一点施工。
施工工艺：桩机进场及设备组装→桩机就位→钻机成孔→停机投料→启动马达、留振→拔管→移至下一点。
四、素混凝土桩帽的施工
1、本项目CFG桩增加了素混凝土桩帽，桩帽中设计有一层钢筋网片，并要求钢筋网片与桩头钢筋连接。钢筋网片加工及质量要求同管桩桩帽。
2、为防止桩成孔后混凝土灌注时桩顶部土体塌陷造成桩体污染，影响桩体受力，故CFG桩桩身混凝土应一次性浇注至桩顶位置，并震捣密实，可同时将桩身与桩帽之间的连接钢筋预埋于桩头中。桩帽施工时将桩头预埋筋与桩帽钢筋网片连接，利用土模保证设计尺寸要求，浇注混凝土桩帽，湿水养生时间不得少于28小时。
五、褥垫层
1、褥垫层使用材料及厚度要求：
褥垫层位于桩顶和桩间土的上部，其厚度一般取30cm。当桩径d、桩间距s过大或上部结构刚度大且对地基沉降值要求高时，可适当加大其厚度，这样有利于提高桩土共同工作的效率。但若褥垫层厚度过大，因褥垫层碎石材料的离散性会导致桩、土应力比等于或接近1，造成复合地基承载力降低。
2、褥垫层使用材料
本项目褥垫层为级配碎石，材料可用碎石、砾石，级配砂石或碎石，但材料质量必须符合规范要求，最大粒径不宜大于40mm。因褥垫层中间增加了一层钢性格栅，施工时必須将褥垫层分两层铺筑，每层材料必须均匀摊铺，机械平整后，使用振动压路机碾压密实，一般碾压不少于3遍。
六、桩顶标高的控制
1、涵洞、通道CFG桩地基处理：
涵洞、通道基础及两端台背下部地基CFG桩处理可按现场地面情况分别标高控制。
结构物基础下部CFG桩桩帽顶标高必须满足结构物基础混凝土厚度+桩顶碎石垫层厚度要求。
结构物两端台背下部CFG桩桩顶标高可根据现场地面实际标高控制，尽可能减少挖掘量，保护自然地基，可将施工范围内的自然地基进行整平处理后打桩施工，实际成桩长度不得小于设计要求，以桩帽顶标高不高出自然地面为宜。
因新加宽结构物与高速公路多为斜交，为保证CFG桩能够充分发挥作用，可在保证CFG桩设计数量不减少的情况下，适当调整布桩方式，按正方形或梅花形方式布桩，保证桩帽位于结构物基础下部能够充分受力。按梅花形方式布桩时每排桩的间距应满足设计要求。
2、加宽路基CFG桩地基处理
新加宽路基CFG桩地基处理要保证实际成桩长度不小于设计桩长。
若地基处理范围内（某一施工段落）自然地面起伏变化较大，可分台阶进行桩基施工；地面起伏变化小于80㎝时将地表整平后按同一平面施工；起伏变化大于80㎝时可分台阶打桩施工，但应尽可能减少自然地基的挖掘破坏。
若同一断面上自然地面起伏超过80㎝，且超高部分宽度大于新加宽路基宽度的50%时也可分台阶打桩施工。否则，可按同一平面整平处理后进行桩基施工。
七、质量检验
CFG桩施工结束后，间隔一定时间方可进行质量检验，一般养护龄期不得少于28小时。CFG桩施工过程中的质量检测，《建筑地基处理技术规范》要求的主要检查项目包括：施工记录、混合料坍落度、桩数、桩位偏差、褥垫层厚度、夯填度和桩体试块抗压强度等。
为确保CFG桩的成桩质量，在正常施工前，施工单位应根据设计要求做好CFG桩的成桩试验工作，根据试验结果确定成桩工艺和施工参数。按施工桩长施工3-5根标准桩，用来在低应变检测时标定桩身平均速度。正式检测时，从标准桩中任意抽取3根进行低应变测试，根据设计桩长和桩底反射时间求取每根桩的桩身平均速度，再求取三根标准桩波速的平均值。依据波速平均值和其它被抽检桩的桩底反射时间求取相应桩的桩长，同时根据低应变测试波形对桩身的完整性进行评价。
1、桩间土检验：桩间土质量检验可用标准贯入、静力触探和钻孔取样等方法进行处理前后的对比试验。
2、单桩和复合地基检验（静载荷试验）：可采用单桩荷载试验、单桩或多桩复合地基载荷试验进行处理效果检验。试验数量宜为总桩数的０.５-1%,且每个单体工程的试验数量不应少于3点。
3、用低应变动测法检测CFG桩的桩长、桩身强度和桩身的完整性，必要时可采用钻孔取芯方法对桩身质量进行检验。