При будівництві земляних гребель і дамб, ґрунтового полотна дороги, засипки пазух котлованів виникає необхідність одержати ґрунти з заданими фізико-механічними властивостями. Крім того для збільшення міцності ґрунту в основі будівель і споруд або для зменшення втрат води на фільтрацію ґрунт ущільнюють також в стані природного залягання. Таким чином, при створенні основи споруди з достатньою несучою здатністю, або створенні якісного насипу ґрунти доводять до проектної щільності.  Зі збільшенням щільності ґрунту зростає його міцність, водонепроникність, опір розмиванню, збільшується статична стійкість споруди.

Існує ряд способів отримання заданого ущільнення ґрунту: статичним природним самоущільненням ґрунту; механічними машинами статичної дії (котки), машинами динамічної дії (ущільнюючі плити), машинами вібраційної дії (вібратори).

Природнє самоущільнення (під дією власної ваги споруди), без суттєвих витрат дозволяє ущільнити нижні шари земляної споруди. Однак природнє самоущільнення не дозволяє досягти необхідного степеня ущільнення всієї споруди, що може призвести до її руйнування.

Одним з відомих заходів для інтенсифікації процесу ущільнення є замочування насипів, який засновано на зволоженні ґрунту до повного насичення водою, при якому агрегати ґрунту розпадаються, мікропори опливають і в результаті досягається більший степінь ущільнення. Замочуванням, крім насипів, можна ущільнювати канали, пропускаючи по них з малими швидкостями витрати води, достатні для компенсації втрат на фільтрацію. Однак замочування супроводжується значними деформаціями, а по крупним пустотам можливе розмивання споруди, для запобігання чого необхідно проводити спеціальні заходи.

Також використовується спосіб щільного укладання ґрунту відсипанням в воду (або при транспортуванні водою), при якому забезпечується розпад агрегатів ґрунту та ліквідація мікропористості, внаслідок чого отримується монолітна структура з високою щільністю та водонепроникністю [5].

Якісні насипи (дамби, греблі) можна зводити шляхом пошарового відсипання будь-яких зв'язних ґрунтів в воду (рис. 3.1).

Основні будівельні операції виконуються в такій послідовності:

- Підготовка основи, розбивка основи на карти укладання (чеки);

- Зведення дамбочек обвалування по зовнішньому контуру карт укладання;

- Наповнення водою чеків;

- Відсипання ґрунту у воду на картах укладання.

 Цей спосіб виключає такі будівельні операції, як розрівнювання і ущільнення ґрунту, які виконують при сухому способі зведення насипів. Ущільнення ґрунту відбувається під дією власної ваги і від ваги транспорту, що проїжджає по ньому. Відсипку ґрунту у воду можна виконувати в дощову погоду, а якщо підігрівати воду, то і при мінусовій температурі.

 Розміри карт укладання зазвичай призначають за величині потоку ґрунту. Товщина шару відсипання ґрунту залежить від глибини води в чеку h. Сухий запас Δh шару, що відсипається залежить від властивості ґрунтів і вантажопідйомності машин.

Глибина води в чеку в основному залежить від здатності дамбочек обвалування утримувати її на карті укладання.

Для прискорення консолідації глинистого ґрунту в тілі насипу влаштовують систему водовідведення у вигляді вертикальних і горизонтальних дрен. Горизонтальні дрени укладають рядами через кожні 3-4 м по висоті з виходом у вертикальні колодязі. Вода з колодязів по піщаних дренам відводиться в трубчастий колектор і по ньому за межі насипу. Дамбочки обвалування влаштовують насухо за допомогою бульдозерів. Рівень води в чеку підтримують на постійній позначці на 0,3-0,75 м нижче поверхні відсипається шару ґрунту. Надлишкова вода , що витісняється ґрунтом, по трубі переливається на сусідню карту (чек).

Однак в значній кількості випадків вказані способи або неможливі через різні причини – відсутність достатньої кількості води, неможливість досягти даним способом проектної щільності, неможливість сформувати споруду заданого профілю та ін. Тому часто для ущільнення ґрунтів до проектної щільності використовують різні спеціальні машини та механізми.

В процесі ущільнення ґрунту за допомогою машин та механізмів, в більшості випадків вони впливають на ґрунт багаторазовим прикладанням навантаження на кожен елемент площі чергового шару ґрунту. При цьому інтенсивність ущільнення максимальна при перших прикладаннях навантаження, а надалі поступово зменшується, і при досягненні ґрунтом певної граничної щільності стає рівною нулю (рис. 3.2)
.

У більшості випадків для досягнення проектної щільності необхідно 6...8 кратне прикладання ущільнюючого навантаження.

На ущільнення ґрунту впливають ряд факторів:

-              механічний склад та зв’язність частинок ґрунту;

-              початкова щільність і вологість ґрунту;

-              товщина шарів ґрунту, що ущільнюються;

-              число проходів механізмів по одному сліду;

-              спосіб ущільнення та параметри ущільнюючих машин.

Звичайно більш інтенсивно і легко ущільнюються незв’язні ґрунти, між частинками котрих немає цементаційних зв’язків.

Процес ущільнення в значній мірі залежить від вологості ґрунту. Наявність води в ґрунті супроводжується створенням водяної плівки навколо частинок, що знижує тертя між ними. Але зі збільшенням вологості щільність ґрунту буде зростати до певної межі, вище якої щільність буде зменшуватися, що пояснюється не стисканням води в порах розпушеного ґрунту (рис. 3.3).

З рис. 3.3 також видно, що:

–          початкова щільність ґрунтів зменшується із зменшенням зв’язності ґрунту;

–          щільність при однаковій витраченій роботі більше для незв’язних та неоднорідних ґрунтів;

–          оптимальна вологість збільшується при збільшенні зв’язності ґрунту.

Ущільнення ґрунту до проектної щільності з найменшими енергетичними витратами можна досягнути при відповідній вологості, котру називають оптимальною і яку рекомендується витримувати з точністю 2%. Тому для ефективного використання ущільнюючих машин сухі ґрунти дозволожують, а перезволожені підсушують до оптимальної вологості. ЇЇ точне значення визначають шляхом пробного ущільнення. Для попередніх розрахунків оптимальну вологість (%) приймають для ґрунтів: піщаних – 7...10, супіщаних  – 9...14, суглинистих –13...19, важких суглинків та глинистих – 18...24 [5].

Необхідну кількість води для дозволоження ґрунту до оптимальної вологості визначають за виразом

g=(ω₀– ω_n– ω_в)·100·ρ_п/ρ_в                             (3.1)

де  ω_o, ω_п, ω_в – відповідно оптимальна вологість, природна вологість ґрунту, втрати вологості при вкладанні і ущільненні ґрунту, %; ρ_п, ρ_в – відповідно проектна щільність ґрунту і щільність води, кг/м³.

При виборі ущільнюючого засобу необхідно враховувати характер взаємодії його робочого органу з ґрунтом.

Основними показниками, що характеризують роботу ущільнюючих машин являються: товщина ущільненого шару; рівномірність ущільнення по глибині шару; необхідна кількість проходів (ударів) по одному сліду для досягнення проектної щільності.

Машини статичної дії представлені котками, які переміщуються по поверхні ґрунту, що ущільнюється, за декілька проходів по одному сліду для досягнення необхідної щільності ґрунту на визначеній ділянці.

Котки для ущільнення ґрунтів випускають різної форми і конструкції: циліндричні гладкі, змінного профілю (наприклад, кулачкові, з гранями та ін.), на пневмоколісному ходу. Котки є самохідні та причіпні. Перевагою причіпних котків є більша продуктивність та краща прохідність, можливість зміни кількості у зчіпці (рис.3.4). 

Кожному проходу котка відповідає усадка ґрунту h_п та горизонтальна проекція опорної поверхні частини окружності перетину циліндра – b_п. Ці значення при збільшенні числа проходів поступово зменшуються.

Середній питомий тиск на ґрунт дорівнює

q_n=Q/b_nB , Н/см²                                                                               (3.2)

 де Q – сила ваги котка, Н;

b_n – горизонтальна проекція опорної поверхні, см;

B – ширина котка (довжина утворюючої циліндра), см.

В зв’язку з тим, що середній тиск на ґрунт змінюється, то як характеристика котка прийнята сила ваги віднесена до довжини котка – лінійна сила ваги

q_л=Q/B , Н/см                                                                                        (3.3)

 В площі обпирання розподіл тиску нерівномірний. Епюри тиску різник котків на ґрунт наведено на рис. 3.5.

Оптимальна товщина шару ущільненого ґрунту залежить від виду катків, їх параметрів, вологості ґрунту і визначається за формулами:

для гладких котків:

,                                                              (3.4)

для пневмоколісних котків:

                                    (3.5)

для кулачкових котків:

            (3.6)

де ω, ω₀  – відповідно вологість ґрунту, що ущільнюється і оптимальна вологість, %; q – лінійний тиск котка, кН/см; R – радіус котка; Q - сила ваги одного колеса пневмоколісного котка, кН; р – тиск в шині, Н/см²; ξ – статичний коефіцієнт жорсткості шини, ξ =f (р), ξ=0,6…0,16 (р=10…60 Н/см²); L – довжина котка; b – товщина кулачка; h₁- товщина розпушеного шару після проходу кулачкового котка; А - експериментальний коефіцієнт (для гладких котків – 0,28 для зв’язних ґрунтів і 0,35 – для незв’язних; для пневмоколісних котків – 0,2).

При використанні гладких циліндричних котків ґрунт необхідно вкладати і розрівнювати шарами малої товщини.

Для збільшення глибини ущільнення на гладкі котки за допомогою болтів закріплюють бандажі із закріпленими на них кулачками. Сумарна опорна поверхня кулачків складає 4…5% поверхні циліндра, і, як наслідок, суттєве збільшення питомих тисків на ґрунт і більша глибина від поверхні ущільненого шару. Найбільша глибина ущільненого шару ґрунту наближена до подвійного значення висоти кулачка і величина її приблизно в два рази більше товщини шару при ущільненні ґрунту гладким котком тієї ж ваги.

Котками з гладкими вальцями ущільнюють ґрунти, головним чином на завершальній стадії ущільнення верхнього шару насипу, наприклад який буде основою дорожнього одягу.

Котками на пневмоколісному ходу (причіпними і самохідними) в результаті тривалої дії навантаження від стиснення шин ущільнюють можуть бути ущільнені всі види ґрунтів, в тому числі піщані і глинисті. Кількість проходів такого котка по одній смузі може бути орієнтовно прийнято 2...3 для піщаних ґрунтів, 3...4 для супіщаних ґрунтів і 5...6 для суглинних і важкосуглинистих ґрунтів. Катками середньої маси (до 10т) ущільнюють шари товщиною 10 ... 25 см при двох – десяті проходках катка по одному сліду, катками великої маси (до 45 т) – шари товщиною 25 ... 50 см (за ДБН Д.2.2-1 до 60 см) при тій же кількості проходок по одному сліду.

Кулачкові катки рекомендується застосовувати для ущільнення глини, суглинків і глинистих ґрунтів з домішкою щебеню і гравію, а також грудкуватих ґрунтів. Однак застосування кулачкових котків на незв’язних ґрунтах неефективно через їх незначне ущільнення та податливість руйнуванню при вдавлюванні кулачка. Тому використовувати кулачкові катки для ущільнення пісків, сланцевих глин і сильно зволожених глинистих ґрунтів не слід. Не можна застосовувати кулачкові котки для доущільнення вже порівняно щільних ґрунтів і особливо при недостатній їх вологості. Такими машинами масою до 5 т ущільнюють шар ґрунту товщиною 10 ... 20 см при восьми - вісімнадцяти проходках катка по одному сліду, а важкими (25 ... 30 т) – шар товщиною 50 ... 65 см при чотирьох – десяті проходках по одному сліду.

Схеми руху котків повинні бути ув’язані з розмірами поперечного перетину створюваних насипів. Залежно від ширини насипу ущільнення ґрунту може виконуватись з розворотом на насипу (при ширині насипу ) і з розворотом зі з’їздом з насипу (при ширині насипу ). В останньому випадку для розвороту котка за межами насипу необхідно влаштовувати з’їзди і виїзди.

При створенні якісного  насипу земляну споруду розбивають на окремі ділянки (карти), на яких після вкладання і розрівнювання проводиться ущільнення ґрунту. Товщина шару розрівнювання ґрунту залежить від ущільнюючої спроможності котка і визначається за його технічною характеристикою.

Довжину ділянки приймають 100...300 м. Ущільнення повинно проводитись шарами від країв земляної споруди  до її середини. При ущільненні ґрунту кожна наступна смуга ущільнення повинна перекривати на 0,1...0,2 м попередню ущільнену смугу.

Від краю насипу котки проходять не ближче 0,5 м, що призводить до появи неущільненої зони вздовж укосу. Не ущільнений ґрунт зрізується і направляється в насип.

При ущільненні ґрунту машинами динамічної дії робочим органом ущільнюючих машин являються плити різних розмірів, ваги і форми, що скидаються на поверхню ґрунту з різної висоти. Явище удару плити по поверхні ґрунту протікає за короткий проміжок часу. За цей проміжок часу кінетична енергія падаючої плити передається частинкам ґрунту, викликаючи їх щільну укладку. Тому машинами динамічної дії можна ущільнювати ґрунти на більшу глибину, ніж котками.

Найпростішим обладнанням машин динамічної дії є кран з трамбуючою плитою. Плити є металічними або залізобетонними, круглої або квадратної форми. Багаторазове скидання плит на одне місце призводить до глибокого локального ущільнення ґрунту, після чого поворотом платформи на невеликий кут плита переноситься на нову позицію. Після закінчення ущільнення однієї смуги екскаватор переміщується на нову позицію. Крок дорівнює ширині плити мінус перекриття. Сила удару прямо пропорційна масі плити (G), висоті скидання (Н) і обернено пропорційна тривалості удару і глибині занурення плити за один удар (h). Технологія ущільнення ґрунту машинами динамічної дії приведена на рисунку 3.6.

Однак швидке скидання плити призводить до значних динамічних навантажень у вузлах крана (опорні ролики поворотного пристрою та гусеничного ходу) і це призводить до підвищеного зношування машини [5].

При зворотному засипанні котлованів поблизу фундаментів та інших підземних споруд в умовах недоступних для роботи ущільнюючих машин, ґрунт ущільнюють  за допомогою ручних пневматичних або електричних трамбівок.

Машини і механізми вібраційної дії передають ґрунту частий коливальний рух. В результаті порушуються зв’язки між частинками, що спонукає їх взаємному руху і більш щільній укладці.

Ефективність вібрації залежить від механічного складу ґрунту (краще різнорідний), вологості ґрунту, тривалості вібрації. Під дією вібрації значно змінюється коефіцієнт внутрішнього тертя (К_т) ґрунту. Так сухий пісок  до вібрації мав К_т=0,5, під час вібрації – К_т =0,07, після вібрації – К_т =0,85. Інтенсивність ущільнення підвищується зі збільшенням частоти коливань. В виробничих умовах використовують віброплити, віброущільнювачі поверхневі і глибинні, віброкотки.

Машини для ущільнення ґрунту вибирають з врахуванням лінійних розмірів, площі і форми поверхонь, що потребують ущільнення, обсягів і інтенсивності робіт, виду і властивостей ґрунтів, характеру дії ущільнюючих засобів на ґрунт і економічних показників.

Котки і ущільнюючі машини слід вибирати так, щоб напруга, що виникає в ґрунті не була руйнівною:

= (0,8...0,9) _руйн.                                        (3.7)

При використанні котків максимальний питомий тиск (МПа) на ґрунт неповинен перевищувати для мало зв’язних ґрунтів (легкі та середні супіски) 0,5…0,7МПа; для ґрунтів середньої зв’язності (важкі супіски та легких суглинки) 0,7...1,0; для ґрунтів високого степеню зв’язності (середні, важкі та пилуваті суглинки) 1,0...1,4; дуже зв’язні (важкі суглинки і глини) 1,4...1,8 [5]. У всіх випадках товщина шару ґрунту, яку необхідно ущільнювати, неповинна перевищувати максимальної ущільнюючої здатності машини за технічною характеристикою.

Продуктивність машин для ущільнення оцінюється в одиницях площі (м²/год) або в одиницях об’єму (м³/год):

-             для машин безперервної дії (котки, віброплити):

,                                    (3.8)

де   V - швидкість переміщення машини, м/год; В - ширина ущільненої смуги, м; с - ширина смуги перекриття, м; n - число проходів по одному сліду; к_в - коефіцієнт використання машини в часі;

-             для машин циклічної дії:

,                                             (3.9)

де   F - площа ударної поверхні плити, м²; m - число ударів за хвилину; к_пер - коефіцієнт перекриття, 0,8; n - число ударів необхідних для ущільнення, щоб досягнути проектної щільності.

Продуктивність в одиницях об’єму визначається за виразом

П_W = П_F Н_у,                                                                     (3.10)

де   Н_у – товщина шару ґрунту в ущільненому стані, м.Машини і механізми вібраційної дії передають ґрунту частий коливальний рух. В результаті порушуються зв’язки між частинками, що спонукає їх взаємному руху і більш щільній укладці.

Ефективність вібрації залежить від механічного складу ґрунту (краще різнорідний), вологості ґрунту, тривалості вібрації. Під дією вібрації значно змінюється коефіцієнт внутрішнього тертя (К_т) ґрунту. Так сухий пісок  до вібрації мав К_т=0,5, під час вібрації – К_т =0,07, після вібрації – К_т =0,85. Інтенсивність ущільнення підвищується зі збільшенням частоти коливань. В виробничих умовах використовують віброплити, віброущільнювачі поверхневі і глибинні, віброкотки.