মাটির গঠন
মাটির গঠন বলতে মাটির ভরায় কঠিন পর্যায়ের বিন্যাসকে বোঝায়। যেমন জানা আছে, মাটি কঠিন কণা এবং পানি, বায়ু বা জলীয় বাষ্পে পূর্ণ রন্ধ্র নিয়ে গঠিত, সাধারণত আংশিক বায়ু ও আংশিক পানি। মাটিতে কঠিন কণার বিন্যাসের ভিত্তিতে তার গঠন নির্ধারিত হয়। অবন্ধনযুক্ত এবং বন্ধনযুক্ত মাটির গঠন পরস্পর থেকে উল্লেখযোগ্যভাবে আলাদা।
অবন্ধনযুক্ত মাটির গঠন
মাধ্যাকর্ষণের প্রভাবে বন্ধনহীন মাটির গঠন তৈরি হয়। এই মাটির কঠিন কণাগুলো বড় এবং নীচের দিকে পড়ে, মাধ্যাকর্ষণের প্রভাবে সঞ্চিত হয়, আর এ ধরনের কণার মধ্যে আন্তঃআণবিক আকর্ষণ বল থাকে না বা খুবই নগণ্য এবং মাধ্যাকর্ষণ দ্বারা পরাভূত হয়। ফলে বন্ধনহীন মাটিতে কঠিন কণাগুলো একে অপরের পাশে বসে, সজ্জিত কণার মাঝের ফাঁকা স্থান দখল করে (চিত্র 1_a_)। যদি বন্ধনহীন মাটির কণাগুলো প্রায় গোলাকার এবং একই আকারের হয়, যেমন সমজাতীয় বালির ক্ষেত্রে হতে পারে, তবে গঠন সবচেয়ে ঘন (চিত্র 1_b_) বা সবচেয়ে বিরল (চিত্র 1_c_) হতে পারে, যা মাটির কঠিন কণার বিন্যাসের ওপর নির্ভর করে। সবচেয়ে ঘন গঠন বন্ধনহীন মাটির সর্বাধিক সঙ্কোচনযোগ্যতার সঙ্গে সঙ্গতিপূর্ণ এবং এর ছিদ্রমাত্রা nmin=26%। সবচেয়ে বিরল গঠন বন্ধনহীন মাটির সর্বনিম্ন সম্ভাব্য সঙ্কোচনযোগ্যতার সঙ্গে সঙ্গতিপূর্ণ এবং এর ছিদ্রমাত্রা nmax=48%। উদাহরণস্বরূপ, ঢিলেঢালা বালিয়াড়ির বালির n=47%।
চিত্র 1 অবন্ধ মাটির গঠন
যদি অগাঁথা মাটির দানার আকার ভিন্ন ভিন্ন হয়, যাতে সূক্ষ্ম কণাগুলো মোটা কণার মাঝের ফাঁক পূরণ করে (চিত্র 2), তাহলে মাটির ছিদ্রতা উল্লেখযোগ্যভাবে কমে যায় (n=20% এবং আরও কম)।
চিত্র 2. বিভিন্ন দানার আকারের বন্ধনহীন মাটির গঠন
সংযুক্ত মাটির গঠন
সংহত মাটিতে কাঠামোটি অসংহত মাটির তুলনায় ভিন্ন। সংহত মাটিতে সংযোজনবল দেখা দেয়, যা ক্ষুদ্র কণার মাধ্যাকর্ষণ বলের চেয়ে শক্তিশালী এবং স্পর্শের পৃষ্ঠে সেগুলোকে জুড়ে রাখে। এ কারণে এই কণাগুলো ধারাবাহিকভাবে নিচে পড়ে না, বরং একে অপরের উপর ও পাশে লেগে থাকে (চিত্র 3_a_), ফলে শৃঙ্খলাকার জালসদৃশ কাঠামো (চিত্র 3_b_), ফ্লোকুলেন্ট (চিত্র 3_c_) ইত্যাদি তৈরি হয়, যেগুলোকে উচ্চতর ক্রমের কাঠামো বলা হয়। এ ধরনের কাঠামোর রন্ধ্রতা অনেক বেশি, যা মোট ভরের 60-80% পর্যন্ত হতে পারে, যা অসংহত মাটিতে সম্ভব নয়।
চিত্র 3. বন্ধনযুক্ত মাটির গঠন
ছিদ্রতা ও ছিদ্রতার সহগ
মাটির রন্ধ্রতা নির্ধারিত হয় মাটির মোট আয়তনের তুলনায় রন্ধ্রের আয়তনের অনুপাত দ্বারা (চিত্র 4).
চিত্র 4. মাটির ছিদ্রতা এবং ছিদ্রতার সহগ
যদি আমরা দ্বারা নির্দেশ করি
- Vp = মাটিতে রন্ধ্রজলের আয়তন
- Vm = কঠিন কণার আয়তন
- V = মাটির মোট আয়তন,
সংজ্ঞা অনুযায়ী মাটির রন্ধ্রতা n হলো
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
অর্থাৎ মাটির মোট আয়তনের % হিসেবে
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
মাটির ছিদ্রত্ব সহগ নির্ধারিত হয় ছিদ্রের আয়তন ও কঠিন কণার আয়তনের অনুপাত দ্বারা:
e = VP / Vm.
ছিদ্রতা n-এর সূত্র থেকে পাই:
nVP + nVm = VP, সেখান থেকে Vm = VP(1-n) / n.
এই মানটি e–এর সূত্রে স্থাপন করলে আমরা পাই
e = n / (1-n).
এই সমীকরণ থেকে আমরা পাই
e - ne = n; n = e / (1 + e).
পোরোসিটির সহগ মাটির ঘনত্ব নির্দেশ করে। সহগ e যত বেশি, মাটির ঘনত্ব তত কম এবং উল্টোও সত্য। যদি কোনো সংকোচনশীল মাটি লোডের অধীনে বসে যায়, তবে বসে যাওয়ার আগে ও পরে পোরোসিটি সহগের সাহায্যে বসে যাওয়ার পরিমাণ Δ_h_ নির্ধারণ করা যায়।
ধরি, h পুরুত্বের একটি সংকোচনযোগ্য মাটির স্তর (চিত্র 5_a_) পর্যবেক্ষণ করা হচ্ছে। যদি এই স্তরের উপর লোড প্রয়োগ করা হয়, তবে এটি Δ_h_ পরিমাণ বসে যাবে, ফলে লোডের কারণে এর পুরুত্ব h1 হয়ে কমে যাবে। অতএব
Δ_h_ = h – h1.
যেহেতু সংকোচনশীল মাটির বসতি রন্ধ্রের ওপর নির্ভর করে ঘটে, কারণ কঠিন কণাগুলি কার্যত অসংকোচনীয়, এবং জলও, যদি মাটির রন্ধ্রগুলো আংশিক বা সম্পূর্ণভাবে তাতে পূর্ণ থাকে, তবে এই বসতিকে রূপরেখায় চিত্র 5_b_-এ দেখানো যায়।
চিত্র 5। লোডের অধীনে h পুরুত্বের সংকোচনযোগ্য মাটিস্তরের বসে যাওয়া Δh
যদি আমরা h0 দ্বারা ছিদ্রবিহীন কঠিন কণার স্তরের কল্পিত উচ্চতা, যাকে হ্রাসকৃত উচ্চতা বলা হয়, নির্দেশ করি, তবে তখন h0 হ্রাসকৃত উচ্চতার তুলনায় বসে যাওয়া Δ_h_ নিম্নলিখিত সম্পর্ক দ্বারা প্রকাশ করা যায়:
যদি আমরা মাটির এমন একটি স্তর বিবেচনা করি যার প্রস্থ ও দৈর্ঘ্য এককের সমান, তবে h, h1 এবং h0 উচ্চতাগুলি আয়তনকে প্রতিনিধিত্ব করে, এবং তাই
যেখানে e হলো স্লাজমেন্টের আগে ছিদ্রতার সহগ, e1 স্লাজমেন্টের পরে। উপরোক্ত থেকে স্লাজমেন্ট পাওয়া যায়
Δ_h_ = h0 (e-e1).
বসতি h স্তরের উচ্চতার সঙ্গে সম্পর্কিতভাবে প্রকাশ করা যায়, যদি আমরা হ্রাসকৃত উচ্চতা h0-এর মান প্রতিস্থাপন করি:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
কারণ n = VP / V = VP / h_, তাই VP = nh.
এভাবে পাওয়া যায়
মাটির বিভিন্ন প্রকারের গড় ছিদ্রতা n এবং ছিদ্রতা সহগ e-এর নিম্নলিখিত মান থাকে:
মাটির আর্দ্রতা
মাটির পানির প্রকারভেদ
মাটির পানি দেখা যায় কঠিন কণার মাঝের রন্ধ্রে থাকা পানি হিসেবে, তথাকথিত রন্ধ্রজল, পরে কঠিন কণার ওপর শোষিত পানি হিসেবে এবং গঠনগত পানি হিসেবে।
ছিদ্রজল গঠিত হয় মুক্ত জল থেকে, যা কঠিন কণার মাঝখানে থাকে এবং যার চলাচল Darcy-এর সূত্র অনুযায়ী ঘটে; এরপর থাকে মাধ্যাকর্ষণীয় জল, যা মাধ্যাকর্ষণের প্রভাবে উপর থেকে নিচে সব দিকে চলে, তবে এর চলাচল Darcy-এর সূত্র অনুযায়ী হয় না; কৈশিক জল, যা কৈশিক বলের প্রভাবে চলে; এবং পৃষ্ঠ টান-এর জল, যা মাটির কঠিন কণার মধ্যবর্তী কোণগুলোতে পৃষ্ঠটানের কারণে ধরে থাকে এবং এটিকে কোণিক ছিদ্রজল নামেও ডাকা হয়। এই সমস্ত জল 110oC তাপমাত্রায় মাটি শুকিয়ে সম্পূর্ণভাবে অপসারণ করা যায়।
শোষিত পানি হলো সেই পানি, যা কঠিন কণাগুলিকে আবৃত করে এবং যার সঙ্গে তা আণবিক বল দ্বারা আবদ্ধ থাকে। এটিই তথাকথিত জলীয় পর্দা, যার পুরুত্ব 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, মিলিমাইক্রন) পর্যন্ত হয়। বৃহৎ কণার ক্ষেত্রে শোষিত পানির প্রভাব খুবই সামান্য; তবে কণাগুলি যত সূক্ষ্ম হয়, এর প্রভাব তত বাড়ে, কারণ কণার মোট পৃষ্ঠতল বৃদ্ধি পায় এবং সেই সঙ্গে মাটির একক আয়তনে কঠিন কণার তুলনায় শোষিত পানির অনুপাতও বৃদ্ধি পায়। এই পানি কেবল 110oC তাপমাত্রায় শুকিয়ে আংশিকভাবে অপসারণ করা যায়।
গঠনগত পানি হলো সেই পানি, যা কঠিন মাটিকণার খনিজ স্ফটিকের সঙ্গে রাসায়নিকভাবে যুক্ত থাকে। এ ধরনের পানির পরিমাণ খুবই কম এবং মাটি শুকিয়ে এটি অপসারণ করা যায় না। তাই এই পানিকে কঠিন কণার অবিচ্ছেদ্য অংশ হিসেবে ধরা যায়।
মাটিতে পানির পরিমাণ
সংজ্ঞা অনুযায়ী, মাটিতে পানির পরিমাণ বা মাটির আর্দ্রতা হলো মাটিতে থাকা পানির ওজন ও তার কঠিন উপাদানগুলোর ওজনের অনুপাত। মাটিতে পানির পরিমাণ অনুযায়ী তিনটি অবস্থা আলাদা করা হয়: সম্পূর্ণ পানিসন্তৃপ্ত মাটি, আংশিক পানিসন্তৃপ্ত মাটি এবং সম্পূর্ণ শুষ্ক মাটি।
সম্পূর্ণরূপে পানি দ্বারা সম্পৃক্ত মাটি
যদি আমরা n দিয়ে মাটির ছিদ্রতা, γs দিয়ে সব কণার আয়তন-ওজন, γw দিয়ে পানির আয়তন-ওজন নির্দেশ করি, তবে সম্পৃক্ত মাটির আর্দ্রতা wZ নিম্নের সমীকরণ দ্বারা প্রকাশ করা যায়
মাটি আংশিকভাবে জলে সম্পৃক্ত
যদি আমরা Ww দ্বারা মাটিতে থাকা পানির ওজন এবং Wd দ্বারা কঠিন কণাগুলির ওজন অর্থাৎ মাটির শুষ্ক ওজন বোঝাই, তবে মাটির আর্দ্রতা w
w = Ww / Wd , অর্থাৎ মাটির শুষ্ক ওজনের শতাংশে: w = 100 Ww / Wd.
এই ক্ষেত্রে মাটির আর্দ্রতা আর্দ্রতার মাত্রা Sr দিয়ে প্রকাশ করা যায়, যা মাটিতে প্রকৃত পানির ওজন ও একই মাটিতে থাকা পানির সেই ওজনের অনুপাত, যা সব রন্ধ্র জল দিয়ে পূর্ণ থাকলে হতো, অর্থাৎ পানিসন্তৃপ্ত মাটির পানির ওজনের অনুপাত:
অর্থাৎ, γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
আর্দ্রতার মাত্রার সীমামূলক মানগুলো হলো:
- সম্পূর্ণ শুষ্ক মাটির জন্য w = 0; Sr = 0
- সম্পূর্ণ সম্পৃক্ত মাটির জন্য w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
চিত্র 6. আংশিকভাবে জলসন্তৃপ্ত মাটির নমুনা
সম্পৃক্ততার মাত্রা (যাকে কখনও কখনও সম্পৃক্ততা বা আর্দ্রতার মাত্রাও বলা হয়) আরও প্রকাশ করা যায় পানিপূর্ণ রন্ধ্রের আয়তন ও মোট রন্ধ্র আয়তনের অনুপাত হিসেবে (চিত্র 6):
Sr = V2 / V1
যেখানে V2 হলো জলভর্তি রন্ধ্রের আয়তন, V1 হলো জল, বায়ু ও গ্যাসভর্তি রন্ধ্রের মোট আয়তন। যদি w হয় শুষ্ক মাটির ওজনের শতাংশ হিসেবে মাটির আর্দ্রতা Wd, তবে আমাদের আছে
V2 * γW = w Wd, সেখান থেকে V2 = w Wd / γw.
অন্যদিকে, আমাদের আছে যে V1 = V – Vd, এবং যেহেতু Vd * γs = Wd, সেহেতু
Vd = Wd / γs এবং V1 = V – Wd / γs.
অতএব, মাটির স্যাচুরেশনের মাত্রা Sr হবে
অথবা মাটির শুষ্ক ওজনের শতাংশ হিসেবে
মাটি সম্পূর্ণ শুকনো
এই ক্ষেত্রে w = 0। সমস্ত রন্ধ্রজল অপসারিত হয়েছে, তবে শোষিত জল কেবল আংশিকভাবে অপসারিত হয়েছে, অর্থাৎ জলীয় পরত এখনো বিদ্যমান, কিন্তু তার পুরুত্ব কমে গেছে।