જમીન પર તુષારનો પ્રભાવ

ઠંડીના પ્રભાવથી જમીનના વિકારો

હિમના પ્રભાવ હેઠળ પ્રવાહરહિત મુક્ત પાણી 0°C પર જમે છે અને આ દરમિયાન તેની પરિમાણમાં 9% જેટલો વધારો થાય છે. પરંતુ સાંકડી કેપિલરી નળીઓમાંનું પાણી 0°C પર જમતું નથી, પરંતુ નીચા તાપમાને, જે -1°C થી -78°C સુધી રહે છે. આ છેલ્લું જમવાનું તાપમાન અમેરિકામાં પ્રયોગશાળાના પરીક્ષણોથી નિર્ધારિત કરવામાં આવ્યું છે. કેપિલરી નળી જેટલી સાંકડી, તેટલું જમવાનું તાપમાન ઓછું.

માટીમાં આવા રંધ્રો હોય છે જે પરસ્પર દરેક દિશામાં જોડાયેલા હોય છે અને કેપિલરી નળીઓ બનાવે છે. રેતમાં રંધ્રો મોટા હોય છે અને પહોળી કેપિલરી નળીઓ બનાવે છે, જેમાં પાણી 0°C અથવા થોડા નીચા તાપમાને જમવાનું શરૂ કરે છે. পানি સમરૂપ રીતે જમે છે, જેમાં રંધ્રોમાં બરફના સ્ફટિકો બને છે, તેમનું આયતન વધીને 9% થાય છે, પરંતુ તેથી માટીમાં કોઈ ખાસ વિકૃતિ થતી નથી. સૂક્ષ્મ દાણાવાળી માટીમાં રંધ્રો નાના હોય છે અને સાંકડી કેપિલરી નળીઓ બનાવે છે, જેમાં પાણી 0°C કરતાં નીચા તાપમાને જમે છે. જોકે સપાટી પરતામાં માટી હંમેશાં વધુ ઢીલી હોય છે, મોટા રંધ્રો સાથે, જેમાં પાણી 0°C પર જમે છે અને બરફના સ્ફટિકો બનાવે છે. આ સ્ફટિકો નીચી તાપમાનવાળી પાણીની નાની રંધ્રોમાંથી ભારે બળથી,所谓 સ્ફટિકીકરણ બળ વડે, પોતાની તરફ આકર્ષે છે. જ્યારે આ રીતે આકર્ષાયેલું પાણી બરફના સ્ફટિકો સાથે સંપર્કમાં આવે છે અને પોતે પણ જમે છે, ત્યારે બરફના સ્ફટિકોના આયતનમાં વધારો થાય છે, તેઓ બરફની લેન્સ બની જાય છે, જેમની જાડાઈ લગભગ 0,1 થી 10 mm સુધી હોઈ શકે છે. રચાયેલ બરફની લેન્સો હિમપ્રભાવ દરમિયાન માટીમાં નોંધપાત્ર વિકૃતિ ઉત્પન્ન કરે છે, જે અત્યંત પ્રતિકૂળ પરિસ્થિતિઓમાં 30 અને 50 cm સુધી પહોંચી શકે છે.

હિમના પ્રભાવથી થતી જમીનની વિકૃતિની ઉત્પત્તિ અને વ્યાપ મુખ્યત્વે નીચેના 3 પરિબળો પર આધારિત છે:

1. માટીની ગ્રેન્યુલોમેટ્રિક રચના

2. ભૂગર્ભ જળસ્તર

3. હિમનો સમયગાળો.

Ad 1) દાણા-આકારની રચનાના દૃષ્ટિકોણે, હિમનો સૌથી મોટો પ્રભાવ સૂક્ષ્મ દાણાવાળી જમીનમાં થાય છે, જેના રંધ્રો એટલા સૂક્ષ્મ હોય છે કે સાંકડી કેપિલરી નળીઓ બને, અને સાથે સાથે તેની પારગમ્યતા એટલી પૂરતી હોય કે હિમના પ્રભાવ દરમિયાન પાણીનો ઝડપી પરિભ્રમણ શક્ય બને. આવી જમીન હિમ માટે સૌથી સંવેદનશીલ હોય છે, બંને દૃષ્ટિએ: દેખાવાની ઝડપ અને વિકૃતિના પરિમાણની દૃષ્ટિએ. આ ધૂળિયાં જમીનો છે, જે મુખ્યત્વે 0,02-0,002 mm કદના કણોથી બનેલી હોય છે. >0,02 mm કદના કણોમાં કેપિલરી ઊંચાઈ ઓછી હોય છે, જ્યારે < 0,002 mm કદના કણોમાં કેપિલરી ઊંચાઈ ધીમી હોય છે, તેથી બંને સ્થિતિમાં હિમ ચાલે તેટલા સમય દરમિયાન હિમ-પ્રભાવ ઝોનમાં માત્ર નાનું પ્રમાણ જ પાણી પહોંચી શકે છે. જો માટીભરેલી જમીનમાં < 0,002 mm કદના 25%% કરતાં વધુ કણો હોય, તો જમીનની પારગમ્યતા બહુ ઓછી હોય છે અને રંધ્રોમાં પાણીનું પરિભ્રમણ એટલું ધીમું હોય છે કે તે બરફીલા સ્ફોટો ખેંચાઈ શકે તે પહેલાં જ રંધ્રોમાં જમવા લાગે છે.

Ad 2) માટીના દાણા-આકારના સંયોજન સંબંધિત શરતો ઉપરાંત, હિમજન્ય માટી વિકૃતિઓ થવા માટે એક વધુ શરત પૂર્ણ થવી આવશ્યક છે. તે છે હિમપ્રભાવ ઝોનમાં પાણી પહોંચાડવાની શક્યતા હોવી. જો આ શરત પૂર્ણ ન થાય, એટલે કે જો માટીના કેપિલરીઓનું સતત વહેતા પાણી સાથે જોડાણ ન હોય, જે હિમપ્રભાવ દરમિયાન તેમામાંથી સતત વહેતું રહે, તો હિમજન્ય વિકૃતિઓ થશે નહીં, ભલે માટીનું દાણા-આકારનું સંયોજન કેવું પણ હોય.

જો ભૂગર્ભજળનું સ્તર જેટલું ઊંચું હોય, તેટલી મરચાની અસરથી માટીમાં વિકૃતિ થવાની સંભાવના વધારે હોય છે. જો ભૂગર્ભજળનું સ્તર તે માટીમાં પાણીના કેપિલરી ચઢાણની ઊંચાઈ કરતાં વધુ ઊંડે હોય, તો મરચાની અસરથી થતી વિકૃતિઓ નગણ્ય હોય છે.

Ad 3) જો સતત ઠંડી રહેવાનો સમયગાળો લાંબો હોય, તો હિમજન્ય વિકૃતિઓ વધુ થાય છે, કારણ કે વધુ અને ઘણી બધી સોયચિકાઓ બને છે. તીવ્ર અને ટૂંકાગાળાની ઠંડી ઓછી વિકૃતિઓ પેદા કરે છે, કારણ કે એ સ્થિતિમાં છિદ્રોમાં રહેલું પાણી અચાનક જમાઈ જાય છે અને પાણીના કેપિલરી પ્રવાહમાં વિક્ષેપ આવે છે. તેના વિપરીત, મધ્યમ અને લાંબા ગાળાની ઠંડી બરફની સોયચિકાઓના અવરોધરહિત નિર્માણને કારણે વધારે વિકૃતિઓ પેદા કરે છે.

ડિબાર્કિંગની અસર

જમીન પીગળતી વખતે, સૌપ્રથમ સપાટીદાર માટીના ઉપરના ભાગમાં રહેલા બરફનાં લેન્સ પીગળી જાય છે, જ્યારે તરત નીચે જમ્મેલો અને તેથી અપ્રવેશ્ય સ્તર રહે છે. કારણ કે પીગળેલા બરફનાં લેન્સ ઘણું પાણી આપે છે, જે જમ્મેલા નીચલા સ્તરમાંથી નીચે જઈ શકતું નથી, તેથી સપાટીદાર સ્તરમાં વધેલું આ પાણી જમીનને અતિસંતૃપ્ત કરે છે અને તેને પ્રવાહી દળમાં ફેરવે છે, જેમાં કોઈ દૃઢતા હોતી નથી, પરંતુ દબાણ હેઠળ બાજુ તરફ ધકેલાઈ જાય છે. જમીન પીગળવાના પ્રભાવથી થતી વિકૃતિઓ નોંધપાત્ર અને કેટલાક કિસ્સાઓમાં જોખમી હોઈ શકે છે. આવી વિકૃતિઓ રેલવે લાઈનો અને રસ્તાઓમાં કટાણવાળા ભાગોમાં સામાન્ય છે, જ્યાં વસંતમાં પીગળેલા બરફનાં લેન્સના કારણે જમીન પાણીથી અતિસંતૃપ્ત થઈ ઢાળનો આંશિક સરકાવ થાય છે; તેમજ એવા રસ્તાઓ પર પણ, જ્યાં વાહનવ્યવહાર હેઠળ માર્ગપાત પાણીથી અતિસંતૃપ્ત થઈને તેની ભારવહન ક્ષમતા ગુમાવેલી જમીન પર વિકૃત થઈ જાય છે.

જમીન પર તુષારના પ્રભાવનું મૂલ્યાંકન કરવા માટેનો માપદંડ

વિવિધ પ્રકારની જમીન પર તુષારના પ્રભાવના અભ્યાસથી આ નિષ્કર્ષ પર પહોંચવામાં આવ્યું છે કે તુષારની દૃષ્ટિએ જમીનની બે શ્રેણીઓ અલગ પાડવી જોઈએ: સુરક્ષિત અને તુષાર-જોખમી.

મ્રુદાસુરક્ષિત માટી તે છે, જેમાં બરફના લેન્સો બનતા નથી, ભલે હિમપાતનો સમય કેટલો પણ લાંબો હોય. આ પ્રકારની માટીમાં માત્ર તેના રંધ્રોમાં રહેલું પાણી જમતું હોય છે અને બરફના સ્ફટિકો બને છે, હિમના પ્રભાવ હેઠળ ખૂબ ઓછી વિકૃતિ સાથે. આ સમૂહમાં કાંકર, રેતી અને સમાન માટી આવે છે.

હિમપ્રભાવથી જોખમ ધરાવતી જમીનો એવી જમીનો છે, જેમાં બરફના લેન્સ બને છે, જેના કારણે મોટા વિકૃતિઓ થઈ શકે છે. હિમના પ્રભાવ દરમિયાન સપાટીસ્તરમાં બરફના લેન્સ સ્વરૂપે એકત્રિત થયેલું પાણી પિગળાવવાની અસર પણ ઉત્પન્ન કરે છે. આ સમૂહમાં કેટલીક ગાદીયુક્ત-ક્લે પ્રકારની અને ખાસ કરીને ગાદીયુક્ત જમીનો આવે છે.

માટી હિમપ્રતિરોધક છે કે નહીં તેનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે અનેક માપદંડો છે, જેમાંથી આર્થર કાસાગ્રાન્ડે અને રુક્લિ ના માપદંડો સૌથી જાણીતા છે, જેમનું અહીં વર્ણન કરવામાં આવશે.

કાસાગ્રાન્ડનું A માપદંડ

આ માપદંડ જમીનની દાણાકીય રચના પર આધારિત છે અને આ પ્રમાણે છે:

a) સમાન દાણેદાર રચનાવાળી માટીમાં, જેમાં અસમાનતાનો દર U < 5 હોય, જો તેમાં 10% કરતાં નાના કદના 0,02 mm કરતાં વધુ કણો હોય, તો માટી તુષાર માટે સંવેદનશીલ ગણાય છે.

b) અસમાન રચનાવાળી માટીમાં, જેમાં અસમાનતાનો દર U > 15 હોય, જો તેમાં 3% કરતાં વધુ, 0,02 mmથી નાની કણો હોય તો માટી હિમથી જોખમી ગણાય છે.

જોકે આ માપદંડ લાંબા સમયથી લાગુ પડતો રહ્યો છે અને હંમેશાં વિશ્વસનીય પરિણામો આપતો રહ્યો છે, તેનું દોષ એ છે કે તે ફક્ત જમીનની દાણાદાર રચના પર આધારિત છે અને જમીનમાં હિમના પ્રભાવને અસર કરનારા અન્ય પરિબળોને ધ્યાનમાં લેતો નથી. તેથી આજકાલ માનવામાં આવે છે કે આ માપદંડ બહુ કડક અને અનર્થશાસ્ત્રીય છે.

રુક્લિયેવ માપદંડ

આ પદ્ધતિ મુજબ માટીને ઘન કણોની કઠોરતા અનુસાર બે અંશોમાં વહેંચવામાં આવે છે, એટલે કે મોટા દાણાવાળો અંશ, જેમાં વ્યાસ d > 2 mm હોય, અને સૂક્ષ્મ દાણાવાળો અંશ, જેમાં વ્યાસ d < 2 mm હોય. તુષાર સામે માટીની સ્થિરતાનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે સૂક્ષ્મ દાણાવાળા અંશની માત્રા અને મોટા દાણાવાળા અંશની માત્રા વચ્ચેનો સંબંધ નક્કી કરવામાં આવે છે, અને આ સંબંધ નીચલી તથા ઉપરની સીમા દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે (આંક. 1).

નીચલી સીમા એ સૂકી ભરાવટના વજનના પ્રમાણમાં વ્યાસ d < 0,02 mm ધરાવતાં ઘન કણોના મહત્તમ અનુમત્ય ટકા, એટલે કે 0-2 mm અંશ, દર્શાવે છે, જેમાં અનુકૂળ ન હોય તેવી પરિસ્થિતિઓ—જેમ કે ભૂગર્ભજળના સ્તરનું ઊંચું જળસ્તર, અપ્રિય હવામાન પરિસ્થિતિઓ (લાંબા ગાળાના તુશારપાત) અને જમીનની ઊંચી કુદરતી ભેજ—હોવા છતાં હિમથી વ્યવહારિક રીતે કોઈ નુકસાન થતું નથી.

ઉપરની સીમા એ સુકી વજનની દ્રષ્ટિએ સૂક્ષ્મ દાણાદાર અંશના d < 0,02 mm કણોના મહત્તમ અનુમોદિત ટકા દર્શાવે છે, જ્યાં અનુકૂળ પરિસ્થિતિઓમાં — જેમ કે નીચો ભૂગર્ભજળ સ્તર, અનુકૂળ હવામાનિક પરિસ્થિતિઓ (અલ્પકાળીન હિમ) અને માટીની ઓછી કુદરતી ભેજ — હિમને કારણે વ્યવહારિક રીતે કોઈ નુકસાન થતું નથી.

આકૃતિ 1 રુક્લીએના માપદંડ મુજબ જમીનની હિમ-જોખમની મૂલ્યાંકન માટેની નીચલી અને ઊંચી સીમા

માટીમાં તુષારના પ્રભાવથી સંરક્ષણ

માટીમાં હિમનું કાર્યકાળની ઊંડાઈ પ્રદેશની હવામાન પરિસ્થિતિઓ પર આધાર રાખે છે. આપણા દેશમાં તે મોટેભાગે 0,8 થી 1,0 m જમીનની સપાટી નીચે રહે છે. તેથી 1,0 m જેટલી કે તેથી વધુ ઊંડાઈએ આધારિત રચનાઓ પર હિમનો પ્રભાવ નહીં પડે.

ઓછી ઊંડાઈએ ફાઉન્ડ થયેલી રચનાઓ, જેમ કે માર્ગોના પેવમેન્ટ, તુષારના પ્રભાવને આધીન હોય છે, જે પેવમેન્ટમાં મોટાં વિકૃતિઓ અને નુકસાન પેદા કરી શકે છે, હિમસ્થિતિમાં તેમજ વિલય સમયે. તેથી રસ્તાઓના પેવમેન્ટ અને વિમાની અડ્ડાના ટેકઓફ-લેન્ડિંગ રનવે બનાવતી વખતે, તુષારના પ્રભાવ અંગે માટીની તપાસ કરવી જરૂરી છે અને જો આધારભૂત માટી તુષાર માટે જોખમી હોય, તો રક્ષણાત્મક પગલાં લેવા જોઈએ. રસ્તા અને વિમાની અડ્ડાના પેવમેન્ટ માટે સૌથી અસરકારક પગલું બફર સ્તર બનાવવાનું છે, જેની જાડાઈ એવી નક્કી કરવામાં આવે છે કે પેવમેન્ટ અને બફર સ્તરની કુલ જાડાઈ ભારે વાહનવ્યવહાર માટે 0,80 m થી લઈને હળવા વાહનવ્યવહાર માટે 0,60 m સુધી હોય. મોટાભાગે પેવમેન્ટની નીચે 0,30 m જાડાઈનો બફર સ્તર તુષારના પ્રભાવ સામે પૂરતું રક્ષણ આપે છે.

ટેમ્પોન સ્તર બનાવવા માટેની સામગ્રી સામાન્ય રીતે રેતી અથવા રેતિયાળી કંકર હોય છે, જે નીચેની શરતો પૂર્ણ કરવી જોઈએ:

પ્લાસ્ટિસિટી સૂચકાંક IP < 5

ફ્રેક્શન d ની સામગ્રી 0,02 mm કરતા 3% ઓછી

અસમરૂપતાનો દર U > 7.

20 cmની જાડાઈમાં રહેલી ઉપરની બફર સ્તર એકસમાન અને સૂક્ષ્મ દાણાવાળી રેતીની ન હોવી જોઈએ, કારણ કે તેમાં પૂરતી સંકોચનક્ષમતા નથી અને વહનક્ષમતા મર્યાદિત છે. આ ભાગમાં બફર સ્તર 30-70% કદના દાણા ધરાવતાં રેતીલા કંકરનું હોવું જોઈએ, જેનું દાણાકાર કદ 2-30 mm છે. 30 mm કરતા મોટા દાણાની ભલામણ કરવામાં આવતી નથી.

ઉંડાણમાં ઓછી પાયાવાળા ઘેરાબંધી દિવાલો પર પણ જમીનમાં ઠંડાનો પ્રભાવ પડે છે, જેના કારણે તે ઢળવા લાગે છે અને ઠંડાના પુનરાવર્તિત પ્રભાવ સાથે સમય જતાં તેમનો પલટી જવું અને ધરાશાયી થવું થાય છે. તેથી જો માટી પર ઠંડાનો ખતરો હોય તો આ દિવાલોને 1,0 m ઊંડાઈએ પાયો આપવો જોઈએ.