માટીનું બંધારણ
માટીની રચના દ્વારા જમીનદળમાં ઘન અવસ્થાના ગોઠવણીનો અર્થ થાય છે. જેમ જાણીતું છે, માટી ઘન કણો અને પાણી, હવા અથવા જળવાષ્પથી ભરેલા રંધ્રોથી બનેલી હોય છે, સામાન્ય રીતે અંશતઃ હવા અને અંશતઃ પાણીથી. માટીમાં ઘન કણોની ગોઠવણી મુજબ તેની રચના નિર્ધારિત થાય છે. અસંયોજિત અને સંયોજિત માટીની રચનાઓ એકબીજા કરતાં મૂળભૂત રીતે જુદી પડે છે.
અસંયોજિત માટીની રચના
બંધનરહિત જમીનની રચના ગુરુત્વાકર્ષણના પ્રભાવ હેઠળ બને છે. આ જમીનના ઘન કણો મોટા હોય છે અને નીચે તરફ પડે છે, ગુરુત્વાકર્ષણના પ્રભાવથી જમા થાય છે, જ્યારે આવા કણો વચ્ચેના આંતરઅણુ આકર્ષણ બળ અસ્તિત્વમાં નથી અથવા તુચ્છ છે અને ગુરુત્વાકર્ષણ દ્વારા પરાજિત થાય છે. તેથી બંધનરહિત જમીનમાં ઘન કણો એકબીજાની બાજુમાં ગોઠવાય છે, ગોઠવાયેલા કણો વચ્ચેની ખાલી જગ્યા ભરી લે છે (આંક. 1_a_). જો બંધનરહિત જમીનના કણો લગભગ ગોળાકાર અને સમાન કદના હોય, જેમ કે સમાન સંયોજનવાળી રેતીમાં હોઈ શકે, તો રચના સૌથી ઘન (આંક. 1_b_) અથવા સૌથી ઢીલી (આંક. 1_c_) હોઈ શકે છે, જે જમીનમાં ઘન કણોની ગોઠવણી પર આધાર રાખે છે. સૌથી ઘન રચના બંધનરહિત જમીનની સર્વોચ્ચ સંકોચનીયતાને દર્શાવે છે અને તેની રંધ્રિયતા nmin=26% છે. સૌથી ઢીલી રચના બંધનરહિત જમીનની લઘુત્તમ સંભવિત સંકોચનીયતાને દર્શાવે છે અને તેની રંધ્રિયતા nmax=48% છે. ઉદાહરણ તરીકે, ડ્યૂનનો ઢીલો રેત n=47% ધરાવે છે.
આકૃતિ 1 અબંધિત માટીની રચના
જો અસંયોજિત માટીમાં કણોના કદ જુદા હોય, જેથી નાનાં કણો મોટા કણો વચ્ચેની ખાલી જગ્યાઓ ભરી દે છે (આકૃતિ 2), તો માટીની રંધ્રતા ઘણી ઓછી હોય છે (n=20% અને તેથી પણ ઓછી).
આંક. 2. વિવિધ દાણાદારતા ધરાવતી બંધનરહિત જમીનની રચના
બંધાયેલ જમીનની રચના
બંધિત માટીમાં રચના અબંધિત માટી કરતાં અલગ હોય છે. બંધિત માટીમાં સંયોજન બળો ઉપસ્થિત થાય છે, જે નાનાં કણોના ગુરુત્વાકર્ષણ બળ કરતાં વધારે મજબૂત હોય છે અને તેમને સ્પર્શ સપાટીઓ પર ચોંટાડી દે છે. તેથી આ કણો ક્રમશઃ નીચે પડતાં નથી, પરંતુ એકબીજા પર અને એકબીજાની બાજુમાં ચોંટેલા રહે છે (ચિત્ર 3_a_), આ રીતે સાંકળ જેવી જાળીયા રચના (ચિત્ર 3_b_), પરિપૂર્ણ જેવી (ચિત્ર 3_c_) વગેરે રચનાઓ બને છે, જેને ઉચ્ચ ક્રમની રચનાઓ કહેવામાં આવે છે. આવી રચનાઓમાં ઊંચી રંધ્રતા હોય છે, જે 60-80% કુલ દળ સુધી જઈ શકે છે, જે અબંધિત માટીમાં શક્ય નથી.
Sl. 3. બંધાયેલ માટીની રચના
છિદ્રતા અને છિદ્રતા ગુણાંક
માટીનું રંધ્રિયત્વ માટીના કુલ આયતન સામે રંધ્રોના આયતનના ગુણોત્તર તરીકે વ્યાખ્યાયિત થાય છે (આકૃતિ 4).
આકૃતિ 4. માટીની છિદ્રતા અને છિદ્રતા ગુણાંક
જો આપણે ને તરીકે નિર્દેશ કરીએ
- Vp = માટીમાં રંધ્રોના આયતનનું
- Vm = ઘન કણોનું ઘનફળ
- V = જમીનની કુલ ઘનફળ,
વ્યાખ્યા મુજબ જમીનની રંધ્રતા n છે
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
અથવા જમીનની કુલ આયતનના % માં
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
જમીનની રંધ્રતા ગુણાંકને રંધ્રોના આયતન અને ઘન કણોના આયતનના અનુપાત તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે:
e = VP / Vm.
છિદ્રતા n માટેના સૂત્રમાંથી આપણે મેળવીએ છીએ:
nVP + nVm = VP, જ્યાંથી Vm = VP(1-n) / n.
આ મૂલ્યને e માટેના સ્વરૂપમાં મૂકી આપતાં આપણે મેળવીએ છીએ
e = n / (1-n).
આ સમીકરણમાંથી આપણે પ્રાપ્ત કરીએ છીએ
e - ne = n; n = e / (1 + e).
છિદ્રાળુતા ગુણાંક માટીની ઘનતા દર્શાવે છે. જો ગુણાંક e વધારે હોય, તો માટીની ઘનતા ઓછી હોય છે અને ઉલટું પણ એ જ. જો કોઈ સંકોચનશીલ માટી ભાર હેઠળ બેસી જાય, તો છિદ્રાળુતા ગુણાંકના બેસવા પહેલાં અને પછીના મૂલ્યોથી બેસાણનું કદ Δ_h_ નક્કી કરી શકાય છે.
આપણે જાડાઈ h ધરાવતા સંકોચનીય માટીના સ્તરને જોઈએ (આકૃતિ 5_a_). જો આ સ્તર પર ભાર મૂકવામાં આવે, તો તે Δ_h જેટલું બેસી જશે, જેથી ભારના કારણે તેની જાડાઈ h1 સુધી ઘટશે. તેથી
Δ_h_ = h – h1.
કારણ કે સંકોચનક્ષમ માટીનું બેસવું રંધ્રોના ખર્ચે થાય છે, કારણ કે ઘન કણો વ્યવહારમાં અસંકોચનીય છે, અને જો માટીના રંધ્રો અંશતઃ અથવા સંપૂર્ણપણે તેનાથી ભરાયેલા હોય તો પાણી પણ, તેથી આ બેસવાનું રૂપરેખાત્મક રીતે આકૃતિ 5_b_માં દર્શાવી શકાય છે.
ચિત્ર 5. ભાર હેઠળ h જાડાઈની દબાવી શકાય તેવી માટીના સ્તરના બેસાણ Δh
જો આપણે h0 વડે ઘન કણોના છિદ્રરહિત સ્તરની કલ્પિત ઊંચાઈ, જેને ઘટાવેલી ઊંચાઈ કહે છે, દર્શાવીએ, તો સેટલમેન્ટ Δ_h_ ને ઘટાવેલી ઊંચાઈ _h0_ની દૃષ્ટિએ નીચેના સંબંધથી વ્યક્ત કરી શકાય છે:
જો આપણે જમીનની એવી સ્તર પર વિચારીએ જેની પહોળાઈ અને લંબાઈ એકમ જેટલી હોય, તો h, h1 અને h0 ઊંચાઈઓ આયતનો દર્શાવે છે, અને તેથી
જ્યાં e પહેલાંની છિદ્રિયતા ગુણાંક છે, અને e1 બેસી જવાના પછીની. ઉપરના પરથી બેસી જવું મળે છે
Δ_h_ = h0 (e-e1).
બેસાણને સ્તરની ઊંચાઈ h ની સરખામણીમાં વ્યક્ત કરી શકાય છે, જો આપણે ઘટાવેલી ઊંચાઈ h0 નું મૂલ્ય બદલી દઈએ:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
કારણ કે n = VP / V = VP / h_,_ જ્યાંથી VP = nh.
આથી મેળવાય છે
માટીના જુદા-જુદા પ્રકારોમાં રંધ્રતા n અને રંધ્રતા ગુણાંક e ના નીચેના સરેરાશ મૂલ્યો હોય છે:
માટીની ભેજ
માટીમાં પાણીના પ્રકારો
જમીનમાંનું પાણી ઘન કણો વચ્ચેના રંધ્રોમાં રહેલ પાણી તરીકે દેખાય છે, જેને કહેવાતું રંધ્રજળ, ત્યારબાદ ઘન કણો પર શોષિત પાણી તરીકે અને રચનાત્મક પાણી તરીકે.
_છિદ્રજળ_માં _મુક્ત જળ_નો સમાવેશ થાય છે, જે કઠોર કણો વચ્ચે હોય છે અને તેનું ગતિમાન ડાર્સીના નિયમ મુજબ થાય છે; ત્યારબાદ ગુરુત્વાકર્ષણ જળ, જે ગુરુત્વાકર્ષણના પ્રભાવ હેઠળ ઉપરથી નીચે તમામ દિશાઓમાં ચાલે છે, પરંતુ તેનું ગતિમાન ડાર્સીના નિયમ મુજબ થતું નથી; કૅપિલરી જળ, જે કૅપિલરી બળોના પ્રભાવ હેઠળ ગતિ કરે છે; અને પૃષ્ઠ તણાવનું જળ, જે માટીના કઠોર કણોના વચ્ચેના ખૂણાઓમાં પૃષ્ઠ તણાવથી બંધાયેલું રહે છે અને તેને કોણીય છિદ્રજળ પણ કહે છે. આ બધું જળ માટીને 110oC તાપમાને સૂકવવાથી સંપૂર્ણપણે દૂર કરી શકાય છે.
શોષિત પાણી તે છે જે ઘન કણોને આવરે છે અને જેના સાથે તે અણુબળોથી જોડાયેલું હોય છે. આ所谓 જલપટ, જેની જાડાઈ 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, મિલિમાઇક્રોન) સુધી રહે છે. મોટા કણોમાં શોષિત પાણીનો પ્રભાવ અપ્રમુખ હોય છે, પરંતુ કણો જેટલા સૂક્ષ્મ હોય તેટલો તેનો પ્રભાવ વધુ હોય છે, કારણ કે કણોની કુલ સપાટી વધે છે અને તે સાથે જમીનની એકમ આયતનમાં શોષિત પાણી અને ઘન કણો વચ્ચેનો અનુપાત પણ વધે છે. આ પાણી માત્ર આંશિક રીતે જ 110oC પર સુકવીને દૂર કરી શકાય છે.
રચનાત્મક પાણી તે છે જે જમીનની ઘન કણોના ખનિજ સ્ફટિકોમાં રાસાયણિક રીતે જોડાયેલું હોય છે. આ પાણી ખૂબ જ ઓછી માત્રામાં હોય છે અને તેને જમીન સુકવીને દૂર કરી શકાતું નથી. તેથી આ પાણીને ઘન કણનો અભિન્ન ભાગ ગણવામાં આવી શકે છે.
માટીમાં પાણીની માત્રા
વ્યાખ્યા મુજબ માટીમાં પાણીની માત્રા અથવા માટીનો ભેજ એ માટીમાં રહેલા પાણીના વજન અને તેના ઘન ઘટકોના વજનનો અનુપાત છે. માટીમાં પાણીની માત્રા અનુસાર ત્રણ સ્થિતિઓ અલગ કરવામાં આવે છે: સંપૂર્ણપણે પાણીથી સંતૃપ્ત માટી, આંશિક રીતે પાણીથી સંતૃપ્ત માટી અને સંપૂર્ણપણે સૂકી માટી.
પાણીથી સંપૂર્ણપણે સંતૃપ્ત માટી
જો આપણે n ને જમીનની રંધ્રતા, γs ને તમામ કણોનું ઘનફળ-વજન, અને γw ને પાણીનું ઘનફળ-વજન તરીકે દર્શાવીએ, તો સંતૃપ્ત જમીનની ભેજ wZ નીચેની સમીકરણ દ્વારા વ્યક્ત કરી શકાય છે
માટી આંશિક રીતે પાણીથી સંતૃપ્ત
જો આપણે Ww ને માટીમાં રહેલા પાણીના વજન તરીકે, અને Wd ને ઘન કણોના વજન તરીકે અથવા સૂકી માટીના વજન તરીકે નિર્દેશિત કરીએ, તો માટીની ભેજ w
w = Ww / Wd , એટલે કે માટીના શુષ્ક વજનની ટકાવારીમાં: w = 100 Ww / Wd.
આ સ્થિતિમાં માટીનો ભેજ ભેજના સ્તર Sr દ્વારા વ્યક્ત કરી શકાય છે, જે માટીમાં રહેલા પાણીના વાસ્તવિક વજન અને એ જ માટીમાં રહેલા પાણીના તે વજનનો અનુપાત દર્શાવે છે, જે ત્યારે હોત જો બધી રંધ્રો પાણીથી ભરેલી હોત, એટલે કે સંતૃપ્ત માટીના પાણીના વજન મુજબ:
અથવા, _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e માટે.
ભેજની ડિગ્રી માટેની સીમા મૂલ્યો છે:
- સંપૂર્ણ રીતે શુષ્ક માટી માટે w = 0; Sr = 0
- સંપૂર્ણ સંતૃપ્ત માટી માટે w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
આકૃતિ 6. પાણીથી આંશિક રીતે સંતૃપ્ત માટીનો નમૂનો
સંતૃપ્તિનું પ્રમાણ (જેને ક્યારેક સંતૃપ્તતા અથવા ભેજનું પ્રમાણ પણ કહેવામાં આવે છે) પાણીથી ભરાયેલા રંધ્રોના આયતન અને કુલ રંધ્રઆયતનના અનુપાત રૂપે પણ વ્યક્ત થાય છે (ચિત્ર 6):
Sr = V2 / V1
જ્યાં V2 એ પાણીથી ભરાયેલા રંધ્રોનું આયતન છે, V1 પાણી, હવા અને વાયુઓથી ભરાયેલા રંધ્રોનું કુલ આયતન છે. જો w એ સૂકી જમીનના વજન Wd ના % માં જમીનની ભેજ હોય, તો આપણે મેળવીએ છીએ
V2 * γW = w Wd, તેથી V2 = w Wd / γw.
બીજી તરફ, لدينا છે કે V1 = V – Vd, અને કારણ કે Vd * γs = Wd, તેથી
Vd = Wd / γs અને V1 = V – Wd / γs.
અતેથે, માટીના સ્નિગ્ધતાનો દર Sr થશે
અથવા માટીની સૂકી વજનના ટકાવારીમાં
માટી સંપૂર્ણપણે સૂકી
આ સ્થિતિમાં w = 0 છે. બધી છિદ્રજલ દૂર થઈ ગઈ છે, જ્યારે શોષાયેલું પાણી ફક્ત આંશિક રીતે દૂર થયું છે, એટલે કે જળપટ્ટો હજી પણ હાજર છે, પરંતુ તેની જાડાઈ ઘટી ગઈ છે.