मिट्टी पर पाले का प्रभाव

पाले के प्रभाव से उत्पन्न मिट्टी की विकृतियाँ

पाला पड़ने पर बिना प्रवाह वाला मुक्त जल 0°C पर जम जाता है और इस दौरान अपने आयतन के 9% से फैलता है। लेकिन संकीर्ण केशिका नलिकाओं में जल 0°C पर नहीं जमता, बल्कि इससे कम तापमानों पर जमता है, जो -1°C से -78°C तक होते हैं। यह अंतिम हिमांक अमेरिका में प्रयोगशाला परीक्षणों द्वारा निर्धारित किया गया था। केशिका नली जितनी संकरी होगी, हिमांक उतना ही कम होगा।

मृदा में ऐसे रंध्र होते हैं जो सभी दिशाओं में आपस में जुड़े रहते हैं और केशिकीय नलिकाएँ बनाते हैं। रेत में रंध्र बड़े होते हैं और चौड़ी केशिकीय नलिकाएँ बनाते हैं, जिनमें जल 0°C पर या उससे थोड़े कम तापमान पर जमता है। जल समान रूप से जमता है, जिससे रंध्रों में बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं, जिनके आयतन में 9% की वृद्धि मृदा में कोई विशेष विकृति उत्पन्न नहीं करती। सूक्ष्म दानेदार संरचना वाली मृदा में रंध्र छोटे होते हैं और संकरी केशिकीय नलिकाएँ बनाते हैं, जिनमें जल 0°C से कम तापमान पर जमता है। हालांकि सतही परत में मृदा हमेशा अधिक ढीली होती है और उसमें बड़े रंध्र होते हैं, जिनमें जल 0°C पर जमकर बर्फ के क्रिस्टल बनाता है। ये क्रिस्टल संकीर्ण रंध्रों से ठंडे हुए जल को बड़ी शक्ति से अपनी ओर आकर्षित करते हैं, जिसे स्फटिकीकरण बल कहते हैं। जब इस प्रकार खींचा गया जल बर्फ के क्रिस्टलों के संपर्क में आता है और स्वयं भी जम जाता है, तो बर्फ के क्रिस्टलों का आयतन बढ़ता है और वे बर्फ के लेंस बन जाते हैं, जिनकी मोटाई लगभग 0,1 से 10 mm तक हो सकती है। बने हुए बर्फीले लेंस पाले के प्रभाव के दौरान मृदा में उल्लेखनीय विकृति उत्पन्न करते हैं, जो विशेष रूप से प्रतिकूल परिस्थितियों में 30 और 50 cm तक जा सकती है।

पाले के प्रभाव से मिट्टी में विकृति की उत्पत्ति और परिमाण मुख्यतः निम्नलिखित 3 कारकों पर निर्भर करता है:

1. मिट्टी की कण-आकार संरचना

2. भूजल स्तर

3. पाले की अवधि।

Ad 1) कण-आकार संरचना के संदर्भ में, पाले का सबसे अधिक प्रभाव महीन-दानेदार मिट्टी में होता है, जिसके छिद्र इतने छोटे होते हैं कि संकरे केशिकीय नलिकाएँ बन जाएँ, और साथ ही उसकी पारगम्यता पर्याप्त बड़ी होती है, जो पाले के प्रभाव के दौरान पानी के तेज़ संचलन की अनुमति देती है। ऐसी मिट्टी पाले के प्रति, उत्पन्न होने की गति और विकृतियों की मात्रा—दोनों दृष्टियों से—सबसे अधिक संवेदनशील होती है। ये धूलयुक्त मिट्टियाँ होती हैं, जो मुख्यतः 0,02-0,002 mm आकार के कणों से बनी होती हैं। >0,02 mm आकार के कणों की केशिकीय चढ़ाई की ऊँचाई कम होती है, जबकि < 0,002 mm आकार के कणों की केशिकीय चढ़ाई धीमी होती है, इसलिए दोनों ही स्थितियों में पाले की अवधि के दौरान पाले-प्रभाव क्षेत्र में केवल थोड़ी मात्रा में पानी पहुँच पाती है। यदि चिकनी मिट्टी में < 0,002 mm आकार के कणों का 25% से अधिक अंश हो, तो मिट्टी की पारगम्यता बहुत कम होती है और छिद्रों में पानी का संचलन इतना धीमा होता है कि वह छिद्रों में ही पहले जम जाता है, इससे पहले कि बर्फ के लेंस उसे खींच सकें।

Ad 2) मृदा के कण-आकारिक संघटन के संबंध में शर्त के अलावा, पाले के प्रभाव से मृदा में विकृतियाँ उत्पन्न होने के लिए एक और शर्त पूरी होनी चाहिए। वह यह है कि पाले के प्रभाव वाले क्षेत्र में जल की आपूर्ति संभव हो। यदि यह शर्त पूरी न हो, अर्थात यदि मृदा की केशिकाएँ उस जल से जुड़ी न हों जो पाले के दौरान उनके माध्यम से निरंतर बहता रहेगा, तो पाले से विकृति नहीं होगी, चाहे मृदा का कण-आकारिक संघटन कैसा भी हो।

यदि भूजल स्तर जितना ऊँचा होगा, उतनी ही अधिक ठंढ के प्रभाव से मिट्टी में विकृति की संभावना होगी। यदि भूजल स्तर, दी गई मिट्टी में जल के केशिकीय चढ़ाव की ऊँचाई से अधिक गहराई पर है, तो ठंढ के प्रभाव से होने वाली विकृतियाँ नगण्य होती हैं।

Ad 3) यदि पाले की निरंतर अवधि अधिक लंबी हो, तो बड़े और अधिक संख्या में लेंस बनने के कारण पाले से होने वाले विरूपण भी अधिक होते हैं। तीव्र और अल्पकालिक पाला कम विरूपण उत्पन्न करता है, क्योंकि उस स्थिति में रंध्रों के जल का अचानक जमना होता है और जल के केशिकीय प्रवाह में रुकावट आ जाती है। इसके विपरीत, मध्यम और दीर्घकालिक पाला बर्फीले लेंसों के निर्बाध निर्माण के कारण अधिक विरूपण उत्पन्न करता है।

डीकोहाइड्रेशन का प्रभाव

पिघलने की प्रक्रिया के दौरान, सबसे पहले सतही मृदा की ऊपरी परत में मौजूद हिम-लेंस पिघलते हैं, जबकि उसके ठीक नीचे जमी हुई, और इसलिए अभेद्य परत बनी रहती है। चूँकि पिघले हुए हिम-लेंस बहुत अधिक पानी देते हैं, जो जमी हुई निचली परत से होकर नीचे नहीं जा सकता, इसलिए सतही परत में यह बढ़ी हुई जल-राशि मिट्टी को जलसंतृप्त कर देती है और उसे एक तरल द्रव्यमान में बदल देती है, जिसमें कोई दृढ़ता नहीं होती, बल्कि दाब पड़ने पर वह पार्श्व दिशा में बाहर निकलता है। पिघलने के प्रभाव से मिट्टी की विकृतियाँ काफ़ी हो सकती हैं और कुछ मामलों में खतरनाक भी। ये विकृतियाँ रेल लाइनों और सड़कों की कटिंगों में आम हैं, जहाँ वसंत में पिघले हुए हिम-लेंसों से मिट्टी के जलसंतृप्त होने के कारण ढलानों का आंशिक खिसकना होता है, साथ ही उन सड़कों पर भी, जिनके मार्ग यातायात के प्रभाव से उस मिट्टी पर विकृत हो जाते हैं, जिसने जलसंतृप्ति के कारण अपनी वहन क्षमता खो दी है।

मृदा पर पाले के प्रभाव का आकलन करने का मानदंड

विभिन्न प्रकार की मिट्टी पर पाले के प्रभाव के अध्ययन से यह निष्कर्ष निकला कि पाले के प्रति व्यवहार के संदर्भ में मिट्टी के दो प्रकार अलग करने चाहिए: सुरक्षित और पाले के लिए ख़तरनाक।

वे मृदाएँ जो पाले के प्रति सुरक्षित हैं वे हैं जिनमें बर्फीले लेंस नहीं बनते, चाहे पाले की अवधि कितनी भी लंबी क्यों न हो। इस प्रकार की मिट्टी में केवल उनके रंध्रों में जल का जमना और बर्फ के क्रिस्टलों का बनना होता है, तथा पाले के प्रभाव में बहुत कम विकृतियाँ होती हैं। इस समूह में बजरी, रेत और इसी प्रकार की मृदाएँ आती हैं।

पाला-जोखिमयुक्त मिट्टियाँ वे होती हैं, जिनमें बर्फीले लेंस बनते हैं, जिसके कारण अधिक विकृतियाँ उत्पन्न हो सकती हैं। पाले के प्रभाव के दौरान सतही परत में बर्फीले लेंसों के रूप में संचित जल से पिघलाव (डी-फ्रॉस्टिंग) प्रभाव भी उत्पन्न होता है। इस समूह में कुछ सिल्टयुक्त-मृत्तिका मिट्टियाँ और विशेष रूप से सिल्टयुक्त मिट्टियाँ शामिल हैं।

पाले के प्रति मृदा की स्थायित्व-क्षमता के मूल्यांकन के लिए कई मानदंड हैं, जिनमें आर्थर कासाग्रांडे और रुक्लिया के मानदंड सबसे प्रसिद्ध हैं, जिनका वर्णन हम यहाँ करेंगे।

A. Casagrande का मानदंड

यह मानदंड मिट्टी की कणिकीय संरचना पर आधारित है और इस प्रकार है:

a) समान संघटन वाली मिट्टी में, जिसका असमानता गुणांक U < 5 है, यदि उसमें 10% से अधिक कण 0,02 mm से छोटे आकार के हों, तो मिट्टी पाले के लिए संवेदनशील होती है।

b) असमान संरचना वाली मृदा में, जिसकी विषमता की डिग्री U > 15 हो, मृदा पाले के लिए खतरनाक है यदि उसमें 3% से अधिक कण 0,02 mm से छोटे आकार के हों।

यद्यपि इस मानदंड का लंबे समय तक उपयोग किया गया और इससे हमेशा विश्वसनीय परिणाम मिले, इसकी कमी यह है कि यह केवल मिट्टी की कण-रचना पर आधारित है और मिट्टी में पाले के प्रभाव को प्रभावित करने वाले अन्य कारकों को भी ध्यान में नहीं लेता। इसलिए आज माना जाता है कि यह मानदंड अत्यधिक कठोर और अलाभकारी है।

Rukliev मानदंड

इस विधि के अनुसार मिट्टी को ठोस कणों की कठोरता के आधार पर दो अंशों में विभाजित किया जाता है, अर्थात्, मोटे दाने वाला अंश, जिनके कणों का व्यास d > 2 mm हो, और महीन दाने वाला अंश, जिनके कणों का व्यास d < 2 mm हो। मिट्टी की पाले के प्रति स्थिरता का आकलन करने के लिए महीन दाने वाले अंश की मात्रा और मोटे दाने वाले अंश की मात्रा के बीच संबंध स्थापित किया जाता है, और यह संबंध निचली तथा ऊपरी सीमा द्वारा दिया गया है (आकृति 1).

निचली सीमा ठोस कणों के अधिकतम अनुमत प्रतिशत को दर्शाती है, जिनका व्यास d < 0,02 mm हो, और जो भराई के शुष्क भार के सापेक्ष, अर्थात् 0-2 mm अंश, उस अवस्था को बताती है जिसमें प्रतिकूल परिस्थितियों, जैसे भूजल स्तर का ऊँचा होना, प्रतिकूल जलवायु परिस्थितियाँ (दीर्घकालिक पाले) और मिट्टी की अधिक प्राकृतिक आर्द्रता, के बावजूद पाले के कारण व्यावहारिक रूप से कोई क्षति नहीं होती।

ऊपरी सीमा सबसे अधिक अनुमेय प्रतिशत को दर्शाती है, जहाँ सूखी सूक्ष्म-दानेदार अंश के भार में d < 0,02 mm कणों का ऐसा प्रतिशत हो कि अनुकूल परिस्थितियों, जैसे भूमिगत जल का निम्न स्तर, अनुकूल जलवायु परिस्थितियाँ (अल्पकालिक पाले) और मृदा की कम प्राकृतिक आर्द्रता, के तहत पाले से व्यावहारिक रूप से कोई क्षति न हो।

आकृ. 1 रुक्लिये के मानदंड के अनुसार पाले के प्रति मिट्टी के खतरे के मूल्यांकन हेतु निचली और ऊपरी सीमा

भूमि में पाले के प्रभाव से संरक्षण

मिट्टी में पाले के प्रभाव की गहराई क्षेत्र की जलवायु परिस्थितियों पर निर्भर करती है। हमारे देश में यह मुख्यतः 0,8 से 1,0 m मीटर तक भू-पृष्ठ के नीचे होती है। इसलिए, 1,0 m की गहराई पर आधारित संरचनाएँ पाले के प्रभाव में नहीं आएँगी।

उथली नींव वाली संरचनाएँ, जैसे सड़कों के मार्ग-भाग, पाले के प्रभाव के अधीन होती हैं, जो जमने और पिघलने, दोनों अवस्थाओं में मार्ग-भाग में बड़े विकृतियाँ और क्षति उत्पन्न कर सकता है। इसलिए सड़कों के मार्ग-भाग और हवाई अड्डों के टेक-ऑफ़ एवं लैंडिंग रनवे बनाते समय, पाले के प्रभाव के संबंध में मिट्टी की जाँच करना आवश्यक है, और यदि आधारभूत मिट्टी पाले के लिए संवेदनशील हो, तो सुरक्षात्मक उपाय करने चाहिए। सड़कों और हवाई अड्डों के मार्ग-भागों में सबसे प्रभावी उपाय बफर परत का निर्माण है, जिसकी मोटाई इस प्रकार निर्धारित की जाती है कि मार्ग-भाग और बफर परत की कुल मोटाई भारी यातायात के लिए 0,80 m से लेकर हल्के यातायात के लिए 0,60 m तक हो। सामान्यतः मार्ग-भाग के नीचे 0,30 m मोटाई की बफर परत पाले के प्रभाव से पर्याप्त सुरक्षा प्रदान करती है।

सुरक्षात्मक परत के निर्माण के लिए सामग्री सामान्यतः रेत या रेतीली बजरी होती है, जिसे निम्नलिखित शर्तों को पूरा करना चाहिए:

प्लास्टिसिटी सूचकांक IP < 5

द्रव्यमान d < 0,02 mm की मात्रा 3% से कम

असमानता की डिग्री U > 7।

बफ़र परत का ऊपरी भाग, जिसकी मोटाई 20 cm है, अपर्याप्त संपीडन और सीमित वहन-क्षमता के कारण समरूप, महीन-दानेदार रेत नहीं होना चाहिए। इस भाग में बफ़र परत 30–70% ऐसे दानों वाली रेतीली बजरी होनी चाहिए जिनका आकार 30-70% और दाने का आकार 2-30 mm हो। 30 mm से बड़े दाने अनुशंसित नहीं हैं।

कम गहराई पर आधारित घेराबंदी की दीवारें भी मिट्टी में पाले के प्रभाव में आती हैं, जिसके कारण वे झुक जाती हैं; बार-बार पाले के प्रभाव से समय के साथ वे पलटकर गिर भी सकती हैं। इसलिए, यदि मिट्टी पाले के लिए संवेदनशील हो, तो इन दीवारों की नींव 1,0 m गहराई पर रखनी चाहिए।