मिट्टी में घर्षण और संसंजन

यदि बंधी हुई मिट्टी में एक सिलिंडर काटकर उसे सामान्य दाब P (चित्र 1) के प्रभाव में रखा जाए, तो सिलिंडर में नए तनाव उत्पन्न होंगे, अर्थात् ऊर्ध्वाधर संपीडन तनाव σ और क्षैतिज कतरनी तनाव। यदि हम दाब P को क्रमशः बढ़ाएँ, तो कुछ समय बाद सिलिंडर पर तिरछी दरारें प्रकट होंगी, और तुरंत बाद सिलिंडर का विफलन हो जाएगा। विफलता के क्षण में सिलिंडर दाब P के प्रभाव से और न्यूनतम प्रतिरोध की कतरनी समतल N-N के साथ खिसक चुका होगा।

चित्र 1. संसंजित मिट्टी से निकाले गए बेलन पर दाब के प्रभाव

बल P के प्रभाव के विरुद्ध विफलता के क्षण में मिट्टी द्वारा प्रतिरोध को मिट्टी का कतरनी प्रतिरोध कहा जाता है, और क्षैतिज के सापेक्ष न्यूनतम प्रतिरोध के तल के झुकाव के कोण α को मिट्टी के न्यूनतम कतरनी प्रतिरोध के तल का कोण कहा जाता है.

बँधी हुई मृदा का कतरनी प्रतिरोध दो मूलभूत प्रतिरोधों से बनता है: ठोस कणों के बीच आंतरिक घर्षण और ठोस कणों को बाँधने वाली संसंजनता। मृदा की कतरनी सामर्थ्य को विफलता के क्षण में अधिकतम कतरनी तनाव के बराबर माना जाता है और इसे समीकरण द्वारा व्यक्त किया जाता है

τf = c + σ tg_φ_

जहाँ: τf मृदा की कर्तन शक्ति [kp/cm2],

c मिट्टी की सघनता [kp/cm3],

σ मिट्टी का सामान्य तनाव [kp/cm3],

φ मिट्टी का आंतरिक घर्षण कोण।

ऊपर दिया गया सूत्र फ़्रांसीसी Coulomb ने 1785. वर्ष में दिया था। इस सूत्र के अनुसार, दी गई मिट्टी के लिए सान्द्रता c स्थिर है और सामान्य दाब से स्वतंत्र है, जबकि घर्षण प्रतिरोध σ tg_ϕ_ ठीक σ तनाव के समानुपाती है। वास्तव में, सान्द्रता e दी गई मिट्टी के लिए स्थिर नहीं होती, बल्कि वह भी कुछ हद तक सामान्य तनाव σ पर निर्भर करती है, क्योंकि उस दाब के प्रभाव से ठोस कणों को घेरे हुए जल-फिल्म की मोटाई कम हो जाती है और इस प्रकार सान्द्रता बढ़ जाती है। Coulomb का सूत्र पारगम्य मिट्टियों के लिए मान्य है, जिनमें सामान्य दाब के प्रभाव से रंध्रों का पानी बिना प्रतिरोध के बाहर निकल जाता है, जैसा कि बजरी और रेतीली मिट्टी में होता है; लेकिन बंधी हुई मिट्टी में ऐसा नहीं होता, जो कम पारगम्य होती है, इसलिए रंध्रों का पानी कठिनाई से बाहर निकलता है और भार P के प्रभाव में तनावग्रस्त रंध्रजल के रूप में शेष रहता है।

मिट्टी में प्रभावी और तटस्थ तनाव

चित्र. 2. मिट्टी में प्रभावी और तटस्थ तनाव

यदि हम किसी पात्र के तल पर मृदा का नमूना, उदाहरण के लिए सूखी रेत, रखते हैं और उस पर किसी द्रव्यमान, उदाहरण के लिए W भार वाली सीसे की गोलियों, से भार डालते हैं, तो इस भार का पूरा प्रभाव मृदा के ठोस कण ग्रहण करेंगे। नमूने की सतह पर विशिष्ट दाब p0 = W/A kp/cm3 में, जहाँ A नमूने के अनुप्रस्थ काट का क्षेत्रफल है, नमूने का धँसाव उत्पन्न करेगा, अर्थात उसकी रंध्रता में कमी, लेकिन यह नमूने के अन्य भौतिक गुणों में भी परिवर्तन करेगा, जैसे कतरनी सामर्थ्य में वृद्धि, संपीड्यता मापांक में वृद्धि और अन्य। कणों के बीच संपर्क सतहों पर विद्यमान दाब को प्रभावी या अंतरकणीय दाब σ’ कहा जाता है। जब समेकन प्राप्त हो जाता है, अर्थात जब नमूना p0 भार के अंतर्गत धँसना बंद कर देता है, तो प्रभावी दाब उस गहराई पर विद्यमान कुल विशिष्ट दाब के बराबर होता है जिस पर मृदा का अध्ययन किया जा रहा है। इस मामले में, नमूने की सतह के नीचे गहराई पर, चित्र 2 पर σ’ = W/A + hzγ होता है, जहाँ γ नमूने का आयतन भार है।

लेकिन यदि पात्र में नमूने पर सीसे की छर्रियों के बजाय h ऊँचाई तक पानी भरकर भारित किया जाए, और इस प्रकार वह नमूने के सभी रिक्त स्थानों को भर दे, तो नमूने के ऊपर जल-स्तंभ का दाब hγw, जहाँ γw पानी का आयतन-भार है, नमूने के बैठने और उसकी छिद्रता कम होने का कारण नहीं बनेगा, न ही उसकी कतरन-प्रतिरोध क्षमता और संपीड्यता का मापांक बढ़ाएगा। इसलिए हाइड्रोस्टैटिक दाब hγw को तटस्थ दाब कहा जाता है। u से निरूपित तटस्थ दाब नमूने के माध्यम से सभी दिशाओं में समान तीव्रता से संचारित होता है। यह दाब कतरन-प्रतिरोध क्षमता में वृद्धि नहीं करेगा, क्योंकि पानी में स्वयं कोई कतरन-प्रतिरोध क्षमता नहीं होती।

अतः प्रभावी दाब σ’ मिट्टी के ठोस कणों के बीच संपर्क सतहों के माध्यम से संचारित होता है, जबकि तटस्थ दाब u रंध्रों में जल के माध्यम से संचारित होता है। यदि पात्र का निचला भाग जल-संतृप्त मिट्टी के नमूने से भरा है जिसका आयतन भार γz है, और नमूने की सतह के ऊपर स्तर N तक पात्र उस जल से भरा है जिसका आयतन भार γw है, तो नमूने के किसी भी बिंदु पर कुल दाब σ होगा σ = σ’ + u.

गहराई hz पर, नमूने की सतह के नीचे प्रभावी दाब σ = σ’ - u होगा

जहाँ σ = h γw + h γz

               u = (h + hz) γw.

अतः σ’ = hz γ’

γ’ जल में डूबी हुई मिट्टी का आयतन-भार है।

मिट्टी की कतरनी-शक्ति का सामान्य समीकरण

यदि हम बंधी हुई मिट्टी पर भार P लगाएँ, तो यह भार मिट्टी के धंसाव का कारण बनेगा और सबसे पहले इसके प्रभाव से रंध्रों की हवा बाहर निकल जाएगी, ताकि शीघ्र ही रंध्रों में केवल पानी रह जाए। चूँकि बंधी हुई मिट्टी की कम जल-पारगम्यता के कारण पानी तुरंत बाहर नहीं निकल सकता, इसलिए वह रंध्रों में दाबयुक्त जल के रूप में बना रहता है और प्रारंभ में पूरा बाहरी भार P ग्रहण करता है। आगे के समय में, भार P के प्रभाव से रंध्रों का पानी बाहर निकलना शुरू होता है और ठोस कणों का निकट आना होता है, जो अब भार P का एक भाग ग्रहण करते हैं। तब हमारे पास τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ है, जहाँ σ भार P से उत्पन्न कुल दाब है, u रंध्र जल का दाब है।

रंध्र जल दाब कई कारकों पर निर्भर करता है, जैसे समेकन का समयक्रम, मिट्टी की पारगम्यता, मिट्टी के भार का परिमाण आदि। मिट्टी की कतरनी दृढ़ता रंध्र जल दाब पर निर्भर करती है और यह u=0 के लिए सबसे अधिक होती है, जब मिट्टी का समेकन होता है।

मृदा की कोलॉइडल सक्रियता

मृदा के आंतरिक प्रतिरोध के तत्व संयोजन और घर्षण भिन्न हो सकते हैं और मुख्यतः मृदा के ठोस कणों की मोटाई तथा उसके प्लास्टिक गुणों पर निर्भर करते हैं। सुसंगत मृदा के आंतरिक घर्षण-प्रतिरोध की तुलना में संयोजन के प्रभाव को निर्धारित करने के लिए, स्केम्पटन ने मृदा की कोलॉइडल सक्रियता K_P की अवधारणा प्रस्तुत की, जिसे प्लास्टिसिटी सूचकांक IP और पूरी द्रव्यमान के भार के प्रतिशत में 0,002 mm से छोटे कणों की मात्रा के अनुपात के रूप में व्यक्त किया गया है। इस संबंध में निम्नलिखित मानदंड अपनाया गया है (आकृति 3):

Sl. 3. Koloidna aktivnost tla

KP < 0,75 होने पर निष्क्रिय मिट्टियाँ होती हैं,

KP = 0,75 – 1,25 के लिए सामान्य चिकनी मिट्टियाँ हैं,

Kp > 1,25 सक्रिय मृत्तिका के लिए।

KP बढ़ने पर, सुसंगत मिट्टी के आंतरिक घर्षण की तुलना में संसंजन का प्रभाव बढ़ता है।

मिट्टी की संवेदनशीलता

यदि हम सुसंगत मिट्टी में 3—3,4 cm ऊँचाई ~ 5 cm वाला एक बेलन निकालें और उस पर सामान्य भार लगाएँ, तो बेलन के टूटने के क्षण पर हमें अबाधित अवस्था में मिट्टी की संपीडन-शक्ति σ__ₙ: प्राप्त होगी

σn = P/A kp/cm2 में,

जहाँ A सिलिंडर का अनुप्रस्थ काट है।

परीक्षण समाप्त होने के बाद टूटे हुए नमूने को हटाकर समान आयामों का एक सिलिंडर फिर से बनाया जाता है, उसी सिलिंडर-मोल्ड की सहायता से, इस शर्त के साथ कि उसकी नमी वही बनी रहे जो पिछले परीक्षण के समय थी। फिर, पुनः गूँथे गए सिलिंडर के बनते ही उसके साथ तुरंत परीक्षण दोहराया जाता है, ताकि विक्षुब्ध अवस्था में मृदा की संपीडन शक्ति σ__ₚ. प्राप्त हो सके

संवेदनशीलता (संवेदनशीलता गुणांक) S__ₜ अपरिवर्तित अवस्था में संपीडन-शक्ति और विक्षुब्ध अवस्था में संपीडन-शक्ति का अनुपात है: St = σn/σp,

एक मानदंड के अनुसार संवेदनशीलता S__ₜ का आकलन इस प्रकार किया जाता है:

• t = 1 — 2 पर मिट्टी की संवेदनशीलता कम होती है,
• S__ₜ = 2 — 4 पर चिकनी मिट्टी की मध्यम संवेदनशीलता है,
• के लिए S__ₜ = 4 — 8 पर मिट्टी की संवेदनशीलता अधिक होती है,
• के लिए S__ₜ > 8 होने पर यह अत्यंत संवेदनशील चिकनी मिट्टी है।

प्रकृति में ऐसा होता है कि यांत्रिक प्रभाव, उदाहरण के लिए भूकंप, के कारण चिकनी मिट्टी अचानक अपनी दृढ़ता खो देती है, जिसे बाद में विश्राम अवस्था में फिर से प्राप्त कर लेती है। इस गुण को मिट्टी की थिक्सोट्रॉपी कहा जाता है। कई चिकनी मिट्टियों में कुछ हद तक थिक्सोट्रॉपिक गुण होते हैं। नॉर्वे, स्वीडन और फ़िनलैंड में थिक्सोट्रॉपिक चिकनी मिट्टी के बहाव के कारण कटाव ढालों के खिसकने के मामले ज्ञात हैं, जहाँ परीक्षणों से यह पाया गया कि इस प्रक्रिया के दौरान मिट्टी की नमी में कोई परिवर्तन नहीं हुआ, अर्थात् बहाव से पहले और बाद में मिट्टी की नमी स्थिर थी।