മണ്ണിലെ ഘർഷണവും സംയോജനവും

ബന്ധിത മണ്ണിൽ ഒരു സിലിണ്ടർ മുറിച്ച് അതിനെ സാധാരണ മർദ്ദം P (ചിത്രം 1)-ന്റെ പ്രഭാവത്തിൽ വെച്ചാൽ, സിലിണ്ടറിൽ പുതിയ സമ്മർദ്ദങ്ങൾ ഉണ്ടാകും; അതായത് ലംബ സമ്മർദ്ദം _σ_യും കിടപ്പ് ഷീയർ സമ്മർദ്ദവും. മർദ്ദം P നാം ക്രമേണ കൂട്ടുമ്പോൾ, കുറച്ച് സമയത്തിന് ശേഷം സിലിണ്ടറിൽ ചരിഞ്ഞ വിള്ളലുകൾ പ്രത്യക്ഷപ്പെടും, ഉടൻതന്നെ സിലിണ്ടർ തകരും. തകർച്ചയുടെ നിമിഷത്തിൽ സിലിണ്ടർ P മർദ്ദത്തിന്റെ പ്രഭാവത്തിൽ ഷിയർ ചെയ്യപ്പെടുകയും ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ പ്രതിരോധമുള്ള ഷീയർ സമതലമായ N-N അനുസരിച്ച് നടക്കുകയും ചെയ്യും.

ചിത്രം 1. സംയോജിത മണ്ണിൽ നിന്നെടുത്ത സിലിണ്ടറിന്റെ മേൽ മർദ്ദത്തിന്റെ പ്രഭാവം

കെട്ടിയ P ബലത്തിന്റെ പ്രവർത്തനത്തിനെതിരെ ലംഘന സമയത്ത് റോളർ നൽകിയ മണ്ണിന്റെ പ്രതിരോധത്തെ മണ്ണിന്റെ കത്രിക പ്രതിരോധം എന്ന് വിളിക്കുന്നു, കൂടാതെ കിടപ്പനിലയോടു അപേക്ഷിച്ച് ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ പ്രതിരോധതലത്തിന്റെ ചരിവ് കോണം α നെ മണ്ണിന്റെ ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ കത്രിക പ്രതിരോധതലത്തിന്റെ കോണം എന്ന് വിളിക്കുന്നു.

ബന്ധിത മണ്ണിന്റെ ഷിയർ പ്രതിരോധം രണ്ടു അടിസ്ഥാന പ്രതിരോധങ്ങളാൽ രൂപപ്പെടുന്നു: ഘനകണങ്ങൾ തമ്മിലുള്ള _ആന്തരിക ഘർഷണം_യും, ഘനകണങ്ങളെ ബന്ധിപ്പിക്കുന്ന സംയോജകതയും. മണ്ണിന്റെ ഷിയർ ദൃഢത ഭിന്നന സമയത്തെ പരമാവധി ഷിയർ സമ്മർദ്ദത്തിന് തുല്യമാണെന്ന് സ്വീകരിക്കുകയും, അത് താഴെ കാണുന്ന സമവാക്യംകൊണ്ട് പ്രകടിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു

τf = c + σ tg_φ_

ഇവിടെ: τf മണ്ണിന്റെ കനംഭേദന ശക്തി [kp/cm2],

c മണ്ണിന്റെ സഹചരണം [kp/cm3],

σ മണ്ണിലെ സാധാരണ സമ്മർദ്ദം [kp/cm3],

φ മണ്ണിന്റെ ആന്തരിക ഘർഷണ കോണം.

മുകളിലുള്ള സമവാക്യം ഫ്രഞ്ചുകാരനായ Coulomb 1785. വർഷത്തിൽ അവതരിപ്പിച്ചു. ഈ സമവാക്യപ്രകാരം, നൽകിയ മണ്ണിന് സുസംയോജിതത്വം c സ്ഥിരവും സാധാരണ മർദ്ദത്തിൽ നിന്ന് സ്വതന്ത്രവുമാണ്, എന്നാൽ ഘർഷണ പ്രതിരോധം σ tg_ϕ_ സമ്മർദ്ദം σ ന് കൃത്യമായി അനുപാതികമാണ്. യഥാർത്ഥത്തിൽ നൽകിയ മണ്ണിന് സുസംയോജിതത്വം e സ്ഥിരമല്ല; അത് ഒരു പരിധിവരെ സാധാരണ സമ്മർദ്ദം σ യെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു, കാരണം ആ മർദ്ദത്തിന്റെ പ്രഭാവത്തിൽ കഠിന കണങ്ങളെ ചുറ്റിയുള്ള ജലപാളിയുടെ കനം കുറയുകയും അതിലൂടെ സുസംയോജിതത്വം വർധിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. Coulomb-ന്റെ സമവാക്യം ജലം രന്ധങ്ങളിൽ നിന്ന് എതിര്‍പ്പില്ലാതെ പുറത്തേക്കു തള്ളപ്പെടുന്ന ചുരണ്ടാവുന്ന മണ്ണുകൾക്കാണ് ബാധകമാകുന്നത്; ഇത് ചരൽമണ്ണിന്റെയും മണൽമണ്ണിന്റെയും കാര്യമാണ്, പക്ഷേ ബന്ധിത മണ്ണിന്റെ കാര്യത്തിൽ അങ്ങനെല്ല, കാരണം അത് കുറച്ച് മാത്രമേ ചുരണ്ടാവൂ, അതിനാൽ ജലം രന്ധങ്ങളിൽ നിന്ന് പുറത്തേക്കു തള്ളപ്പെടാൻ പ്രയാസമാണ്, കൂടാതെ ഭാരം P ന്റെ പ്രഭാവത്തിൽ സമ്മർദ്ദത്തിലുള്ള രന്ധജലമായി അവശേഷിക്കുന്നു.

മണ്ണിലെ ഫലപ്രദവും ന്യൂട്രലുമായ മർദ്ദങ്ങൾ

ചിത്രം 2. മണ്ണിലെ ഫലപ്രദവും നിഷ്പക്ഷവും ആയ സമ്മർദ്ദം

പാത്രത്തിന്റെ അടിത്തട്ടിൽ, ഉദാഹരണത്തിന് വരണ്ട മണൽ പോലുള്ള മണ്ണിന്റെ ഒരു സാമ്പിൾ വെച്ചു, അതിനെ W ഭാരമുള്ള ഈയൻ പെല്ലറ്റുകൾ പോലുള്ള ഏതെങ്കിലും ഭാരം കൊണ്ട് ലോഡ് ചെയ്‌താൽ, ആ ഭാരത്തിന്റെ മുഴുവൻ ബാധയും മണ്ണിന്റെ ദൃഢകണങ്ങൾ ഏറ്റെടുക്കും. സാമ്പിളിന്റെ ഉപരിതലത്തിലെ പ്രത്യേക മർദ്ദം p0 = W/A kp/cm3 ൽ, ഇവിടെ A സാമ്പിളിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷൻ വിസ്തീർണ്ണമാണ്, സാമ്പിളിന്റെ ഇരിപ്പ്, അതായത് അതിന്റെ പൊറോസിറ്റി കുറയൽ, ഉണ്ടാക്കും; കൂടാതെ ഷീയർ ശക്തി വർധിക്കൽ, കംപ്രസിബിലിറ്റി മോഡ്യൂൾ വർധിക്കൽ തുടങ്ങിയ മറ്റ് ഭൗതിക ഗുണങ്ങളിലുമുള്ള മാറ്റങ്ങൾക്കും കാരണമാകും. കണങ്ങളിലെ സമ്പർക്ക ഉപരിതലങ്ങളിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന മർദ്ദത്തെ ഫലപ്രദ അല്ലെങ്കിൽ ഇന്റർഗ്രാനുലർ മർദ്ദം σ’ എന്ന് വിളിക്കുന്നു. കൺസോളിഡേഷൻ ലഭിച്ചശേഷം, അഥവാ p0 ലോഡിൽ സാമ്പിൾ ഇനി ഇരിയാതിരുന്നത് ശേഷം, ഫലപ്രദ മർദ്ദം മണ്ണ് നിരീക്ഷിക്കുന്ന ആഴത്തിലെ മൊത്തം പ്രത്യേക മർദ്ദത്തിന് തുല്യമാണ്. ഈ സാഹചര്യത്തിൽ, സാമ്പിളിന്റെ ഉപരിതലത്തിന് താഴെയുള്ള ആഴത്തിൽ, ചിത്രം 2-ൽ σ’ = W/A + hzγ ആണ്, ഇവിടെ γ സാമ്പിളിന്റെ അളവുഭാരം ആണ്.

എന്നാൽ പാത്രത്തിലെ സാമ്പിളിനെ ലെഡ് ഷോട്ടിന് പകരം h ഉയരത്തിൽ വരെ വെള്ളംകൊണ്ട് ഭാരംചേർത്താൽ, അത് സാമ്പിളിന്റെ എല്ലാ രന്ധ്രങ്ങളും നിറച്ചിരിക്കുകയാണെങ്കിൽ, സാമ്പിളിന് മുകളിലുള്ള ജലസ്തംഭത്തിന്റെ മർദ്ദം hγw (ഇവിടെ γw വെള്ളത്തിന്റെ വാള്യഭാരം) സാമ്പിളിന്റെ അടിയുറച്ചൽ ഉണ്ടാക്കുകയോ അതിന്റെ പൊരോസിറ്റി കുറയ്ക്കുകയോ അതിന്റെ ഷിയർ ശക്തിയും സംഹാര്യതാ മോഡുലസും വർദ്ധിപ്പിക്കുകയോ ഇല്ല. അതിനാൽ ഹൈഡ്രോസ്റ്റാറ്റിക് മർദ്ദം hγw നെ നിഷ്പ്രഭ മർദ്ദം എന്ന് വിളിക്കുന്നു. u എന്ന് സൂചിപ്പിക്കുന്ന നിഷ്പ്രഭ മർദ്ദം സാമ്പിളിലൂടെ എല്ലാ ദിശകളിലും തുല്യ തീവ്രതയോടെ പകരുന്നു. വെള്ളത്തിന് സ്വയം യാതൊരു ഷിയർ ശക്തിയും ഇല്ലാത്തതിനാൽ, ഈ മർദ്ദം ഷിയർ ശക്തി വർദ്ധിപ്പിക്കുകയില്ല.

അതുവഴി ഫലപ്രദമായ മർദ്ദം σ’ മണ്ണിലെ ഘനകണങ്ങൾ തമ്മിലുള്ള സ്പർശതലങ്ങളിലൂടെ കൈമാറപ്പെടുന്നു, മറുവശത്ത് നിഷ്പക്ഷ മർദ്ദം u രന്ധ്രങ്ങളിലുള്ള വെള്ളത്തിലൂടെയാണ് കൈമാറപ്പെടുന്നത്. പാത്രത്തിന്റെ താഴത്തെ ഭാഗം γz എന്ന വോള്യൂമെട്രിക് ഭാരം ഉള്ള സാച്ചുറേറ്റ് ചെയ്ത മണ്ണ് സാമ്പിള് കൊണ്ടു നിറഞ്ഞിരിക്കുകയാണെന്നും, സാമ്പിളിന്റെ ഉപരിതലത്തിന് മുകളിൽ N നില വരെയായി γw എന്ന വോള്യൂമെട്രിക് ഭാരം ഉള്ള വെള്ളം പാത്രത്തിൽ നിറഞ്ഞിരിക്കുകയാണെന്നും എടുത്താൽ, സാമ്പിളിലെ ഏതെങ്കിലും ബിന്ദുവിലെ മൊത്തം മർദ്ദം σ = σ’ + u. ആയിരിക്കും.

hz ആഴത്തിൽ, സാമ്പിളിന്റെ ഉപരിതലത്തിനടിയിൽ പ്രവർത്തന മർദ്ദം σ = σ’ - u ആയിരിക്കും

ഇവിടെ σ = h γw + h γz

               u = (h + hz) γw.

അതിനാൽ σ’ = hz γ’ ആയിരിക്കും

γ’ മുങ്ങിയ മണ്ണിന്റെ ഘനഭാരമാണ്.

മണ്ണിന്റെ ഷിയർ ശക്തിയുടെ പൊതുസമവാക്യം

ബന്ധിത മണ്ണിന് P എന്ന ഭാരം പ്രയോഗിച്ചാൽ, ഈ ഭാരം മണ്ണിന്റെ ഇരിപ്പിക്കൽ സൃഷ്ടിക്കും, ആദ്യം അതിന്റെ സ്വാധീനത്തിൽ രന്ധ്രങ്ങളിലെ വായു പുറത്താകുകയും, ഉടൻ രന്ധ്രങ്ങളിൽ വെള്ളം മാത്രം ശേഷിക്കുകയും ചെയ്യും. ബന്ധിത മണ്ണിന്റെ കുറഞ്ഞ ജലചാലകത കാരണം വെള്ളം ഉടൻ പുറത്താക്കാനാകാത്തതിനാൽ, അത് രന്ധ്രങ്ങളിൽ സമ്മർദ്ദത്തിലായ വെള്ളമായി തുടരുകയും തുടക്കത്തിൽ മുഴുവൻ പുറംഭാരം P ഏറ്റെടുക്കുകയും ചെയ്യും. തുടർന്ന്, P ഭാരം പ്രവർത്തിക്കുമ്പോൾ രന്ധ്രങ്ങളിൽ നിന്ന് വെള്ളം പുറത്താകാൻ തുടങ്ങുകയും, കഠിനകണങ്ങൾ അടുത്ത് ചേർന്ന്, ഇപ്പോൾ അവ ഭാരത്തിന്റെ ഒരു ഭാഗം P ഏറ്റെടുക്കുകയും ചെയ്യും. അപ്പോൾ നമ്മൾക്കുണ്ട് τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ ഇവിടെ σ P ഭാരം മൂലമുള്ള മൊത്തം സമ്മർദ്ദവും, u രന്ധ്രജല സമ്മർദ്ദവുമാണ്.

രന്ധ്രജലമർദ്ദം അനേകം ഘടകങ്ങളെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു, ഉദാഹരണത്തിന് ഏകീകരണത്തിന്റെ സമയഗതി, മണ്ണിന്റെ കടന്നുപോകൽ ശേഷി, മണ്ണിൽ ഏർപ്പെടുന്ന ഭാരം തുടങ്ങിയവ. മണ്ണിന്റെ ഷിയർ ശക്തി രന്ധ്രജലമർദ്ദത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു, കൂടാതെ u=0 ആയപ്പോൾ അതാണ് ഏറ്റവും കൂടുതലായിരിക്കുക; അപ്പോൾ മണ്ണിന്റെ ഏകീകരണം സംഭവിക്കുന്നു.

മണ്ണിന്റെ കോളോയിഡ് പ്രവർത്തനം

മണ്ണിന്റെ ആന്തരിക പ്രതിരോധ ഘടകങ്ങളായ cohesion ഉം friction ഉം വ്യത്യസ്തമായിരിക്കാം, കൂടാതെ അവ മണ്ണിലെ ഘനകണങ്ങളുടെ വലുപ്പത്തെയും അതിന്റെ പ്ലാസ്റ്റിക് ഗുണങ്ങളെയും വലിയ തോതിൽ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. സങ്കരസ്വഭാവമുള്ള മണ്ണിന്റെ ആന്തരിക ഘർഷണ പ്രതിരോധത്തോടുള്ള കോഹീഷന്റെ സ്വാധീനം നിർണ്ണയിക്കുന്നതിനായി, സ്കെംപ്ടൺ മണ്ണിന്റെ കൊളോയിഡൽ പ്രവർത്തനക്ഷമത എന്ന _K_P എന്ന ആശയം അവതരിപ്പിച്ചു; ഇത് മുഴുവൻ മാസ്സിന്റെ ഭാരത്തിന്റെ ശതമാനത്തിൽ 0,002 mm-ൽ താഴെയുള്ള കണങ്ങളുടെ അളവിനോട് താരതമ്യം ചെയ്ത പ്ലാസ്റ്റിസിറ്റി സൂചിക IP-യുടെ അനുപാതമായി പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. ഇതുമായി ബന്ധപ്പെട്ട് താഴെ പറയുന്ന മാനദണ്ഡം സ്വീകരിച്ചു (ചിത്രം 3):

ചിത്രം 3. മണ്ണിന്റെ കൊളോയിഡ് സജീവത

KP < 0,75 ആയാൽ സജീവമല്ലാത്ത മണ്ണുകൾ,

KP = 0,75 – 1,25 ആയാൽ സാധാരണ ക്ലേകളാണ്,

Kp > 1,25 സജീവ കിളിമണ്ണിന്.

KP വർധിക്കുമ്പോൾ സഹചാരണത്തിന്റെ സ്വാധീനം സങ്കലിത മണ്ണിലെ ആന്തരിക ഘർഷണത്തോടുള്ള താരതമ്യത്തിൽ ഉയരുന്നു.

മണ്ണിന്റെ സെൻസിറ്റിവിറ്റി

ഒരു സാന്തതിയുള്ള മണ്ണിൽ 3—3,4 cm വ്യാസവും ~ 5 cm ഉയരവും ഉള്ള ഒരു സിലിണ്ടർ എടുത്ത് അതിന് സാധാരണ ഭാരം പ്രയോഗിച്ചാൽ, സിലിണ്ടർ തകരുന്ന നിമിഷത്തിൽ അശാന്തമില്ലാത്ത അവസ്ഥയിലെ മണ്ണിന്റെ കംപ്രഷൻ ശക്തി σ__ₙ: ലഭിക്കും

σn = P/A kp/cm2 ൽ,

ഇവിടെ A സിലിണ്ടറിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷൻ ആണ്.

പരീക്ഷണം പൂർത്തിയായ ശേഷം തകർന്ന സാമ്പിൾ മാറ്റി, അതേ സിലിണ്ടർ-മോൾഡ് ഉപയോഗിച്ച് അതേ അളവുകളുള്ള ഒരു സിലിണ്ടർ വീണ്ടും നിർമ്മിക്കുന്നു; അതിന്റെ ഈർപ്പം മുൻപരീക്ഷണത്തിലെ പോലെ തന്നെയായി നിലനിർത്തണം. തുടർന്ന്, പുനഃസംസ്കരിച്ച സിലിണ്ടർ നിർമ്മിച്ച ഉടൻ തന്നെ അതുമായി പരീക്ഷണം ആവർത്തിക്കുന്നു, അതിലൂടെ അശാന്താവസ്ഥയിലെ മണ്ണിന്റെ അമർത്തൽ ശക്തി σ__ₚ ലഭിക്കുന്നു.

സെൻസിറ്റിവിറ്റി (sensitivitet) S__ₜ എന്നത് അശാന്തമല്ലാത്ത നിലയിലെ മർദ്ദബലത്തിന്റെ, അശാന്തമായ നിലയിലെ മർദ്ദബലത്തോടുള്ള അനുപാതമാണ്: St = σn/σp,

ഒരു മാനദണ്ഡപ്രകാരം S__ₜ സംവേദനക്ഷമതയെ ഇങ്ങനെ വിലയിരുത്തുന്നു:

• t = 1 — 2 ആണെങ്കിൽ മണ്ണിന്റെ സെൻസിറ്റിവിറ്റി കുറവാണ്,
• S__ₜ = 2 — 4 ആണെങ്കിൽ മണ്ണായിയുടെ മദ്ധ്യസ്ഥ संवेदनशीलത,
• യ്ക്ക് S__ₜ = 4 — 8 ആയപ്പോൾ മണ്ണിന് വലിയ സംവേദനക്ഷമതയുണ്ട്,
• S__ₜ > 8 ആകുമ്പോൾ അത് അതിസൂക്ഷ്മമായ കിളിമണ്ണാണ്.

പ്രകൃതിയിൽ സംഭവിക്കുന്നത് എന്തെന്നാൽ, യാന്ത്രിക പ്രഭാവം, ഉദാഹരണത്തിന് ഭൂചലനം, മൂലം കാട്ടുമണ്ണ് അപ്രതീക്ഷിതമായി തന്റെ ദൃഢത നഷ്ടപ്പെടുത്തുകയും പിന്നീട് വിശ്രമാവസ്ഥയിൽ അത് വീണ്ടും വീണ്ടെടുക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ ഗുണത്തെ മണ്ണിന്റെ തിക്സോട്രോപി എന്ന് വിളിക്കുന്നു. നിരവധി മണ്ണുകളിൽ ഒരു പരിധിവരെ തിക്സോട്രോപിക് ഗുണങ്ങൾ കാണപ്പെടുന്നു. നോർവേ, സ്വീഡൻ, ഫിൻലാൻഡ് എന്നിവിടങ്ങളിൽ തിക്സോട്രോപിക് മണ്ണ് പുറത്തേക്ക് ഒഴുകി വരുന്നതിനാൽ ഖനന ചരിവുകൾ തെന്നിപ്പോകുന്ന സംഭവങ്ങൾ അറിയപ്പെടുന്നവയാണ്; പരിശോധനയിൽ ഈ പ്രക്രിയയ്ക്കിടയിൽ മണ്ണിന്റെ ഈർപ്പത്തിൽ മാറ്റമൊന്നും ഉണ്ടായിരുന്നില്ല, അതായത് പുറത്തേക്ക് ഒഴുകുന്നതിന് മുൻപും ശേഷവും മണ്ണിന്റെ ഈർപ്പം സ്ഥിരമായിരുന്നു എന്ന് കണ്ടെത്തി.