हिमाच्या प्रभावामुळे मृदेतील विकृती
थंडीच्या प्रभावाखाली प्रवाहरहित मोकळे पाणी 0°C येथे गोठते आणि त्या वेळी त्याचे आयतन 9% ने वाढते. मात्र अरुंद केशिक नलिकांतील पाणी 0°C येथे गोठत नाही, तर -1°C ते -78°C या कमी तापमानांवर गोठते. हे शेवटचे गोठण्याचे तापमान अमेरिकेतील प्रयोगशाळीय चाचण्यांनी निश्चित केले आहे. केशिक नळी जितकी अरुंद, तितके गोठण्याचे तापमान कमी.
मातीत सर्व दिशांनी परस्पर जोडलेल्या रंध्रिका असतात आणि त्या केशवाहिनी नलिकांचे जाळे तयार करतात. वाळूमध्ये रंध्रिका मोठ्या असतात आणि रुंद केशवाहिनी नलिका तयार करतात, ज्यांमध्ये पाणी 0°C वर किंवा त्याहून किंचित कमी तापमानावर गोठते. पाणी समसमानरीत्या गोठते, आणि त्यामुळे रंध्रिकांमध्ये बर्फाचे स्फटिक तयार होतात; त्यांच्या आयतनात 9% इतकी वाढ झाल्याने मातीमध्ये लक्षणीय विकृती निर्माण होत नाही. सूक्ष्मकणी रचनेच्या मातीत रंध्रिका अधिक लहान असतात आणि अरुंद केशवाहिनी नलिका तयार करतात, ज्यांमध्ये पाणी 0°C पेक्षा कमी तापमानावर गोठते. तथापि, पृष्ठभागी थरात माती नेहमीच अधिक सैल असते आणि तिच्यात मोठ्या रंध्रिका असतात, ज्यांमध्ये पाणी 0°C वर गोठते आणि बर्फाचे स्फटिक तयार करते. हे स्फटिक अरुंद रंध्रिकांमधील थंड झालेले पाणी मोठ्या शक्तीने स्वतःकडे खेचतात, ज्याला तथाकथित स्फटिकीकरण शक्ती म्हणतात. अशा प्रकारे ओढलेले पाणी बर्फाच्या स्फटिकांच्या संपर्कात येऊन स्वतःही गोठते आणि बर्फाच्या स्फटिकांचे आयतन वाढवते; त्यामुळे बर्फाच्या लेन्स तयार होतात, ज्यांची जाडी सुमारे 0,1 ते 10 mm असू शकते. तयार झालेल्या बर्फाच्या लेन्स गोठवण्याच्या काळात मातीमध्ये मोठ्या विकृती निर्माण करतात, जी विशेषतः प्रतिकूल परिस्थितीत 30 आणि 50 cm पर्यंत जाऊ शकते.
हिमक्रियेच्या प्रभावामुळे मातीतील विकृतीचे निर्माण आणि तिचा आकार प्रामुख्याने पुढील 3 घटकांवर अवलंबून असतो:
-
भूजल पातळी
-
दंवाचा कालावधी.
Ad 1) कणाच्या आकारमानाच्या दृष्टीने, दंवाचा सर्वाधिक परिणाम सूक्ष्म कणांच्या मातीवर होतो, ज्याचे रंध्र इतके सूक्ष्म असतात की अरुंद केशिकीय नळ्या तयार होतात, आणि त्याच वेळी त्याची पारगम्यता पुरेशी मोठी असते, ज्यामुळे दंवाच्या काळात पाण्याचे जलद परिसंचरण शक्य होते. अशी माती दंवासाठी सर्वात संवेदनशील असते, उद्भवण्याचा वेग आणि विकृतींच्या प्रमाण या दोन्ही बाबतीत. ही धुळकट माती असते, जी प्रामुख्याने 0,02-0,002 mm आकाराच्या कणांनी बनलेली असते. >0,02 mm आकाराच्या कणांची केशिकीय चढणीची उंची कमी असते, तर < 0,002 mm आकाराच्या कणांची केशिकीय चढणी मंद असते, त्यामुळे दोन्ही परिस्थितीत दंवाच्या कालावधीत दंव-प्रभाव क्षेत्रात पाण्याचे प्रमाण फक्त कमीच पोहोचू शकते. जर चिकणमातीमध्ये < 0,002 mm आकाराच्या कणांचे प्रमाण 25% पेक्षा जास्त असेल, तर मातीची पारगम्यता अतिशय कमी असते आणि रंध्रांतील पाण्याचे परिसंचरण इतके मंद असते की बर्फाचे लेन्स आकर्षित होण्यापूर्वीच ते रंध्रांत गोठते.
Ad 2) मातीच्या दाणेदार रचनेशी संबंधित अटींबरोबरच, मातीमध्ये गोठण्यामुळे विकृती निर्माण व्हावी यासाठी आणखी एक अट पूर्ण होणे आवश्यक आहे. ती म्हणजे गोठण्याच्या प्रभावाच्या क्षेत्रात पाण्याची पूर्तता होण्याची शक्यता असणे. जर ही अट पूर्ण झाली नाही, म्हणजेच जर मातीतील केशिका गोठण्याच्या काळात त्यांतून सतत वाहणाऱ्या पाण्याशी जोडलेल्या नसतील, तर मातीच्या दाणेदार रचनेची काहीही अवस्था असली तरी गोठण्यामुळे विकृती होणार नाही.
भूजलपातळी जितकी जास्त वर असेल, तितकी थंडीच्या प्रभावामुळे मातीमध्ये विकृती होण्याची शक्यता अधिक असते. जर भूजलपातळी दिलेल्या मातीतील पाण्याच्या केशिकीय चढाईच्या उंचीपेक्षा अधिक खोलवर असेल, तर थंडीमुळे होणाऱ्या विकृती नगण्य असतात.
Ad 3) हिमाचा अखंड कालावधी जितका जास्त, तितक्या हिमामुळे होणाऱ्या विकृती अधिक असतात, कारण मोठ्या आणि अधिक संख्येने लेन्स तयार होतात. तीव्र आणि अल्पकालीन हिम कमी विकृती निर्माण करतो, कारण अशा वेळी छिद्रांतील पाण्याचे अचानक गोठणे होते आणि पाण्याचा केशिकीय प्रवाह खंडित होतो. उलट, मध्यम आणि दीर्घकालीन हिमामुळे बर्फाच्या लेन्सच्या निर्विघ्न निर्मितीमुळे अधिक विकृती निर्माण होतात.
डी-आयसबिंगचा परिणाम
अवदंवणीच्या वेळी, सर्वप्रथम पृष्ठभागी मातीच्या वरच्या भागातील बर्फाचे लेन्स वितळतात, तर त्याच्या अगदी खाली गोठलेला, आणि त्यामुळे अपारगम्य, थर राहतो. वितळलेल्या बर्फाच्या लेन्समुळे मोठ्या प्रमाणात पाणी निर्माण होते, जे गोठलेल्या खालच्या थरातून झिरपू शकत नाही, त्यामुळे पृष्ठभागी थरातील हे वाढलेले पाणी मातीला अतिसंतृप्त करते आणि तिला द्रवसदृश वस्तुमानात रूपांतरित करते, ज्याला कोणतीही घट्टपणा नसतो, तर दाबाखाली ते बाजूंना ढकलले जाते. अवदंवणीच्या परिणामामुळे होणाऱ्या जमिनीच्या विकृती बऱ्यापैकी मोठ्या आणि काही प्रसंगी धोकादायक असू शकतात. अशा विकृती रेल्वे मार्गांतील आणि रस्त्यांतील कटिंग्जमध्ये वारंवार दिसून येतात, जिथे वसंत ऋतूमध्ये वितळलेल्या बर्फाच्या लेन्समधून आलेल्या पाण्यामुळे माती अतिसंतृप्त झाल्याने उतारांचा अंशतः घसरणी होतो; तसेच अशा रस्त्यांवरही, ज्यांचे पृष्ठभाग वाहतुकीमुळे त्या मातीवर विकृत होतात, ज्याची भार वहनक्षमता पाण्याने अतिसंतृप्त झाल्यामुळे नष्ट झाली आहे.
मातीवर दंवाचा परिणाम मूल्यांकन करण्याचे निकष
विविध प्रकारच्या मातीवर दंवाच्या परिणामाचा अभ्यास केल्यावर असे निष्कर्ष निघाले की दंवाविषयीच्या वर्तनाच्या दृष्टीने दोन प्रकारची माती वेगळी ओळखली पाहिजे: सुरक्षित आणि दंवाच्या दृष्टीने धोकादायक.
थंडीपासून सुरक्षित माती अशा असतात ज्यांत बर्फाचे लेन्स तयार होत नाहीत, थंडी कितीही काळ टिकली तरी. अशा प्रकारच्या मातीत फक्त रंध्रांतील पाणी गोठते आणि बर्फस्फटिक तयार होतात, थंडीच्या परिणामाखाली अत्यल्प विकृतींसह. या गटात खडी, वाळू आणि तत्सम मातींचा समावेश होतो.
गोठण्यास संवेदनशील माती अशा असतात ज्यांत बर्फाचे लेन्स तयार होतात, ज्यामुळे मोठे विकृतीकरण होऊ शकते. पृष्ठीय थरात बर्फाच्या लेन्सच्या रूपात साचलेले पाणी गोठण्याच्या प्रभावाच्या वेळी उचलण्याचा परिणामही निर्माण करते. या गटात काही धूळयुक्त-चिकणमाती, विशेषतः धूळयुक्त मातींचा समावेश होतो.
मातीची हिम-प्रतिरोधकता मूल्यांकन करण्यासाठी अनेक निकष आहेत, ज्यांपैकी आर्थर कासाग्रांडे आणि रुखलियाचे निकष सर्वाधिक प्रसिद्ध आहेत; त्यांचे वर्णन येथे केले जाईल.
कॅसाग्रांडे यांचा A निकष
हा निकष मातीच्या दाणेदार रचनेवर आधारित आहे आणि असा आहे:
a) एकसमान संघटन असलेल्या मातीत, जिची असमानतेची पातळी U < 5 आहे, ती माती जर 10% टक्क्यांपेक्षा अधिक आकाराच्या, 0,02 mm पेक्षा लहान कणांनी युक्त असेल तर ती दंवाच्या दृष्टीने धोकादायक ठरते.
b) असमान रचनेच्या मातीमध्ये, ज्याचा असमानतेचा दर्जा U > 15 आहे, जर त्यात 3% पेक्षा जास्त 0,02 mm पेक्षा लहान आकाराची कणं असतील, तर ती माती दंवाच्या दृष्टीने धोकादायक ठरते.
जरी हे निकष बराच काळ वापरले जात असले आणि नेहमीच विश्वासार्ह परिणाम देत आले असले, तरी त्याची कमतरता अशी आहे की तो फक्त मातीच्या कणरचनेवर आधारित आहे आणि मातीतील हिमप्रभावावर परिणाम करणारे इतर घटक विचारात घेत नाही. म्हणून आज हा निकष अतिशय कठोर आणि आर्थिकदृष्ट्या अयोग्य मानला जातो.
रुक्लिएव्ह निकष
या पद्धतीनुसार मातीला कठीण कणांच्या कडकपणानुसार दोन भिन्न गटांमध्ये विभागले जाते, म्हणजे खडबडीत कणांचा गट, ज्यामध्ये कणांचा व्यास d > 2 mm असतो, आणि सूक्ष्म कणांचा गट, ज्यामध्ये कणांचा व्यास d < 2 mm असतो. हिमाविरुद्ध मातीची टिकाऊपणा मोजण्यासाठी सूक्ष्म कणांच्या प्रमाणाचा खडबडीत कणांच्या प्रमाणाशी संबंध निश्चित केला जातो आणि हा संबंध खालच्या व वरच्या सीमांद्वारे दिला आहे (आकृ. 1).
खालची मर्यादा म्हणजे कणांच्या d < 0,02 mm व्यासाच्या घन कणांचे, भरावाच्या कोरड्या वजनाच्या तुलनेत, म्हणजेच 0-2 mm अंशाचे, कमाल अनुमत प्रमाण; एवढ्या प्रमाणात प्रतिकूल परिस्थितीत, जसे की भूजल पातळी उंच असणे, प्रतिकूल हवामान (दीर्घकाळ टिकणारे दंव) आणि जमिनीतील जास्त नैसर्गिक आर्द्रता, दंवामुळे प्रत्यक्षात कोणतेही नुकसान होत नाही.
वरची मर्यादा म्हणजे कोरड्या सूक्ष्मकण फ्रॅक्शनच्या वजनाच्या तुलनेत d < 0,02 mm या कणांचे कमाल अनुमत प्रमाण, ज्यावर अनुकूल परिस्थितींमध्ये—जसे भूगर्भजलाची कमी पातळी, अनुकूल हवामान परिस्थिती (अल्पकालीन दंव) आणि मातीची कमी नैसर्गिक आर्द्रता—प्रत्यक्षात दंवामुळे जवळजवळ कोणतेही नुकसान होत नाही.
आकृ. 1 रुक्लीच्या निकषानुसार दंवामुळे मातीच्या धोक्याचे मूल्यमापन करण्यासाठी खालची व वरची मर्यादा
मातीतील थंडीच्या परिणामापासून संरक्षण
मातीत गोठ्याचा परिणाम किती खोलवर होतो हे त्या प्रदेशातील हवामान परिस्थितींवर अवलंबून असते. आपल्या देशात तो प्रामुख्याने 0,8 ते 1,0 m जमिनीच्या पृष्ठभागाखाली असतो. त्यामुळे 1,0 m इतक्या किंवा त्याहून अधिक खोलीवर पाया घातलेल्या संरचना गोठ्याच्या परिणामाखाली येणार नाहीत.
रस्त्यांवरील वहनमार्गांसारख्या उथळ पायाभरणीच्या रचना हिमाच्या परिणामांना सामोऱ्या जातात, ज्यामुळे वहनमार्गात, गोठताना तसेच वितळताना, मोठ्या विकृती आणि नुकसान होऊ शकते. म्हणून रस्त्यांवरील आणि विमानतळांच्या धावपट्ट्यांच्या बांधकामात जमिनीचा हिमप्रभावाच्या दृष्टीने अभ्यास करणे आवश्यक आहे आणि जर आधारभूमी हिमास संवेदनशील असेल, तर संरक्षणात्मक उपाय करावेत. रस्ते आणि विमानतळांच्या वहनमार्गांमध्ये सर्वात प्रभावी उपाय म्हणजे बफर थर तयार करणे; त्याची जाडी अशी ठरविली जाते की वहनमार्ग आणि बफर थराची एकूण जाडी 0,80 m ते 0,60 m जड वाहतुकीसाठी, आणि हलक्या वाहतुकीसाठी 0,80 m ते 0,60 m इतकी असेल. बहुतेक वेळा वहनमार्गाखाली 0,30 m जाडीचा बफर थर हिमप्रभावाविरुद्ध पुरेसे संरक्षण देतो.
बफर थर तयार करण्यासाठीचे साहित्य सामान्यतः वाळू किंवा वाळूयुक्त गोटे असते, आणि त्याने पुढील अटी पूर्ण कराव्यात:
प्लॅस्टिसिटी निर्देशांक IP < 5
d < 0,02 mm असलेल्या अंशाचे प्रमाण 3% पेक्षा कमी
असमतोलतेची पातळी U > 7.
20 cm जाडीचा बफर थराचा वरचा भाग एकसमान आणि सूक्ष्म दाणेदार वाळू नसावा, कारण दाबून घट्ट करण्याची क्षमता अपुरी आणि वहनक्षमता मर्यादित असते. या भागात बफर थर वाळूयुक्त गोट्यांचा असावा, ज्यामध्ये 30-70% आकाराची धान्ये 2-30 mm असावीत. 30 mm पेक्षा मोठी धान्ये शिफारस केली जात नाहीत.
उथळ पायावर बांधलेले कुंपण भिंती देखील जमिनीतल्या दंवाच्या परिणामाला तोंड देतात, त्यामुळे त्या कलतात; आणि दंवाचा परिणाम वारंवार होत राहिल्यास कालांतराने त्या उलथून पडतात व कोसळतात. म्हणून, जमीन दंव-संवेदनशील असल्यास या भिंती 1,0 m खोलीवर पायाभूत कराव्यात.