माटोको संरचना
माटोको संरचना भन्नाले माटोको द्रव्यमानभित्र ठोस चरणको व्यवस्था बुझिन्छ। ज्ञात छ, माटो ठोस कणहरू र पानी, हावा वा जलवाष्पले भरिएका रन्ध्रहरूबाट बनेको हुन्छ, प्रायः केही हदसम्म हावा र केही हदसम्म पानीले। माटोमा ठोस कणहरूको व्यवस्थाअनुसार यसको संरचना निर्धारित हुन्छ। असंलग्न र संलग्न माटोका संरचनाहरू एकअर्काबाट मूलतः फरक हुन्छन्।
असंलग्न माटोको संरचना
असंबद्ध माटोको संरचना गुरुत्वाकर्षणको प्रभावमा गठन हुन्छ। यस माटोका ठोस कणहरू ठूला हुन्छन् र तलतिर खस्छन्, गुरुत्वाकर्षणको प्रभावमा जम्छन्, जबकि यस्ता कणहरूबीच अन्तरआणविक आकर्षण बलहरू हुँदैनन् वा नगण्य हुन्छन् र गुरुत्वाकर्षणले जितिएका हुन्छन्। त्यसैले असंबद्ध माटोमा ठोस कणहरू एक-अर्काको छेउमा मिलेर बस्छन् र सँगै राखिएका कणहरूबीचको खाली स्थान ओगट्छन् (आकृति 1_a_)। यदि असंबद्ध माटोका कणहरू लगभग गोलाकार र एउटै आकारका छन्, जस्तो समान संरचनाको बालुवाको अवस्थामा हुन सक्छ, भने संरचना सबैभन्दा सघन (आकृति 1_b_) वा सबैभन्दा विरल (आकृति 1_c_) हुन सक्छ, जुन माटोभित्र ठोस कणहरूको व्यवस्था कस्तो छ भन्नेमा निर्भर हुन्छ। सबैभन्दा सघन संरचना असंबद्ध माटोको अधिकतम सम्भव घनत्वसँग मेल खान्छ र यसको छिद्रता nmin=26% हुन्छ। सबैभन्दा विरल संरचना असंबद्ध माटोको न्यूनतम सम्भव घनत्वसँग मेल खान्छ र यसको छिद्रता nmax=48% हुन्छ। उदाहरणका लागि, बालुवाका थुम्काहरूको खुकुलो बालुवामा n=47% हुन्छ।
चित्र 1 असम्बद्ध माटोको संरचना
यदि असम्बद्ध माटोका कणहरूको आकार फरक-फरक छ, ताकि साना कणहरूले ठूला कणहरूबीचका खाली ठाउँहरू भरिदिन्छन् (चित्र 2), भने माटोको रन्ध्रता धेरै कम हुन्छ (n=20% र कम)।
आकृति 2. विभिन्न दाना-आकारको असंबद्ध माटोको संरचना
बन्धित माटोको संरचना
संसक्त माटोमा संरचना असंसक्त माटोको भन्दा फरक हुन्छ। संसक्त माटोमा संसंजन बलहरू देखा पर्छन्, जुन साना कणहरूको गुरुत्व बलभन्दा बलिया हुन्छन् र तिनीहरूलाई सम्पर्क सतहहरूमा टाँसिदिन्छन्। त्यसैले यी कणहरू क्रमैले तलतिर खस्दैनन्, बरु एकअर्कामाथि र एकअर्कासँग टाँसिएर रहन्छन् (चित्र 3_a_), यसरी शृङ्खलाबद्ध-जालीदार संरचना (चित्र 3_b_), फुस्रो (चित्र 3_c_) आदि बनाउँछन्, जसलाई उच्च-क्रमका संरचना भनिन्छ। यस्ता संरचनाहरूमा ठूलो छिद्रता हुन्छ, जुन 60-80% सम्म कुल द्रव्यमानको हुन सक्छ, जुन असंसक्त माटोमा हुन सक्दैन।
चित्र 3. बद्ध माटोको संरचना
छिद्रता र छिद्रता गुणांक
माटोको छिद्रता छिद्रहरूको आयतनको कुल माटोको आयतनसँगको अनुपातद्वारा परिभाषित हुन्छ (चित्र 4).
चित्र 4. माटोको छिद्रता र छिद्रता गुणांक
यदि हामीले … सँग जनाए भने
- Vp = माटोमा रहेका छिद्रहरूको आयतन
- Vm = ठोस कणहरूको आयतन
- V = माटोको कुल आयतन,
माटोको पोरोसिटी n परिभाषाअनुसार
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
अर्थात् माटोको कुल आयतनको % मा
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
माटोको रन्ध्रता गुणांक रन्ध्रहरूको आयतन र ठोस कणहरूको आयतनको अनुपातका रूपमा परिभाषित गरिन्छ:
e = VP / Vm.
पोरोसिटीको n सूत्रबाट हामीसँग:
nVP + nVm = VP, जहाँबाट Vm = VP(1-n) / n.
यो मानलाई e को सूत्रमा प्रतिस्थापन गर्दा हामी पाउँछौँ
e = n / (1-n).
यो समीकरणबाट हामी प्राप्त गर्छौं
e - ne = n; n = e / (1 + e).
छिद्रता गुणांकले माटोको घनत्व देखाउँछ। e गुणांक जति ठूलो हुन्छ, माटोको घनत्व त्यति नै कम हुन्छ, र उल्टो पनि त्यस्तै हुन्छ। यदि कुनै संपीड्य माटो भारको प्रभावमा बस्छ भने, बसाइँअघि र पछिको छिद्रता गुणांकको सहायताले बसाइँको परिमाण Δ_h_ निर्धारण गर्न सकिन्छ।
मोटाइ h भएको संपीड्य माटोको तहलाई विचार गरौँ (चित्र 5_a_)। यदि यो तहमा भार लगाइयो भने, यो Δ_h उचाइसम्म बस्छ, जसले गर्दा भारका कारण यसको मोटाइ h1 मा घट्छ। त्यसअनुसार
Δ_h_ = h – h1.
किनकि संपीड्य माटोको धसाइ छिद्रहरूको खर्चमा हुन्छ, किनभने ठोस कणहरू व्यवहारतः असंपीड्य हुन्छन्, र यदि माटोका छिद्रहरू आंशिक वा पूर्ण रूपमा पानीले भरिएका छन् भने पानी पनि असंपीड्य हुन्छ, त्यसैले यो धसाइलाई sl. 5_b_ मा योजनात्मक रूपमा देखाउन सकिन्छ।
आकृति 5. भारअन्तर्गत h मोटाइको संपीड्य माटो तहको धसाइ Δh
यदि हामीले h0 लाई रन्ध्र नभएका ठोस कणहरूको तहको कल्पित उचाइ, जसलाई घटाइएको उचाइ भनिन्छ, भनेर चिन्हित गर्यौं भने, तब हामी बसाइँ Δ_h_ लाई घटाइएको उचाइ h0 सँगको सम्बन्ध यस प्रकार व्यक्त गर्न सक्छौं:
यदि हामीले एकाइ बराबर चौडाइ र लम्बाइ भएको माटोको तहलाई विचार गर्यौँ भने, उचाइहरू h, h1 र h0 ले आयतन जनाउँछन्, त्यसैले
जहाँ e सघनन अघि रहेको छिद्रता गुणांक हो, e1 सघननपछि। माथिकोबाट सघनन प्राप्त हुन्छ
Δ_h_ = h0 (e-e1).
यदि घटाइएको उचाइ h0 को मान प्रतिस्थापन गरियो भने, बसोबासलाई बसोबासअघिको तहको उचाइ h सँग सम्बन्धमा व्यक्त गर्न सकिन्छ:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
किनकि n = VP / V = VP / h_, त्यसैले VP = nh.
यसरी प्राप्त हुन्छ
माटोका केही प्रकारका सरासर पोरोसिटी n र पोरोसिटी गुणांक e का निम्न औसत मान हुन्छन्:
माटोको आर्द्रता
माटोमा रहेको पानीका प्रकारहरू
माटोमा पानी ठोस कणहरूबीचका रन्ध्रहरूमा रहेको पानी अर्थात् पोर्ना पानी को रूपमा देखा पर्छ, त्यसपछि ठोस कणहरूमा adsorbovana voda को रूपमा र constituciona voda को रूपमा पनि।
रन्ध्र पानी स्वतन्त्र पानी बाट बनेको हुन्छ, जुन ठोस कणहरूबीच रहन्छ र Darcy को नियमअनुसार चल्छ; त्यसपछि गुरुत्वीय पानी, जुन गुरुत्वाकर्षणको प्रभावमा माथिबाट तलतिर सबै दिशामा सर्छ, तर यसको गति Darcy को नियमअनुसार हुँदैन; केशिकीय पानी, जुन केशिकीय बलहरूको प्रभावमा सर्छ; र पृष्ठ तनावको पानी, जुन माटोका ठोस कणहरूबीचका कुनाहरूमा पृष्ठ तनावले अडिन्छ र यसलाई कुणीय रन्ध्र पानी पनि भनिन्छ। यो सबै पानी माटोलाई 110oC तापक्रममा सुकाएर पूर्ण रूपमा हटाउन सकिन्छ।
अधिशोषित पानी त्यो हो जसले ठोस कणहरूलाई घेरेको हुन्छ, जससँग यो आणविक बलद्वारा बाँधिएको हुन्छ। यसलाई तथाकथित पानीको फिल्म भनिन्छ, जसको मोटाइ 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron) सम्म हुन्छ। ठूला कणहरूमा अधिशोषित पानीको प्रभाव नगण्य हुन्छ, तर कणहरू जति साना हुन्छन् त्यति यसको प्रभाव बढी हुन्छ, किनकि कणहरूको कुल सतह बढ्छ र त्यससँगै माटोको एकाइ आयतनमा अधिशोषित पानी र ठोस कणहरूको अनुपात पनि बढ्छ। यो पानीलाई केवल आंशिक रूपमा मात्र 110oC मा सुकाएर हटाउन सकिन्छ।
संरचनात्मक पानी खनिजहरूको क्रिस्टलमा माटोका ठोस कणहरूसँग रासायनिक रूपमा संयुक्त भएको हुन्छ। यो पानी अत्यन्त थोरै मात्रामा हुन्छ र माटो सुकाएर हटाउन सकिँदैन। त्यसैले यस पानीलाई ठोस कणको अभिन्न भाग मान्न सकिन्छ।
माटोमा पानीको मात्रा
परिभाषाअनुसार, माटोमा पानीको मात्रा वा माटोको आर्द्रता भनेको माटोमा रहेको पानीको तौल र त्यसका ठोस अवयवहरूको तौलबीचको अनुपात हो। माटोमा पानीको मात्राअनुसार तीन अवस्था छुट्याइन्छन्: पानीले पूर्णतः सन्तृप्त माटो, आंशिक रूपमा सन्तृप्त माटो र पूर्णतः सुक्खा माटो।
पूर्ण रूपमा पानीले सन्तृप्त माटो
यदि हामीले n लाई माटोको पोरोसिटी, γs लाई सबै कणहरूको आयतन-तौल, γw लाई पानीको आयतन-तौल मान्यौं भने, सन्तृप्त माटोको आर्द्रता wZ निम्न समीकरणद्वारा व्यक्त गर्न सकिन्छ
माटो आंशिक रूपमा पानीले सन्तृप्त
यदि हामीले Ww लाई माटोमा रहेको पानीको तौल, Wd लाई ठोस कणहरूको तौल अर्थात् माटोको सुख्खा तौल मानेँ भने, माटोको आर्द्रता w
w = Ww / Wd , अर्थात् माटोको सुक्खा तौलको प्रतिशतमा: w = 100 Ww / Wd.
यस अवस्थामा माटोको आर्द्रता आर्द्रता स्तर Sr द्वारा व्यक्त गर्न सकिन्छ, जसले माटोमा रहेको पानीको वास्तविक तौल र त्यही माटोमा रहेका सबै रन्ध्रहरू पानीले भरिएको भए हुने पानीको तौलबीचको अनुपात जनाउँछ, अर्थात् सन्तृप्त माटोको पानीको तौलसँग:
अर्थात् _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
आर्द्रताको स्तरका सीमा मानहरू यसप्रकार छन्:
- पूर्ण रूपमा सुक्खा माटोका लागि w = 0; Sr = 0
- पूर्ण रूपमा सन्तृप्त माटोका लागि w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
चित्र 6. आंशिक रूपमा पानीले संतृप्त माटोको नमूना
सन्तृप्ति डिग्री (जसलाई कहिलेकाहीँ सन्तृप्तता वा आर्द्रताको डिग्री पनि भनिन्छ) पानीले भरिएका रन्ध्रहरूको आयतन र कुल रन्ध्र आयतनको अनुपात (चित्र 6): बाट पनि व्यक्त गरिन्छ:
Sr = V2 / V1
जहाँ V2 पानीले भरिएका रन्ध्रहरूको आयतन हो, V1 पानी, हावा र ग्यासले भरिएका रन्ध्रहरूको कुल आयतन हो। यदि w माटोको सुख्खा तौल Wd को प्रतिशतमा आर्द्रता हो भने, हामीसँग हुन्छ
V2 * γW = w Wd, जसबाट V2 = w Wd / γw.
अर्कोतर्फ, हामीसँग V1 = V – Vd, हुन्छ, र Vd * γs = Wd, भएकाले यो
Vd = Wd / γs र V1 = V – Wd / γs.
त्यसैले, माटोको संतृप्ति डिग्री Sr हुनेछ
अर्थात् माटोको सुक्खा तौलको प्रतिशतका रूपमा
माटो पूर्ण रूपमा सुख्खा
यस अवस्थामा w = 0 हुन्छ। सबै छिद्रजल हटाइएको हुन्छ, जबकि सोखिएको पानी आंशिक रूपमा मात्र हटेको हुन्छ, अर्थात् पानीको तह अझै रहन्छ, तर यसको मोटाइ घटेको हुन्छ।