மண்ணின் கேபிலாரிட்டி மற்றும் ஊடுருவுதிறன்

கேப்பிலாரிட்டி

காப்பிலாரித்தன்மையின் தோற்றம்

ஒரு குறுகிய கண்ணாடிக் குழாயை அமைதியான, ஓட்டமில்லாத நீர் உள்ள பாத்திரத்தில் மூழ்கவைத்தால், குழாயில் உள்ள நீர் பாத்திரத்தின் N மட்டத்திலிருந்து hk உயரம் வரை உயரும்; மேலும் குழாயில் உள்ள நீர்மேற்பரப்பு ஒரு மேனிஸ்க் m (படம் 1_a_) உருவாக்கும். குழாய் எவ்வளவு குறுகலாக இருக்கிறதோ, அத்தனை அதிகமாக நீரின் கேபிலரி ஏற்ற உயரம் hk இருக்கும்.

நீரின் நுண்குழாய் உயர்வு மேனிஸ்கஸின் m உயர்த்தும் சக்திக்குக் காரணமாகக் கூறப்படுகிறது; மேலும் அது நீர் மற்றும் கண்ணாடி மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான மூலக்கூறிடையிலான ஈர்ப்பு விசைகளாலும், குறுகிய குழாயின் சுவர்களுக்கும் நீரின் மேற்பரப்பிற்குமிடையிலான மேற்பரப்பு இழுவைகளாலும் விளக்கப்படுகிறது.

கண்ணாடி குழாயின் சுவர் மற்றும் நீர்மேற்பரப்பின் தொடுதலில், மேனிஸ்கஸ் m இன் மேற்பரப்பிற்கு தொடுவட்டத் திசையில் கேப்பிலரி விசை R செயல்படுகிறது; இது நீள அலகுக்கு எடை அலகாக, p/cm-இல் வெளிப்படுகிறது. R விசையை சுவர் மேற்பரப்புக்கு இணையான J கூறாகவும், சுவருக்கு செங்குத்தான P கூறாகவும் பிரிப்பதன் மூலம், மேனிஸ்கஸின் உயர்த்தும் விசையைப் பெறுகிறோம் (படம் 1_a_): J = R cosα.

R விசை சுவரின் மேற்பரப்புடன் உருவாக்கும் α கோணம் கேப்பிலாரிட்டி கோணம் எனப்படுகிறது; அதன் மதிப்பு 0 முதல் 90O வரை மாறுகிறது. கேப்பிலரி குழாயிலுள்ள நீரும் அதன் சுவர்களும் முழுமையாக சுத்தமாக இருந்தால், α=0 ஆகும், மேனிஸ்கஸின் மேற்பரப்பு அரைவட்டமாக இருக்கும், மேலும் மேலே தூக்கும் விசை J = R அதிகபட்சமாக இருக்கும் (படம் 1_b_). நீரில் கொழுப்புகள் அல்லது கரிம அமிலங்கள் இருந்தால் அல்லது சுவர்கள் கொழுப்பாக இருந்தால், α = 90° ஆகும்; மேனிஸ்கஸ் உருவாகாது, ஆகவே நீரின் கேப்பிலரி உயர்வும் இருக்காது.

படம் 1. நீரின் கேப்பிலரி உயர்வு மற்றும் கேப்பிலரி விசைகளின் விளைவு

உயர்த்தும் விசை J = R cos α என்பதை சமநிலை நிபந்தனையின் அடிப்படையில் பெறுகிறோம்; அதன்படி, ஆரம் r கொண்ட மேனிஸ்கஸ் அல்லது கேப்பிலரி குழாயின் முழு சுற்றளவிலும் செயல்படும் மொத்த உயர்த்தும் விசை J குழாயில் h__ₖ உயரமுள்ள நீர்த் தூணை தாங்குகிறது:

R cos α · 2π_r_ = π_r_² h__ₖ γ__w

இங்கு γ__w என்பது நீரின் பருமன் எடை ஆகும்.

முந்தைய சமன்பாட்டிலிருந்து நாம் உயர்த்தும் கேப்பிலரி விசையைப் பெறுகிறோம்:

R cos α = (r · h__ₖ · γ__w) / 2

அல்லது கேப்பிலரி உயர்வு உயரம்:

h__ₖ = (2_R_) / (r · γ__w) · cos α  [cm].

சூடான கேப்பிலரி நீர், அதிக ஒட்டுநிலை காரணமாக, குளிர்ந்த நீரைவிட கேப்பிலரி குழாயில் அதிக உயரத்திற்கு எழுகிறது. அதனால், ஒரே கேப்பிலரி உயர்வு h__ₖ க்கு சூடான கேப்பிலரி நீருக்கான தூக்கும் விசை R cos α குளிர்ந்த நீரைவிட குறைவாக இருக்கும். நீரின் வெவ்வேறு வெப்பநிலைகள் t க்காக, அனைத்து ஒரே நிலைமைகளிலும் நடத்தப்பட்ட சோதனைகளின்படி, தூக்கும் விசை R cos α க்கான பின்வரும் மதிப்புகள் பெறப்பட்டன:

கேப்பிலரி குழாயில் உள்ள நீர் இழுவையில் உள்ளது; ஏனெனில் R cos α என்ற விசை அதனை மேலே உயர்த்துகிறது, அதே சமயம் ஈர்ப்பு விசை அதனை கீழே இழுக்கிறது. எனினும், கேப்பிலரி குழாயின் சுவர்கள் கேப்பிலரி விசை _R_ன் தாக்கத்தில் அழுத்தத்தில் உள்ளன.

மண்ணில் கேபிலாரிட்டி

கேபிலாரிட்டி மண்ணிலும் உள்ளது; அங்கு கேபிலரி குழாய்கள் துளைகளாக இருந்து, அவை எல்லாத் திசைகளிலும் ஒன்றோடொன்று தொடர்புடையவையாக உள்ளன. மண் நுண்மையாக இருந்தால், துளைகளும் அதற்கு ஏற்ப நுண்மையாக இருக்கும், மேலும் கேபிலரி ஏறும் உயரம் அதிகமாகும். இந்த உயரம் மண்ணின் அமைப்பினாலும் நிர்ணயிக்கப்படுகிறது. இருப்பினும் மண்ணில் உள்ள துளைகள் வெவ்வேறு அளவுகளில் இருக்கலாம்; அச்சமயம் கேபிலரி ஏறும் உயரமும் வேறுபடும். கேபிலரி நீர் மேலேறும் போது “அகலமான இடங்கள்” என்பவற்றை, அதாவது உயர்ந்த நிலையில் உள்ள குறுகிய துளையின் விட்டத்திற்கு உரிய உயர்த்தும் விசையை விடப் பெரிய துளையை அடைந்தால், அதன் பின்னரும் கேபிலரி ஏற்றம் அந்தப் பெரிய துளையின் அளவினைப் பொறுத்திருக்கும். இந்த நிலையில், மிகப்பெரிய துளைகளினால் நிர்ணயிக்கப்படும் செயலில் உள்ள கேபிலரி ஏற்ற உயரம் h__ₖₐ நமக்கு கிடைக்கிறது. இதற்கு மாறாக, நிலத்தடி நீர்மட்டம் குறையும் போது மேலிருந்து கீழே இறங்கும் கேபிலரி நீர் “குறுகிய இடங்கள்” என்பவற்றை சந்தித்தால், அந்த ஆழத்தில் அது தங்கி விடும்; மேலும் கீழே இறங்காது. அந்நிலையில், சிறிய துளைகளினைப் பொறுத்த நிச்பந்த கேபிலரி உயரம் h__ₖₚ நமக்கு உள்ளது.

மண்ணின் துளையுடைமை மற்றும் அமைப்பைப் பொறுத்து மூடிய மற்றும் திறந்த கேப்பிலரி நீர் என வேறுபடுத்தப்படுகிறது.

மூடிய காப்பிலரி நீர் நிலத்தடி நீர்மட்டத்துடன் தொடர்புடையது; மேலே எழும்பும்போது அது தன்னுடைய முன்பாக உள்ள காற்றை மண்ணின் மேற்பகுதிக்குத் தள்ளுகிறது. இதன் விளைவாக மேல்பகுதியில் உள்ள காற்றின் அளவு அதிகரிக்கிறது; அதனுடன் அந்தப் பகுதித்துளைகளில் காற்றழுத்தமும் அதிகரிக்கிறது. இவ்வாறு உருவாகும் காற்றழுத்தம் காப்பிலரி எழுச்சிக்கு எதிர்ப்பை வழங்குவதால், காப்பிலரி எழுச்சியின் உயரம் குறைவாக இருக்கும். இந்த நிலை மண்ணின் கீழ்ப்பட்ட அடுக்குகளில், நிலத்தடி நீர்மட்டத்துக்கு உடனடியாக மேலே, துளைகள் சிறியதாக இருக்கும் இடங்களில் ஏற்படுகிறது; அங்கு காப்பிலரி எழுச்சியில் நீர் அனைத்து துளைகளையும் முழுமையாக நிரப்புகிறது.

திறந்த காப்பிலரி நீர் கூட நிலத்தடி நீர்மட்டத்துடன் தொடர்புடையதே, ஆனால் இது காற்று நிரம்பிய துளைகளின் அருகில் அமைந்துள்ளது. இந்த நிலை மண்ணின் மேற்பகுதியில், துளைகள் பல்வேறு அளவுகளில் இருக்கும் இடத்தில் தோன்றுகிறது; அங்கு நீர் சிறிய துளைகளை மட்டுமே முழுமையாக நிரப்புகிறது, அருகிலுள்ள பெரிய துளைகளில் காற்று இருக்கும். காப்பிலரி ஏற்றத்தின் போது, நீர் சிறிய துளைகளிலிருந்து காற்றை அண்டிய பெரிய துளைகளுக்குத் தள்ளிவிடுகிறது; இதனால் காப்பிலாரியில் உள்ள நீர்த்தூணின் மேற்பகுதிக்கு மேலே காற்றழுத்தம் உருவாகாது, எனவே திறந்த காப்பிலரி நீர், மூடியதைவிட அதிக உயரத்துக்கு மேலேறும்.

மூடிய அல்லது திறந்த கேப்பிலரி நீர் உள்ள மண்டலம், மண்ணில் உள்ள நீரின் அளவு w அடிப்படையில் நிர்ணயிக்கப்படுகிறது.

மூடப்பட்ட கேப்பிலரி நீரில் அனைத்து துளைகளும் நீரால் நிரம்பியிருக்கும்; அதாவது மண்ணிலுள்ள நீரின் அளவு w = wZ, அதாவது செறிவு நிலை S__ᵣ = 1,0.

திறந்த கேப்பிலரி நீரில் சிறிய துளைகள் முழுமையாக நீரால் நிரப்பப்பட்டிருக்கும்; பெரிய துளைகள் பகுதியளவில் நீரால் நிரப்பப்பட்டிருக்கும், அதாவது திடத் துகள்களைச் சுற்றியுள்ள நீர்ப்படலம் மற்றும் திடத் துகள்களுக்கிடையிலான தொடும் இடங்களில் உள்ள மூலை நீர் (படம் 2) ஆகியவற்றால், மேலும் பகுதியளவில் காற்றால் நிரப்பப்பட்டிருக்கும். எனவே இச்சூழலில் w < wZ, அதாவது S__ᵣ < 1,0.

தனித்தனி மண் வகைகளுக்கான கேபிலரி எழுச்சி உயரங்கள் h__ₖ ஆய்வகச் சோதனையால் நிர்ணயிக்கப்படுகின்றன. தனித்தனி மண் வகைகளுக்கான சராசரி h__ₖ உயரங்கள் பின்வரும் வரம்புகளில் உள்ளன:

படம் 2. நீர்ப் படலம் மற்றும் மூலை மேற்பரப்பு நீர்

மண்ணில், முடிச்சொற்பு விசை R உறைந்த துகள்கள் மீது அழுத்தமாகச் செயல்பட்டு, அவற்றுக்கிடையில்所谓 தோற்ற ஒருங்கிணைப்பு உருவாகிறது; அது உறைந்த துகள்களுக்கிடையே ஒரு வகை இணைப்புத்தன்மையாகச் செயல்படுகிறது. ஆனால், மண்ணின் துளைகளில் நீரின் முடிச்சேற்ற உயர்வு இருக்கும் வரை மட்டுமே இந்தத் தோற்ற ஒருங்கிணைப்பு நிலைத்திருக்கும். மண்ணை நீரில் மூழ்கடித்தால் துளைகள் நீரால் நிரம்பி, இந்தத் தோற்ற ஒருங்கிணைப்பு இல்லாததாகிறது.

புலப்படும் ஒட்டுதன்மை என்பது, உலர்ந்த நிலையில் தளர்வாக இருக்கும் நுண்மணல், ஈரமான நிலையில் ஒரு குறிப்பிட்ட ஒட்டுபாட்டைப் பெறுவதால், அதை வடிவமைக்க முடிகிறது; இது உலர்ந்த மணலில் சாத்தியம் அல்ல என்பதைக் குறிக்கிறது.

அறியப்பட்டதுபோல், கடற்கரை மணல் (அது சேறு அல்லது தூசி அல்லாவிட்டால்) அலைகளால் நனைந்த நிலையில் மிகச் சிறந்த சுமைத் தாங்கும் திறனை உடையது; அதன்மேல் சைக்கிள் அல்லது கார் ஓட்ட முடியும். ஆனால் சிறிது தூரத்தில், அலைகள் அடையாத இடத்தில், அதே மணல் உலர்ந்த நிலையில் இருக்கும் போது அதன் மேல் சக்கரங்கள் மூழ்கிப் போகும்; எனவே எந்தவித இயக்கமும் சாத்தியமில்லை.

புகல்திறன்

ஊடுருவக்கூடிய திரளின் வழியாக நீர் ஓட்டம்

இணைக்கப்பட்ட பாத்திரங்கள் A, B, C, D, மற்றும் E (படம் 3) ஆகியவற்றைக் கவனிப்போம்; அவற்றின் a முதல் b வரை உள்ள நீளம் L கொண்ட ஒரு பகுதி ஊடுருவக்கூடிய பொருளால், உதாரணமாக மணலால், நிரப்பப்பட்டுள்ளது. இணைக்கப்பட்ட பாத்திரங்களின் ஒரு முனையில் நீரை N₁ நிலைவரை ஊற்றினால், இணைக்கப்பட்ட பாத்திரங்களில் நீர்மட்டம் வேறுபடும்; அதாவது, நீர் பயணித்த தூரம் அதிகரிக்கும்போது அது குறையும்.

படம் 3. ஊடுருவக்கூடிய நிறை வழியாக நீரின் ஓட்டம்

வடிகட்டியின் முன்புறத்தில் நீர்மட்டத்தின் உயரம் h₁ எட்டப்பட்ட தருணத்தில், வடிகட்டியின் பின்னால் h₂ இருக்கும். அப்போது N₁ மற்றும் N₂ நிலைகளுக்கிடையிலான வேறுபாடு:

h = h₁ − h₂

வேறுபாடு h என்பது இழக்கப்பட்ட ஹைட்ரோஸ்டாட்டிக் அழுத்தத்தைக் குறிக்கிறது; அது வடிகட்டியின் வழியாக நீர் ஓட்டத்திற்கு எதிரான எதிர்ப்பை சமாளிக்க பயன்படுத்தப்பட்டுள்ளது. இந்த நிகழ்வை பிரெஞ்சு விஞ்ஞானி டார்சி 1856. ஆண்டிலேயே கண்டறிந்தார். அப்போது அவர் ஊடுருவக்கூடிய திரளின் வழியாக நீர் ஓடும் வேகத்தை கணக்கிடும் பின்வரும் சூத்திரத்தையும் முன்வைத்தார்:

V = k × (dh/dL) = ki

எங்கே உள்ளது:

• V = நீர் ஊடுருவக்கூடிய தொகுதியினூடே நீர் ஓடும் வேகம், [cm/sec],
• k = மண்ணின் பண்புகளைப் பொறுத்த ஊடுருவல் குணகம் [cm/sec],
• dh = h என்ற உயரத்தை பல எண்ணிக்கையிலான மெல்லிய அடுக்குகளாகப் பிரிக்கும்போது கிடைக்கும் நீளம் [cm],
• dL = L என்ற நீளம், h என்ற உயரம் எத்தனை நீளங்களாகப் பிரிக்கப்படுகிறதோ அதே எண்ணிக்கையிலான நீளங்களாகப் பிரிக்கப்படும் போது கிடைக்கும் நீளம், [cm].

dh/dL = i என்ற உறவு, இறங்குதலில் இழக்கப்படும் உயரத்தின் தண்ணீர் பயணித்த தூரத்துடன் உள்ள விகிதமாகும்; இதனை நீர்மத் தாழ்வு, நீர்மப் படிநிலை அல்லது பைய்சோமெட்ரிக் சரிவு என்றும் அழைக்கப்படுகிறது._ இந்த இறுதி பெயர் B, C மற்றும் D குழாய்களிலிருந்து வந்தது; அவை பியேசோமெட்ரிக் குழாய்கள் என அழைக்கப்படுகின்றன. முதல் வடிவம் நீரை வடிகட்டியின் வழியாக நகர்த்துவதற்கான டார்சி விதி என அழைக்கப்படுகிறது.

ஒரு குறிப்பிட்ட நேரம் t இல், வடிகட்டியின் குறுக்கு வெட்டுப் பரப்பளவு A வழியாக செல்லும் நீரின் மொத்த அளவு q என்பது

q = kAti,

அதிலிருந்து

k = q / (Ati),  அதாவது k = qL / Ath,

அங்கு i = h / L = L நீளத்தில் ஹைட்ராலிக் சரிவு (அது நேர்கோட்டாக இருந்தால்).

கூறெண் k 10°C வெப்பநிலையில் மண்ணின் ஊடுருவுதன்மையை வெளிப்படுத்துகிறது.

k = V / i  [cm/sec]

மண் வழியாக நீர் ஓடும் வேகம் பின்வரும் சூத்திரத்திலிருந்து பெறப்படுகிறது

V = q / A  [cm/sec],

இங்கு q = மண்ணின் வழியாக வினாடிக்கு cm³ அளவில் ஓடும் நீரின் அளவு, 10°C வெப்பநிலையில், A = நீர் ஓடும் மண் குறுக்கு வெட்டு பரப்பளவு, [cm²].

டார்சி விதி நீரின் லேமினார் இயக்கங்களுக்கு, அதாவது சுழல் இல்லாத அமைதியான இயக்கங்களுக்கு, குறைந்த வேகங்களில், பொருந்தும்.

வடிகட்டி வேகம் V என்பது மண் வழியாக நீர் நகரும் சராசரி வேகம் ஆகும்; அது நீரின் உண்மையான ஓட்ட வேகத்துடன் ஒத்திருக்காது, அந்த உண்மையான வேகம் அதிகமாகும். வடிகட்டியின் வழியாக நீர் செல்லும்போது, சமமான ஊடுருவல் கூறுகள் dh பெரும்பாலும் நீரின் பாதை நீளங்களான dL இன் சமமற்ற நீளங்களில் செலவாகின்றன; ஆகவே ஹைட்ராலிக் சாய்வு மண்ணின் ஒரு புள்ளியிலிருந்து மற்றொரு புள்ளிவரை மாறுபடுகிறது.

மண்ணின் ஊடுருவுநிலை அதில் உள்ள துளைகளின் அளவைப் பொறுத்தது. மண்ணின் மீது சுமையைப் பயன்படுத்தினால், துளைகள் சுருங்கி, ஊடுருவுநிலை குறையும். ஆகவே, ஒரே மண்ணுக்காக, ஊடுருவுநிலை மாறிலி k என்பது துல்லியமாக துளையுணர்வு அளவுக்கு, அதாவது அதன் துளையுணர்வு மாறிலி e_க்கு நேர்பாக விகிதமானது. எனினும், பல்வேறு வகை மண்ணுகளுக்கு, e மாறிலியால் வெளிப்படுத்தப்படும் துளையுணர்வை ஊடுருவுநிலையின் அளவுகோலாகக் கொள்ள முடியாது; ஏனெனில் இந்த ஊடுருவுநிலை மண்ணின் மொத்த துளையுணர்வை விட அதிலுள்ள துளைகளின் அளவையே அதிகமாகச் சார்ந்துள்ளது. உதாரணமாக, e = 0,25 எனும் துளையுணர்வுடைய கற்கற்கள் கலந்த மணல் மிகப் பெரிய ஊடுருவுநிலையைக் கொண்டது, k = 2–3 cm/sec, ஆனால் 60% எனும் துளையுணர்வும் e = 1,50 எனும் துளையுணர்வு மாறிலியும்கொண்ட மென்மையான களிமண், குறைந்த ஊடுருவுநிலையைக் கொண்டுள்ளது, k = 10⁻⁶ முதல் 10⁻_¹¹ cm/sec.

ஊடுருவல் மாறி k ஐ கணக்கீட்டு முறையிலும், ஆய்வக மற்றும் களச் சோதனைகளினாலும் நிர்ணயிக்கலாம்.

கணக்கீட்டு முறையில் குணகத்தை நிர்ணயித்தல் மண்ணின் துகள்வியல் அமைப்பை அடிப்படையாகக் கொண்டது. குணகம் k ஐ நிர்ணயிப்பதற்காக திட மண் துகள்கள் கோள வடிவம் கொண்டவை என்ற கருதுகோள் ஏற்கப்படுகிறது; இது, குறிப்பாக ஒத்திசைவு கொண்ட மண்ணில், நிஜத்துடன் பொருந்தாது. ஆகையால் இவ்வாறு நிர்ணயிக்கப்படும் k குணகத்தின் மதிப்புகள் துல்லியமானவை என ஏற்றுக் கொள்ளப்படுவதில்லை.

ஆய்வக சோதனைகளின் மூலம் k குணகத்தை நிர்ணயித்தல் மிகவும் பரவலாகப் பயன்படுகிறது; இது குழப்பமடையாத மண் மாதிரிகளில் மேற்கொள்ளப்படுகிறது. எனினும், இவ்வாறு நிர்ணயிக்கப்படும் k குணகத்தின் துல்லியம் பல காரணிகளைப் பொறுத்தது; உதாரணமாக, சோதனை நடத்தப்படும் மாதிரி மண்ணில் உள்ள ஊடுருவக்கூடிய அடுக்கை எவ்வளவு மற்றும் எந்த அளவு பிரதிநிதித்துவப்படுத்துகிறது என்பதும், சோதனை கருவியில் மாதிரி குழப்பமடையாத நிலையில் உள்ளதா என்பதும், சோதனை நடத்தும் முறை என்பதும் இதில் அடங்கும். அந்த மண்ணை பிரதிநிதித்துவப்படுத்தும் போதுமான எண்ணிக்கையிலான மாதிரிகளைச் சோதித்து, சோதனை கருவியின் சிலிண்டர்களிலேயே நிலத்திலிருந்து மாதிரிகளை எடுத்து, சரியான சோதனை முறையைப் பயன்படுத்தினால், ஏற்றுக்கொள்ளத்தக்கதாக பயன்படுத்தக்கூடிய k குணகத்தின் சுமார் துல்லியமான மதிப்புகளைப் பெற முடியும்.

களப் பரிசோதனையால் k குணகத்தை நிர்ணயித்தல் மிகத் துல்லியமான மதிப்புகளை அளிக்கிறது, ஏனெனில் அது நிலவும் மண்ணின் அமைப்பு மற்றும் அடுக்கமைப்புடன் முழுமையாக ஒத்திருக்கிறது. ஆனால் k குணகத்தை இம்முறையில் நிர்ணயிப்பது அதிக நேரமும் பெரும் செலவும் தேவைப்படுவதால், இது அரிதாகவே மேற்கொள்ளப்படுகிறது; மேலும் அதன் மிகத் துல்லியமான மதிப்பு அவசியமாகத் தேவைப்படும் சந்தர்ப்பங்களில் மட்டுமே செய்யப்படுகிறது.

எமது அடித்தள அமைப்பு விதிமுறைகளின்படி, ஊடுருவல் குணகம் கொண்ட மண்ணுகள் எனக் கருதப்படுகின்றன:

• k < 10_⁻_¹¹ cm/sec — கிட்டத்தட்ட ஊடுருவாதது
• k < 10_⁻_⁹        — மிகக் குறைந்த ஊடுருவுதிறன் உடையது
• k < 10_⁻_⁷        — குறைந்த ஊடுருவுதன்மையுடையது
• k < 10_⁻_⁵        — நடுத்தர ஊடுருவுதன்மை கொண்டது
• k < 10_⁻_³        — அதிக ஊடுருவுதிறன் கொண்டது
• k > 10_⁻_³        — மிகவும் ஊடுருவக்கூடியது