मृदा यामिकी : कृषिविज्ञानात अभिप्रेत असलेल्या ‘शेतजमीन’ या अर्थापेक्षा अधिक व्यापक अर्थाने मृदा ही संज्ञा अभियांत्रिकीत वापरतात. पृथ्वीच्या कवचात आढळून येणाऱ्या मुरूम, गोटे, वाळू, गाळ इ. (शिलास्तर सोडून) नैसर्गिक स्तरांमधील सर्व पदार्थ ‘मृदा’ या संज्ञेत समाविष्ट असतात. कोणत्याही बांधकामाचा भार अखेरीस पृथ्वीवरील मृदेने पेलला जातो. त्यामुळे मृदेची भार पेलण्याची क्षमता व तीत बदल करणारे घटक यांचा अभ्यास करणे आवश्यक आहे. तसेच नैसर्गिक रीतीने मुबलक प्रमाणात उपलब्ध असलेला, बांधकामाला उपयोगी पडू शकणारा एक पदार्थ म्हणूनही अभियांत्रिकीत मृदेचे महत्त्व आहे. रेल्वे, रस्ते, विमानतळ, धरणे, इमारती इ. महत्त्वाच्या बांधकामांना विशिष्ट गुणधर्माच्या मृदांची आवश्यकता असते. त्यामुळे मृदेच्या सर्व तऱ्हेच्या गुणधर्माची व दाब प्रक्रियांची माहिती मिळविण्यासाठी केलेल्या विश्लेषणाला व अभ्यासाला मृदा यामिकी म्हणतात. मृदा यामिकीत घन व द्रायू (द्रव व वायू) पदार्थांच्या यामिकीतील नियम [⟶ यामिकी द्रायुयामिकी वायुयामिकी] मृदा व ती सारख्या अन्य रवाळ (कणीदार) सामग्रीला लावण्यात येतात आणि याचा उपयोग स्थिर पाया व मातीच्या संरचना (धरणे वगैरे) यांच्या अभिकल्पांत (आराखड्यांत), बांधकामात व त्यांच्या देखभालीत करण्यात येतो.

अभियांत्रिकी संरचनांत वापरल्या जाणाऱ्या पोलाद, काँक्रीट, लाकूड इ. सामग्रीचे गुणधर्म बव्हंशी निश्चित असतात व त्यांच्या नमुन्यावरून ते पारखून घेता येतात. मृदेचे गुणधर्म आणि दाब प्रक्रिया हे मात्र तिच्यातील घटक, त्यांचे एकमेकांशी प्रमाण कणाचे आकारमान, रचना यांनुसार स्थलकालमानाप्रमाणे बदलत असतात. त्यामुळे बांधकामाशी मृदा संबंधित असेल तेव्हा (आणि प्रत्येक बांधकामाच्या पायाचा मृदेशी हमखास संबंध येतो) स्थलकालानुरूप तिच्या गुणधर्मांत पडणारे फरक विश्लेषणाने निश्चित करणे आवश्यक असते.

बांधकामात मृदेचा बांधकाम सामग्री व बांधकामाचा भार पेलणारी सामग्री असा दुहेरी उपयोग होतो. मृदेच्या अशा तऱ्हेच्या उपयोगांसाठी मृदेचे गुणधर्म तिची भार धारण करण्याची क्षमता व भार पेलत असताना तिच्यात निर्माण होणारी प्रतिबले (एकक क्षेत्रफळावर क्रिया करणाऱ्या व परिणामांत बदल करण्याची प्रवृत्ती असलेल्या प्रेरणा उदा. ताण व कर्तन प्रतिबले) यांचा अभ्यास आवश्यक ठरतो. मृदेचे गुणधर्म आणि तिच्यातील प्रतिबले यांचा विचार करताना मृदेच्या मुख्य तीन घटकांचा म्हणजे मृदेचे घन कण, कणांमधील पोकळ्यांतील पाणी व हवा, त्यांचे एकमेकांशी प्रमाण व त्यामुळे गुणधर्मांत पडणारे फरक यांचा विचार केला जातो. थोडक्यात, मृदेचे गुणधर्म निश्चित करण्यासाठी घ्याव्या लागणाऱ्या कसोट्याचा व त्यांवर आधारित वर्गीकरणाच्या पद्धतीचा अभ्यास, तसेच मृदेची निरनिराळ्या उपयोगांत भार पेलण्याची ताकद ठरविण्याच्या पद्धती व त्यासाठी वापरावयाच्या सिद्धांतांचा अभ्यास मृदा यामिकीत करतात. बांधकामाच्या भारामुळे होणारे जमिनीचे दृढीकरण, जलसेतू वा जलवाहिन्या अशा विशिष्ट प्रकारच्या बांधकामात मृदा भरावाच्या भारामुळे होणारे बदल, धरणे व रस्ते यांच्या भरावांचे स्थैर्य आणि या भरावांचे आधार भिंतीवर येणारे पार्श्वीय दाब, तसेच बांधकामाच्या पायासाठी उपयोगात आणावयाच्या मृदेच्या स्थिरीकरणाच्या पद्धती यांचाही अभ्यास मृदा यामिकीत केला जातो.

इतिहास: जगातील स्थापत्याच्या इतिहासावरून असे दिसते की, मातीचा बांधकामासाठी करण्यात येणारा उपयोग अतिशय जुना आहे. मानव समूहाने राहू लागल्यापासून बांधकामासाठी तो मातीचा उपयोग करीत आहे. भारतात बांधकामासाठी मोठ्या प्रमाणात मातीचा उपयोग केल्याची अनेक उदाहरणे इतिहासात नमूद आहेत. वेदांत किंवा पुराणांत वर्णन केलेल्या घरे, प्रासाद, उद्याने, किल्ले इत्यादींचा विचार केला नाही, तरीही इ. स. पू. तिसऱ्या शतकातील मौर्यांचे गिरनार पर्वताजवळील सुदर्शन धरण किंवा इ. स. अकराव्या शतकातील भोज राजांनी आताच्या भोपाळ शहराजवळ बांधलेले मातीचे भोजपूर धरण बांधकांतील मृदेच्या अभ्यासपूर्ण उपयोगाची साक्ष देतात. आजही विदर्भात मालगुजारी तलाव म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या असंख्य तलावांचे मातीचे भराव तीन –चार शतके उभे राहून बांधकामशास्त्राची प्रगती दर्शवतात. पण या बांधकामांसंबंधीचे नियम, सूत्रे विश्लेषण पद्धती इत्यादींसंबंधीची माहिती मात्र उपलब्ध नसल्याने ह्या शास्त्राच्या अभ्यासाची पुढे फारशी प्रगती झाली नाही. 

भारताप्रमाणे जगातील इतर देशांत इमारती, रस्त्यांचे भराव इत्यादींसाठी मातीचा उपयोग केला जात असे पण आधुनिक वैज्ञानिक चिकित्सेने मृदेचा अभ्यास फ्रेंच शास्त्रज्ञांनी सतराव्या शतकात सुरू केला. एकोणिसाव्या शतकापर्यंत त्यात फारशी प्रगती झाली नाही. १७७६ साली सी. ए. कुलंब यांनी प्रथम भूमि-दाबाचा (एखाद्या सीमेवर भूमीमुळे पडणाऱ्या दाबाचा) सिद्धांत व मृदेचा कर्तन प्रतिरोध ही संकल्पना मांडली. १८५६ साली एच्‌. पी. जी. डार्सी यांनी मृदेतील पाण्याच्या प्रवाहाचा व जी. जी. स्टोक्‌स यांनी घन कणांच्या अवसादनाचा (द्रवाच्या तळाशी स्थिरावण्यासंबंधीचा) सिद्धांत मांडला. १८५७ साली डब्ल्यू. जे. एम्‌. रँकिन यांनी भूमि-दाबाचा व मृदांची धारणा क्षमता ठरविण्याचा आपला सिद्धांत मांडला, तर जे. व्ही. बूसँक्यू यांनी १८८५ मध्ये जमिनीखालील स्तरांवर होणाऱ्या भारांच्या वितरणाचा सिद्धांत मांडला. असे जरी असले, तरी मृदेबद्दलच्या गृहीत कल्पनांवरून गणिताने काढलेली अनुमाने प्रत्यक्षात खरी ठरू शकत नाहीत, हे काही बांधकामे पडल्याने लक्षात आले. एकोणिसाव्या शतकात फ्रान्स, जर्मनी व ऑस्ट्रिया या देशांत रेल्वेचे बरेच भराव ढासळले व त्याबाबतच्या प्रत्यक्ष निरीक्षणांवर बरीच चर्चा झाली. विसाव्या शतकाच्या प्रारंभीच्या वर्षांत स्वीडनमधील रेल्वेचा भराव ढासळल्याने झालेली प्राणहानी, जर्मनीतील कील कालवा बांधताना ढासळलेल्या आधार भिंती, अमेरिकेतील पनामा कालवा बांधताना व बांधल्यावर ढासळलेल्या आधार भिंती आणि भराव ह्यांमुळे यूरोपात व अमेरिकेत मृदेच्या अभ्यासास महत्त्व आले आणि मूलगामी संशोधनास चालना मिळाली. १९२५ मध्ये ⇨ कार्ल टेरझागी यांनी आपला जर्मन भाषेतील सुप्रसिद्ध ग्रंथ Erdbaumechanik लिहून मृदेबद्दलची मौलिक तत्त्वे प्रकाशित केली. तेव्हापासून या शास्त्राकडे जगाचे लक्ष वेधले गेले. व या शास्त्राच्या प्रगतीस चालना मिळाली. नंतर इंटरनॅशनल सोसायटी ऑफ सॉइल मेकॅनिक्‌स अँड फाउंडेशन एंजिनियरिंग या संस्थेतर्फे १९३८ मध्ये अमेरिकेतील हार्व्हर्ड विद्यापीठात भरलेलल्या पहिल्या परिषदेत या शास्त्राला मृदा यामिकी (सॉइल मेकॅनिक्‌स) हे नामाभिधान मिळून एक स्वतंत्र शास्त्र म्हणून ते ओळखले जाऊ लागले. लवकरच या संस्थेच्या निरनिराळ्या देशांत (भारतात १९४८ मध्ये) शाखा स्थापन करण्यात आल्या. संस्थेच्या दर चार वर्षांनी भरणाऱ्या परिषदांमध्ये अद्ययावत संशोधन व मूलभूत सिद्धांत यांविषयी चर्चा होऊ लागली. त्यामुळे हे शास्त्र १९४७ नंतरच्या काळात खूपच परिणत झाले. प्रथम विद्यापीठांच्या पदव्युत्तर अभ्यासक्रमातून व नंतर स्थापत्य अभियांत्रिकी शाखेतील पदवीसाठी विहित अभ्यासक्रमातून त्याला निश्चित असे स्वतंत्र स्थान मिळाले. आता भारतातील बहुसंख्य अभियांत्रिकी महाविद्यालयांतून हे शास्त्र एक स्वतंत्र विषय म्हणून शिकविले जाते.


मृदा उत्पत्ती: मृदा ह्या खडकांपासून वेगवेगळ्या प्रक्रियांमुळे, वेगवेगळ्या परिस्थितीत बनत असल्याने व खडकांतील खनिजे व त्यांचे प्रमाण स्थलकालानुरूप बदलत असल्याने मृदांच्या गुणधर्मावर, निर्मिती प्रक्रियांचा व मूळ खनिजांचा परिणाम होणे अपरिहार्य आहे. त्यामुळे मृदांचे गुणधर्म व त्यांच्या विश्लेषण पद्धतीच्या अभ्यासात मृदा उत्पत्तीचा अभ्यास आवश्यक आहे.

वातावरण क्रियांमुळे भौतिक व रासायनिक क्रिया होऊन खडकांचे विघटन व अपघटन (रेणूचे तुकडे पडण्याची क्रिया) होऊन मृदा तयार होते. (यासंबंधीचे अधिक विवरण ‘मृदा’ या नोंदीत दिलेले आहे).

खडकातील विद्राव्य (विरघळणारे) पदार्थ विरघळवून पाणी वाहून जाते अगर मुरते आणि विरल झालेले खडकांचे अवशेष पाण्याच्या प्रवाहाअभावी मूळ स्थानावरच रहातात. अशा अवशेषांना स्थानाविशिष्ट मृदा म्हणतात. अवशेषांतील खनिज घटक व त्यांची रचना ही सामान्यपणे मूळ खडकासारखीच रहाते.

हिमनद्यांच्या प्रवाहाबरोबर वाहून आलेली दगडांची झीज व लहानमोठे दगडगोटे हे एकमेकांत प्रच्छन्नपणे मिसळले जातात व नंतर जमिनीवर गाळाच्या स्वरूपात साचतात. अशा मृदांना हिमानी मृदा असे म्हणतात. अशा मृदांच्या कणांचे आकारमान, गुणधर्म, प्रमाण इ. एकमेकांपासून भिन्न असू शकतात.

वाऱ्याच्या प्रवाहाने खडकांची एका ठिकाणाची झीज व तूटफूट दुसऱ्या ठिकाणी वाहून नेली जाते. अशा मृदांना परिवाहित मृदा असे म्हणतात. साधारपणे अशा मृदांच्या कणांचे आकारमान, गुणधर्म इ. जवळजवळ सारखे असतात.

नदीच्या पाण्याच्या प्रवाहाबरोबर वाहून आलेला गाळ तिच्या काठांवर ठिकठिकाणी विखुरला जातो. अशा मृदांना गाळाची मृदा म्हणतात. साधारणपणे अशा मृदांच्या कणांचे आकारमान फार लहान असून दरवर्षीच्या गाळाच्या थरांमुळे त्या दृढ व घट्ट होऊ लागतात.

 आ. १. मृदेची घटकात्मक मांडणी वनस्पतींची वाढ व त्या सडून होणाऱ्या अपघटनाने तसेच प्राण्यांची कवचे व अजैव सांगाडे जमा होण्याने जैव मृदा तयार होतात. अशा मृदांत जैव घटक जास्त असतात.

मृदा घटक व काही व्याख्या: मृदेत घन कण, पाणी व हवा कमीअधिक प्रमाणात असतात. मृदेत हे घटक एकमेकांत मिसळले असले, तरी व्याख्या समजावून घेण्यासाठी ते अलग आहेत असे समजल्यास आ. १ प्रमाणे दिसतील.

या आकृतीत W – मृदा खंडाचे एकूण वजन, Ws – मृदेतील घन कणांचे वजन, Ww – मृदेतील पाण्याचे वजन, V – मृदा खंडाचे एकूण घनफळ, Vs – घन कणांचे घनफळ, V w – पाण्याचे घनफळ, Va – हवेचे घनफळ, Vv – पोकळीचे घनफळ. या आकृतीवरून मृदेची भौतिक स्थिती व खाली दिलेल्या संबंधित व्याख्या समजण्यास मदत होते.

पोकळीचे गुणोत्तर (e) 

Vv 

पोकळीचे घनफळ 

… (१)

Vs 

घन कणांचे घनफळ 

सच्छिद्रता (n)= 

Vv 

x१००= 

पोकळीचे घनफळ 

X१०० 

… (२)

मृदेचे एकूण घनफळ 

संपृक्तांश (Sr)= 

VW 

x १००= 

पाण्याचे घनफळ 

x १००  

… (३)

VV 

पोकळीचे घनफळ 

आर्द्र स्थिती (W)= 

WW 

x १००= 

पाण्याचे वजन 

x १००  

… (४) 

Ws 

घन कणांचे वजन 

विशिष्ट घनता (G) = 

rs 

घन कणांची घनता 

… (५) 

rw 

पाण्याची घनता 

मृदेची घनता (γt)= 

मृदेचे वजन 

…( ६) 

मृदेचे घनफळ  

शुष्क मृदेची घनता (yD) = 

  Ws 

घन कणांचे वजन 

…(७) 

 

   V 

मृदेचे घनफळ  

 
                   

निमज्जित घनता (Y‘) = 

(Ws)sub 

घन कणांचे निमज्जित वजन 

…(८)

मृदेचे घनफळ 

घन कणांची घनता(Ys) = 

     Ws 

 = 

घन कणांचे वजन 

…(९) 

 

      Vs 

घन कणांचे घनफळ 

 
               

यांपैकी सच्छिद्रता, संपृक्तांश व आर्द्र स्थिती (जलांश) ही शेकडेवारीने व्यक्त केली जातात. 

मृदेतील पोकळीचे प्रमाण कमीजास्त होऊ शकत असल्याने मृदेच्या विरल व घट्ट स्थितींतील पोकळीच्या गुणोत्तरावरून मृदेची सापेक्ष घनता (Dr) किंवा घनता निर्देशांक (ID) काढता येतो.

emax – e

सापेक्ष घनता (Dr)

=

emax – emin

……. १०

emax =  विरल  अवस्थेतील पोकळीचे गुणोत्तर, emin = घट्ट अवस्थेतील पोकळीचे गुणोत्तर, e = नैसर्गिक अवस्थेतील पोकळीचे गुणोत्तर किंवा इतर कोणतेही पोकळीचे गुणोत्तर.

खनिज घटक: मृदेचे गुणधर्म मुख्यतः घन कणांच्या गुणधर्माXवर अवलंबून असल्याने घन कणांतील खनिज द्रव्ये व भौतिक गुणधर्म विचारात घेतले जातात.

मृदा कणांच्या खनिज घटकांत मुख्यतः सिलिका, कॅल्शियम कार्बोनेट (चुनखडी), झिओलाइट, ॲल्युमिना, केओलिनाइट, माँटमोरिलोनाइट, इलाइट ही खनिजे कमीअधिक प्रमाणात आढळतात. यांपैकी सिलिका, कॅल्शियम कार्बोनेट व झिओलाइट यांचे कण मोठ्या आकारमानाचे असल्याने मृदेला खरखरीतपणा येतो. ॲल्युमिना व माँटमोरिलोनाइट यांचे कण ⇨ कलिल रूपात असल्याने मृदेस चिकटपणा येतो, तर केओलिनाइट व इलाइट पापुद्र्यासारख्या आकाराचे असल्याने मृदा आकार्य (प्रतिबलामुळे निर्माण होणारी विकृती प्रतिबल काढून टाकल्यावरही कायम राहील अशी) होते.

जैव मृदेत सूक्ष्म व अतिसूक्ष्म जैव कण असतात. मृदांचा रंग राखाडी ते काळसर असतो. जलसंपृक्त (मृदेतील पोकळी पूर्णपणे पाण्याने भरली असताना) अवस्थेत मृदा खूप दाबली जाऊ शकते, तर शुष्क अवस्थेत बरेच वजन पेलू शकते. ⇨ पीट (अर्धवट कुजलेले वा न कुजलेले वनस्पतींचे अवशेष आणि पाणी यांमुळे बनणारी मृदा) या प्रकारातील मृदेच्या कणांचा आकार धाग्याच्या तुकड्यासारखा (सूत्रल) व रंग फिकट तपकिरी ते काळसर असतो. पीट संपृक्त व शुष्क अवस्थेत दाबले जाऊ शकते. एकंदरीने जैव मृदा भार पेलण्याच्या दृष्टीने फारशा भरवशाच्या नसतात.

मृदा कणांचे आकारमान हे गोळ्यापासून रेणूएवढे असू शकते, यांपैकी २ मायक्रोनपेक्षा 

(१ मायक्रॉन = १० -६ मी.) मोठ्या आकारमानाच्या कणांचे गुणधर्म जवळजवळ सारखे असतात पण त्या पेक्षा लहान आकारमानाच्या कणांचे गुणधर्म वेगवेगळे असू शकतात. अशा मृदेचा विद्राव केल्यास मृदा कणास ⇨ ब्राउनीय गती मिळते. त्यामुळे त्यांचे निक्षेपण (तळाशी साचण्याची क्रिया) होऊ शकत नाही. अशा अवस्थेत कणांच्या पृष्ठभागावर सम प्रकारचा विद्युत्‌ भार असून कणांतील खनिजे व आकारमाननुरूप त्यांचे प्रमाण कमीअधिक असते. सामान्यतः हा विद्युत्‌ भार ऋण प्रकारचा असतो. तसेच कणांतील खनिजांचे आयनीकरण (विद्युत्‌ भारित अणू, रेणू वा अणुगटांत रूपांतर) होऊन ठराविक आयनांचा विनिमय होऊ शकतो. त्यामुळे कणांच्या पृष्ठभागावर इतर प्रकारचे घटक किंवा पाण्याच्या कणांचा कमीअधिक जाडीचा थर धरून ठेवला जातो. यास संश्लिष्ट जल म्हणतात. त्यामुळे कणांचे आकारमान वाढते. कापसाच्या पिकासाठी उपयोगी पडणाऱ्या काळ्या जमिनीतील मृदा कणांच्या घटकांत अशा प्रकारे पाण्याचे थर सामावून घेण्याची प्रवृत्ती जास्त प्रमाणात आढळते. पावसाळ्यात जमिनीतील पाणी वाढल्यावर कणांमधील घटकांच्या थरांची जाडीदेखील वाढते व जमिनीस फुगवटा येतो, तर उन्हाळ्यात थरांची जाडी कमी होऊन आकारमान कमी झाल्याने जमिनीस भेगा पडण्याची व काही वेळा ती खचण्याची शक्यता असते. त्यामुळे बांधकामावर कमीजास्त दाब निर्माण होऊन बांधकामास तडे पडण्याची शक्यता असते.


मृदेतील कणांची संरचना: मृदेतील घन कण, पाणी व हवा यांची मांडणी आणि ह्या घटकांच्या आंतरक्रिया ह्या सर्वांना मिळून ‘मृदा संरचना’ म्हणतात. मृदा संरचनेचा तिच्या पारगम्यता (द्रायू पदार्थ पलीकडे जाऊ देण्याची क्षमता), संकोच्यता (दाब दिला असता घनफळ कमी होण्याचा गुणधर्म) इ. गुणधर्मांवर परिणाम होतो.

आ. २ मृदा संरचना : (अ) एक-कणी संरचना (आ) ऊर्णिकाय -संरचना (इ) विकिरित संरचना (ई) मधाच्या पोळ्यासारखी संरचना. रवाळ मृदेतील कणांवर गुरुत्वाकर्षणाचा परिणाम जास्त होत असल्याने मृदा कण एकमेकांना चिकटून बसलेले असतात. अशा मांडणीस एक-कणी संरचना म्हणतात [आ. २ (अ)]. अशा कणांच्या आकारमानानुरूप व त्यांच्या एकमेकांवर बसण्याच्या पद्धतीनुसार मृदेतील पोकळीच्या आकारमानात फरक पडतो. त्यामुळे मृदेच्या पोकळीच्या गुणोत्तरात ०·३५ ते ०·९१% असा फरक पडू शकतो व त्यामुळे सच्छिद्रतेत ४८% ते २६% एवढा फरक पडू शकतो. सापेक्ष घनतेनुसारही अशा मृदांच्या गुणधर्मांत बराच फरक पडू शकतो.

दोन मायक्रॉनपेक्षा लहान आकारमानाचे कण असलेल्या गाळ वगैरे मृदांतील कणांची संरचना असमाकर्षी गुणधर्मामुळे रवाळ मृदांतील कणांप्रमाणे होते त्याच आकारमानाचे चिकणमातीचे कण विद्युत्‌ भारित असल्याने व त्यांत आंतररेणवीय आकर्षण जास्त असल्याने मृदा कण एकावर दुसरा किंवा एकमेकांत समांतर अशी संरचना होते. एकमेकांशेजारील कणांमधील एकूण विद्युत्‌ भार आकर्षणाचा असल्यास आ. २ (आ) प्रमाणे संरचना होते. तिला ऊर्णिकाय (लोकरीच्या पुंजक्यासारखी) संरचना असे म्हणतात. त्याऐवजी विद्युत्‌भार प्रतिसारक असल्यास आ. २ (इ) प्रमाणे संरचना होते. तिला विकरित संरचना म्हणतात.

कित्येक वेळा असे कण एकमेकांवर उभे रहात असताना कणांची मालिका तयार होऊन त्यांना कमानीसारखा आकार येतो. अशा कमानी एकमेकींस सर्व बाजूंनी जोडल्या जाऊन त्यांची मधाच्या पोळ्यासारखी संरचना होते [आ. २ (ई)].

काही वेळा कणांचे लहान लहान पुंजके तयार होऊन त्यांच्याही कणांसारख्या कमानी होऊन मधाच्या पोळ्याप्रमाणे संरचना होते.

ऊर्णिकाय व मधाच्या पोळ्यासारख्या संरचनांत मृदा कणावर दुसऱ्या थराचा भार पडल्यास वा कणाभोवती विद्युत्‌ भाराचा प्रभाव तुरटीसारख्या रसायनाने नष्ट केल्यास, अशी मांडणी मोडून पडते व एकविध मांडणी शिल्लक राहते आणि त्याचा इतर गुणधर्मांवर परिणाम होतो. विकिरित संरचनेत पारगम्यता कमी असते. वास्तवात मृदेत सर्व प्रकारच्या संमिश्र स्वरूपात असतात.

मृदेचे सूचक गुणधर्म: मृदेचा बांधकामात उपयोग करण्यासाठी वा पाण्यासाठी उपयोग करण्यापूर्वी मृदेचे गुणधर्म ठरवावे लागतात. त्यांना सूचक गुणधर्म असे म्हणतात. हे गुणधर्म ठरविण्यासाठी घ्यावयाच्या कसोट्या प्रत्यक्ष बांधकामाच्या जागेवर घेतल्यास त्यांना क्षेत्रीय कसोट्या म्हणतात, तर मृदेचा नमुना प्रयोगशाळेत आणून जास्त अचूक कसोट्या लावून गुणधर्म ठरविल्यास त्या कसोट्यांना प्रयोगशाळेतील कसोट्या म्हणतात.

मृदेचे काही गुणधर्म तिची आर्द्र स्थिती, विशिष्ट गुरुत्व, पोकळीचे गुणोत्तर, सापेक्ष घनता, कणांचे आकारमानानुरूप वितरण व अवस्थांक यांवर अवलंबून असल्याने प्रथम हे गुणधर्म ठरवावे लागतात. या गुणधर्मास सूचक गुणधर्म म्हणतात.

आर्द्र स्थिती ठरविण्यासाठी नैसर्गिक स्थितीतील मृदेचे वजन करून ती ११० से. पर्यत तापवितात. नंतर परत वजन करून बाष्परूपाने बाहेर पडलेल्या पाण्याचे वजन ठरवितात. त्याचे कोरड्या मृदेच्या वजनाशी गुणोत्तर म्हणजे आर्द्र स्थिती होय. ती शेकडेवारीतही मांडतात. याशिवाय इतरही अनेक पद्धतींनी आर्द्र स्थिती ठरविता येते. आर्द्र स्थितीनुसार मृदेचे अनेक गुणधर्म बदलत असल्याने आर्द्र स्थिती महत्त्वाची ठरते.

मृदेतील कणांत पोकळी असून ती पाण्याने कमीअधिक प्रमाणात भरली जाऊ शकत असल्याने मृदेची घनता तिचे एकूण वजन व एकूण घनफळ यांवरून ठरवितात. मृदा शुष्क स्थितीत असल्यास घनता कमी असते आणि पोकळी पूर्णपणे पाण्याने भरलेली असल्यास घनता वाढते. मृदा जलस्तराखाली असल्यास बुडल्यामुळे तिची घनता कमी होते. मृदेचा भार, पार्श्विक भूमि-दाब, मृदेतील प्रतिबले, भारवाहकता आदि ठरविताना घनतेचा उपयोग करावा लागतो.

मृदेतील घन कणांचे वजन व त्यांचे घनफळ यांच्या साहाय्याने मृदेची घन कणांची घनता व विशिष्ट गुरुत्व ठरविता येतात. घनता व घन कणांची घनता यांच्या साहाय्याने मृदेतील पोकळीचे प्रमाण, संपृक्तांशाचे मान आदि ठरविता येतात.

मृदेतील पोकळीचे आकार व आकारमान कणांच्या आकारावर व त्यांच्या मांडणीवर अवलंबून असतात. लहान कणांमुळे मोठ्या कणांतील पोकळीचे आकार व आकारमान बदलू शकतात. त्यामुळे मृदेतील कणांचे आकारमान व मृदेतील त्यांचे प्रमाण (शेकडेवारीत) फार उपयुक्त ठरते. मृदेतील प्रत्येक कण वेगळा काढून त्याचे आकारमान मोजणे अशक्य असल्याने एकाच आकारमनाची भोके असलेल्या चाळणीचा उपयोग करतात. भारतीय मानक पद्धतीनुसार भोकाच्या मायक्रॉन आकारमानानुसार चाळण्यांना वेगवेगळे क्रमांक दिलेले आहेत. ६० मायक्रॉन आकारमानापर्यंतच्या कणांच्या पृथक्करणासाठी ४ मिमी. भोकाच्या आकारमानापासून ते निम्म्याने भोकाचे आकारमान असलेल्या चाळण्यांचा एक संच वापरतात. त्यातून ठराविक वजनाची मृदा ठराविक वेळेसाठी (साधारणपणे १० मिनिटे) चाळतात. प्रत्येक चाळणीवर राहिलेल्या मृदेचे पृथकपणे वजन घेऊन त्या आकारमानापेक्षा एकूण मोठ्या कणांची शेकडेवारी व लहान कणांची शेकडेवारी काढतात. अर्घलॉगरिथमी आलेखीय कागदावर कणांचे आकारमान (लॉगरिथमी प्रमाणानुसार) व त्यापेक्षा बारीक कणांची शेकडेवारी (नेहमीच्या रेखीय प्रमाणानुसार) यांचा आलेख काढतात. त्यावरून ६०% व १०% बारीक कणांचे आकारमान ठरवितात. त्यांच्या गुणोत्तरास एकविधता गुणांक म्हणतात. १०% बारीक कणांच्या आकारमानाच्या मृदेचे परिणामी आकारमान म्हणतात.


कणांचे आकार अनियमित असल्याने आकारमान ठरविताना त्याच आकारमानाच्या गोळ्याचा व्यास विचारात घेतात. त्यास समतुल्य व्यास म्हणतात. कणांच्या आकारमानानुसार मृदा कणांना खालीलप्रमाणे नावे दिलेली आहेत.

   नाव                                                         आकारमान 

गोटे, रेवा                                                २ मिमी. पेक्षा मोठे 

रेती (वाळू)                                            ६० मायक्रॉन ते २ मिमी. 

गाळवट                                                 २ मायक्रॉन ते ६० मायक्रॉन 

चिकणमाती                                            २ मायक्रॉनपेक्षा लहान 

गाळवट व चिकणमाती यांच्या पृथक्करणासाठी कणांच्या पाण्यातील अवसादनाच्या वेगासंबंधीच्या डार्सी यांच्या सिद्धांतावर आधारित स्टोक्स सूत्रानुसार कणांचे आकारमान ठरवितात.

ते सूत्र असे : D = 

√ 

30η He

(G – 1) t

  

येथे D –समतुल्य कणाचा व्यास (मिमी.), η –पाण्याची श्यानता (दाटपणा) ग्रॅ. से. / सेंमी .), G –कणाचे विशिष्ट गुरूत्व, He –कण ज्या उंचीतून पाण्यातून खाली येतो (सेंमी.), t –काल (से.).

कणाचा समतुल्य व्यास त्याचे विशिष्ट गुरुत्व व पाण्याची श्यानता यांवर मुख्यत्वे अवलंबून असतो. अतिसूक्ष्म कणांचे किलाटन होऊन (न वुरघळणाऱ्या सारख्याच्या स्वरुपात अलग होऊन) ते एकमेकांस चिकटण्याची शक्यता असते. ते टाळण्यासाठी विद्रावात हायड्रोजन पेरॉक्साइड, सोडियम हेक्झामेटा फॉस्फेट यांसारखी विकिरणकारी (विद्रावातील कण विखुरणारी) रसायने वापरतात.

चिकणमातींच्या कणांचे पृथक्करण करण्यासाठी शोषनळी (ठराविक घनफळाचा द्रव एखाद्या पात्रातून शोषून काढून घेण्यासाठी वापरण्यात येणारी नळी) पद्धती वा तरकाटा [⟶ द्रव घनतामापक] पद्धती वापरतात. ठराविक वजनाच्या चिकणमातीचा ठराविक घनफळाच्या (१,००० मिलि.) पाण्यात विद्राव तयार करून पृष्ठभागापासून ठराविक अंतरावरून ठराविक घनफळाचा विद्राव पूर्वनियोजित कालांतराने शोष नळीने शोषून घेतात व सुकण्यास ठेवतात आणि त्याचे वजन घेतात. ठराविक वेळानंतर शोषलेल्या कणांचा व्यास स्टोक्स यांच्या वरील सूत्रानुसार ठरवितात. अशा प्रकारे कणांचे आकारमान व त्यांचे मृदेतील प्रमाण ठरविता येते.

तरकाटा पृथक्करण पद्धतीत विद्रावांतील कणांचे अवसादन होत असताना विद्रावाची घनता कमी होत जाऊन त्या प्रमाणात तरकाटा विद्रावात जास्त बुडत जातो. त्यावरून कणांचे आकारमान आणि प्रमाण ठरविले जाते.

कलिलवत कणांचे आकारमान व प्रमाण मात्र या पद्धतीने काढता येत नाही. त्यासाठी इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाचा उपयोग करावा लागतो [⟶ कलिल]. अशा तऱ्हेने मृदेतील लहानमोठ्या सर्व कणांचे आकारमान व प्रमाण ठरवितात आणि नंतर त्यांचा वितरण आलेख काढतात (आ. ३).

आ. ३. प्रारूपिक (नमुनेदार) कणांचे आकारमानानुसार वितरण आलेख : (१) कापसाच्या पिकाखालील काळी माती (पुणे). (२) रेताड–गाळवटाची चिकणमाती (अजमेर), (३) चांगली श्रेणीयुक्त रेती (जोधपूर).एकविधता गुणांक जेवढा लहान तेवढी कणांच्या आकारमानांत कमी विविधता व त्यांत पोकळीचे गुणोत्तर जास्त, तर गुणांक जेवढा मोठा तेवढी विविधता जास्त व पोकळीचे गुणोत्तर कमी असते. आलेखाच्या उतारास वक्रता गुणांक म्हणतात. एकविधता गुणांक  

(Cu) व वक्रता गुणांक (Cc) खालील सूत्रानुसार ठरवितात. ही पद्धत ॲलेन हेझन यांनी शोधून काढली.

एकविधता गुणांक (Cu) =

D60

D10

 

वक्रता गुणांक (Cc) =

(D30)2

… (११)

D10 XD60

 

येथे D60 – ६०% सूक्ष्मतर व्यास, D30 – ३०% सूक्ष्मतर व्यास व D10 − १०% सूक्ष्मतर व्यास.

आ. ४. अवस्थांकमृदेच्या अवस्था व अटरबर्ग (आटरबॅरी) अवस्थांक: मृदेच्या अवस्थांत पाण्याच्या कमीजास्त प्रमाणानुसार बदल होतो. त्या प्रमाणात तिचा आकार बदलण्यास सुलभता येते. सामान्यपणे सूक्ष्म कणांच्या मृदेत हा गुणधर्म जास्त प्रकर्षाने दिसून येतो. मृदा घन, अर्धघन वा आकार्य व द्रव वा प्रवाही या अवस्थांत असू शकते. जेव्हा मृदा एका अवस्थेतून दुसऱ्या अवस्थेत जाते, तेव्हा तिचा आकार बदलण्यास असणारा प्रतिरोधदेखील बदलतो. हा प्रतिरोध कर्तन बल व संकोची बल ह्या रूपांत व्यक्त केला जातो. त्यामुळे अवस्था बदल ठरविणे आवश्यक असते. मृदेची अवस्था तिच्या आर्द्र स्थितीवर अवलंबून असते. अटरबर्ग यांनी अवस्था बदलाच्या आर्द्र स्थिती ठरविण्याचे निकष ठरवून दिले असून अवस्था बदलाच्या आर्द्र स्थितींना अटरबर्ग अवस्थांक म्हणतात. अवस्था व अवस्थांक यांचे परस्परसंबंध आकृती ४ वरून स्पष्ट होतात.


शुष्क मृदेच्या ज्या आर्द्र स्थितीनंतर आकुंचन होत नाही त्यास आकुंचन अवस्थांक (WS) म्हणतात व आकुंचनाच्या शुष्क स्थितीतील घनफळाशी होणाऱ्या गुणोत्तरास आकुंचन गुणोत्तर म्हणतात. थोडक्यात, ह्या आर्द्र स्थितीपेक्षा जास्त आर्द्र स्थितीत मृदा आकार्य होऊ लागते व कमी आर्द्र स्थितीत मृदेला आकार देता येत नाही.

ओल्या मृदेची ३ मिमी. व्यासाची १ सेंमी सलग लांबी जेव्हा बनविता येते त्या आर्द्र स्थितीत आकार्य अवस्थांक (WP)  म्हणतात. आकुंचन व आकार्य अवस्थांक यांमधील आर्द्र स्थितीत मृदा आकार्य असून तिला कोणताही आकार देता येतो.

ज्या कमीत कमी आर्द्र स्थितीत, ओल्या मृदेच्या, अटरबर्ग द्रव अवस्थांक ठरविण्याच्या साधनातील विहित आकाराच्या थराने विभागलेल्या गोळ्याचे विहित पद्धतीने दिलेल्या २५ ठोक्यांत १३ मिमी. अंतरापर्यत एकत्रीकरण होते, त्या आर्द्र स्थितीत द्रव अवस्थांक (WL) म्हणतात. थोडक्यात, असेही म्हणता येईल की, मृदा जास्तीत जास्त ज्या आर्द्र स्थितीपर्यत कर्तन प्रतिरोध दर्शविते ती आर्द्र स्थिती म्हणजे द्रव अवस्थांक. ह्यापेक्षा पाण्याचे प्रमाण जास्त असेल, तर मृदा वाहण्यास सुरुवात होऊन तिचा आकार ठराविक राहू शकणार नाही.

द्रव अवस्थांक व आकार्य अवस्थांक ह्या दरम्यानच्या आर्द्र स्थितीत मृदा आकार्य असल्याने या दोहोंतील फरकास आकार्यता निर्देशांक (IP)  म्हणतात. (IP = WL – WP).

असमाकर्षी रवाळ मृदेत आकार्य अवस्था जवळजवळ नसते. त्यामुळे तिचा आकार्यता निर्देशांक फार कमी असतो. आकार्यता निर्देशांक व द्रव अवस्थांक यांचा उपयोग मृदांच्या वर्गीकरणासाठी होतो.

सूक्ष्म कणांच्या मृदेचा नैसर्गिक आर्द्र स्थितीत मिळणारा प्रतिसाद आकार्यता निर्देशांकाच्या प्रमाणात मोजतात व तो सुसंगती निर्देशांकाने (Ic) दर्शविला जातो.

Ic =

WL – W

………………….. (१२)

IP

येथे Ic – सुसंगती निर्देशांक, IP – आकार्यता निर्देशांक, WL – द्रव अवस्थांक आणि W – नैसर्गिक आर्द्र स्थिती.

सुसंगती निर्देशांक ऋण असल्यास द्रव अवस्था असल्याने मृदा द्रवाप्रमाणे वागेल आणि हा निर्देशांक एकापेक्षा जास्त असेल, तर मृदा अर्धघन अवस्थेत असून दृढ असेल असे दर्शविले जाते.

नैसर्गिक अवस्थेत मृदेची आकार्यता कितपत आहे. हे दर्शविण्यासाठी प्रवाहीपणा निर्देशांक (IP) उपयोगी पडतो.

IL =

WS – WP

………………….. (१३)

IP

येथे IL – प्रवाहीपणा निर्देशांक,  IP – आकार्यता निर्देशांक, W – नैसर्गिक आर्द्र स्थिती आणि WP – आकार्य अवस्थांक.

मृदांचे वर्गीकरण: बांधकामासाठी मृदांचा निरनिराळ्या तऱ्हांनी संबंध येतो. ह्या प्रत्येक ठिकाणी मृदेच्या वेगवेगळ्या गुणधर्मांची अपेक्षा असते. त्यामुळे गुणधर्मानुसार अभियांत्रिकीय उपयोगाच्या दृष्टीने मृदांचे वर्गीकरण आवश्यक ठरते. वर्गीकरणाने मृदांचे सर्वमान्य व पद्धतशीर वर्णन करणे सोईचे ठरते. मृदांचे भूवैज्ञानिक वा कृषिवैज्ञानिक दृष्टीने केलेले वर्गीकरण स्थापत्यदृष्ट्या फारसे उपयोगी पडत नाही. त्याऐवजी मृदांचे कणांच्या आकारमानानुसार वितरण किंवा अवस्थांक ह्यांच्या आधारे केलेले वर्गीकरण आभियांत्रिकीय अपेक्षित गुणधर्मांचे जास्त यथार्थपणे ज्ञान देते.

कणांच्या आकारमानानुरूप वितरणावर आधारित वर्गीकरणाच्या बऱ्याच पद्धती आहेत. वर्गीकरणाच्या कक्षा दर्शविणाऱ्या कणांच्या आकारमानांत त्यांमध्ये फरक आहे. प्रथम उपयोगात आणणाऱ्या व्यक्ती वा संस्था यांच्या नावाने ह्या पद्धती ओळखल्या जातात. त्यांपैकी दोन जास्त वापरात आहेत. एका पद्धतीस एम. आय. टी (मॅसॅचूसेट्‍स इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीने सुचविलेली) पद्धत म्हणतात. भारतीय मानक संस्थेने (आय एस) देखील हीच पद्धत स्वीकारली आहे [आ. ५ (अ)]. दुसऱ्या पद्धतीस पी. आर. ए. (पब्लिक रोड्‍स ॲडमिनिस्ट्रेशन) पद्धत म्हणतात. [आ. ५ (आ)]. ही पद्धत अमेरिकन ब्युरो ऑफ सॉइल्स या संस्थेने स्वीकारलेली आहे.

संमिश्र मृदांत रेवा, रेती, गाळवट व चिकणमातीच्या कणांचे मिश्रण असते. अशा मृदांतील कणांचा जाड-बारीकपणा दाखविण्यासाठी पोत हा शब्द वापरतात आणि त्यासाठी पोत वर्गीकरण तक्ता वापरतात. (आ. ६). कणांच्या आकारमानावर ज्यांचे गुणधर्म अवलंबून असतात अशा जाडसर कणांच्या संमिश्र मृदांचे वर्गीकरण ह्या तक्त्याच्या आधारे करतात. उदा., २०% रेती, ३५% गाळवट व ४५% चिकणमाती यांनी बनलेल्या मृदेचे नाव या तक्त्यावरून मिळविण्यासाठी त्या त्या प्रमाणाचा बिंदूपासून आणि अगोदरच्या अक्षांना समांतर (घड्याळाच्या काट्यांच्या हालचालीच्या दिशेच्या विरुद्ध क्रमाने) काढलेल्या रेषांचा संपात बिंदू (अ) मिळवावा लागतो. येथे दिलेले प्रमाण असलेली मृदा ‘चिकणमाती’ आहे असे तक्त्यांवरून दिसून येते.

मृदेतील रेवा भाग काढून उरलेली मृदा चाळणी संचातून चाळून रेती, गाळवट व चिकणमातीचे प्रमाण ठरवितात हे प्रमाण वर्गीकरण तक्त्यावर दर्शवून मृदा कोणत्या प्रकारात मोडते ते ठरवितात.

फरसबंदी (दगड, विटा, क्राँकीट वगैरे वापरून सपाट पृष्ठभाग तयार करण्याच्या) कामासाठी वापरलेल्या मृदांचे सापेक्ष कार्य विचारात घेऊन अमेरिकन हायवे रिसर्च बोर्डाने वर्गीकरणाची स्वतंत्र पद्धत ठरविली आहे. ह्या पद्धतीत आकारमान व अवस्थांक ह्यांच्या आधारे मृदेचा गट निर्देशांक ठरवितात. सर्व मृदांचे एकूण ७ गट कल्पिले आहेत. प्रत्येक गटास एक गट निर्देशांक असून त्यावरून मृदेचा तल स्तरासाठी कसा उपयोग होईल हे समजते. द्रव अवस्थांक, आकार्यता अवस्थांक आणि ७५ मायक्रॉनपेक्षा कमी आकारमानाच्या कणांचे प्रमाण ह्यांवरून गट निर्देशांक ठरविला जातो.

युनिफाइड सॉइल क्लासिफिकेशन पद्धतीत (यू. एस. सी.) मृदा कणांचे आकार, आकारमान, एकविधतेचा गुणांक, वक्रता गुणांक, शुष्क स्थितीतील बल, अभिस्तारण (घटक कणांच्या फेरमांडणीमुळे विकृत भागांचे होणारे विस्तारण), चिवटपणा इ. गुणधर्म विचारात घेऊन वर्गीकरण करतात. त्यासाठी वेगवेगळे तक्ते उपयोगात आणतात.

आ. ५. कणांच्या आकारमानाचे मापक्रम.


 आ.६. पोत वर्गीकरण तक्ता

आ. ७. आकार्यता तक्ता (कॅसेग्रँडे वर्गीकरण) : (१) कमी आकार्यतेची अजैव चिकणमाती, (२) मध्यम आकार्यतेची अजैव चिकणमाती, (३) उच्च आकार्यतेची अजैव चिकणमाती, (४) कमी संकोच्यतेची अजैव गाळवट, (५) मध्यम संकोच्यतेची अजैव गाळवट तसेच जैव गाळवट, (६) उच्च संकोच्यतेची अजैव गाळवट तसेच जैव गाळवट.

ए. कॅसेग्रँडे यांच्या वर्गीकरण पद्धतीत मृदेचे दृश्य स्वरूप, रंग, कणांचा स्पर्श व मृदेचे अवस्थांक ह्यांवरून सुलभतेने विश्वसनीय वर्गीकरण केले जाते (आ. ७).

विमानतळावरील धावपट्ट्या, फरसबंदी इत्यादींसाठी तलस्तर ठरविण्यासाठी ह्या पद्धतीचा वापर केला जातो.

स्थल अन्वेषण: मृदांचे गुणधर्म त्यांतील कणांच्या संरचनेवर मुख्यतः अवलंबून असल्याने मृदांच्या गुणधर्मांचा अभ्यास करताना नैसर्गिक स्थितीतील मृदा कणांच्या संरचनेचा विचार आवश्यक ठरतो. परीक्षणासाठी मृदांचे नमुने घेताना मृदा कणांच्या संरचनेत कमीतकमी बिघाड होईल, अशी काळजी घेतात. तसेच बांधकामाच्या जागेच्या भौगोलिक, भूवैज्ञानिक व भौतिक परिस्थितींचाही गुणधर्मांवर परिणाम होतो. त्यामुळे ह्या परिस्थितींची नोंद घेतली जाते. बांधकामासाठी वापरावयाची मृदा ही पृष्ठभागावरची किंवा त्याखालील असू शकते. सामान्यपणे पृष्ठभागावरील मृदांवर वातावरणातील घटकांचा परिणाम होत असल्याने बांधकामासाठी तिचा सहसा उपयोग करीत नाहीत. त्यामुळे जमिनीखालील मृदा बांधकामाशी संबंधित असतात. अशा मृदाचे नमुने परीक्षणासाठी दोन प्रकारे घेतले जातात. प्रत्यक्ष पद्धतीत जमिनीत हव्या त्या खोलीपर्यंत खड्डा करून, तेथील वेगवेगळ्या थरांची खड्ड्यात उतरून प्रत्यक्ष पाहणी करतात व प्रयोगशाळेतील कसोट्यांसाठी पाहिजे त्या थरातील मृदा काढून घेतात. अर्थात मृदा विकृत अवस्थेतच मिळते. बांधकामाशी संबंधित मृदास्तर जमिनीखाली जास्त खोलवर असल्यास अप्रत्यक्ष पद्धतीचा उपयोग करतात. जमिनीत मृदेच्या प्रकारानुरूप व इतर भौतिक स्थिती विचारात घेऊन निरनिराळ्या प्रकारची छिद्रण व वेधन यंत्रे यांचा उपयोग करून मृदेचे पृष्ठभागापासून इष्ट स्तरापर्यत सलगपणे नमुने घेता येतात. काही पद्धतींत मृदेची नैसर्गिक स्थिती बिघडण्याची शक्यता असते, तर काहींत नमुने सलग मिळण्याची शाश्वती नसते. तरीदेखील मिळालेल्या नमुन्यांच्या आधाराने मृदेचे गुणधर्म बऱ्याच यथार्थतेने समजतात. छिद्रक लहानमोठ्या आकारमानाचे असून मृदा प्रकाराप्रमाणे त्यांचा उपयोग केला जातो. छिद्रण हे काहीशा विरल, मध्यम समाकर्षण व ओलसर असलेल्या मृदांसाठी योग्य असतात. ताठर व दृढ मृदांसाठी धुतल्या जाणाऱ्या छिद्राण पद्धतीचा उपयोग करतात. दगडगोटे, खडक इ. कठीण मृदांसाठी अभिताडन (दाबयुक्त हवेच्या साहाय्याने छिद्रक दंडाला एका दट्ट्याद्वारे धक्के देऊन छिद्रणाचे काम करणारे) छिद्रक योग्य ठरतात. परिभ्रमी (चक्रीय) छिद्राण यंत्रे खडक व मृदा ह्या दोन्ही तऱ्हांच्या जमिनींसाठी योग्य असतात [⟶ वेधन व छिद्रण]. ह्याशिवाय मृदांचे अविकृत नमुने घेण्यासाठी वेगवेगळ्या तऱ्हांची नमुना घेण्याची साधने वापरली जातात.

बांधकामाचे स्वरूप, आकारमान, विस्तार, महत्त्व व भूमिस्वरूप विचारात घेऊन अन्वेषणासाठी (तपासणीसाठी) द्यावयाच्या खड्ड्यांचे व छिद्रणांचे आकारमान, खोली, एकमेकांपासूनचे अंतर इ. गोष्टी ठरवितात.

जमिनीवरील चढउतार, वनस्पती यांचा अभ्यास करूनदेखील जमिनीखाली मृदांची कल्पना येते. तसेच विमानातून सर्वेक्षण (पहाणी) करूनदेखील भूभागावरील मृदांची कल्पना येते. अर्थात ह्या दोन्ही पद्धतींत भूभागाच्या मृदांच्या सर्वसाधारण गुणधर्मांची माहिती मिळते. गुणधर्मांच्या अचूकतेसाठी मात्र त्यांचा उपयोग होत नाही.

जमिनीचा विद्युत्‌ रोध मोजून त्यावरून जमिनीच्या गुणधर्मांची थोडीफार कल्पना येते. त्यावरून मुख्यत्वे घनता व आर्द्र स्थितीची माहिती मिळते. अर्थात त्यात अचूकता येण्यासाठी व इतर गुणधर्मांसाठी प्रयोगशाळेतील परीक्षण आवश्यक ठरते.


मृदेतील पाणी: मृदांचे भोतिक व यांत्रिक (प्रतिबल व त्यामुळे निर्माण होणारी प्रतिविकृती यांतील संबंधाविषयीचे) गुणधर्म बऱ्याच प्रमाणात मृदेतील पाण्याच्या प्रमाणावर अवलंबून असल्याने मृदेतील पाण्याचा स्वतंत्रपणे विचार करणे आवश्यक आहे. गतिशीलतेच्या आधारे मृदेतील पाण्याचे धृत (धरून ठेवलेले) जल व मुक्त जल ह्या दोन प्रकारांत विभागणी करता येईल. ज्या पाण्याला गुरूत्वाकर्षणाच्या प्रभावाने गती मिळू शकते त्यास मुक्त जल म्हणतात आणि ज्या पाण्याला अशी गती मिळू शकत नाही त्यास धृत जल म्हणतात. धृत जल हे तीन उपप्रकारांत असते. संरचनात्मक जल, अधिशोषित जल व केशाकर्षित जल.

संरचनात्मक जल हे रासायनिक रीत्या चिकणमातीच्या कणाच्या खनिजांच्या स्फटिकांत असते व स्फटिकाचे विघटन झाल्याशिवाय ते वेगळे करता येत नाही. हे खूपच कमी प्रमाणात असून मृदा ११० से. पर्यत तापवूनही वेगळे करता येत नाही.

मृदांच्या कलिली कणांच्या पृष्ठभागावरील ऋण भारामुळे नजीकचे पाण्याचे रेणू आकर्षिले जाऊन घट्ट धरून ठेवले जातात. ह्यास अधिशोषित जल म्हणतात. अधिशोषित जलाची श्यानता, ⇨ पृष्ठताण व उकळबिंदू जास्त असतात. ह्यामुळे काही भौतिक गुणधर्मांवर परिणाम होतो.

मृदा कणांतील सूक्ष्म पोकळीतून केशाकर्षणाने (द्रवाच्या रेणूंतील परस्परांमधील आकर्षण व त्यांचे घन पदार्थांच्या रेणूंविषयीचे आकर्षण यांच्या सापेक्षतेमुळे द्रवाची घन पदार्थाच्या संपर्कातील पातळी वर चढण्याच्या गुणधर्माने) राहू शकणाऱ्या पाण्यास केशाकर्षित जल म्हणतात. मृदेतील पोकळीचे आकारमान, पाण्यावरील दाव, पृष्ठताण आदींचा ह्या जलावर परिणाम होतो.

मृदेतील मुक्त जल गुरूत्वाकर्षणाच्या प्रभावाखाली असल्याने त्यास गुरुत्वीय जलदेखील म्हणतात.

मृदांत पाणी असल्यास व ते बाहेर वाहून जाऊ शकत नसल्यास मृदेवर पडणारा दाब हा घन कण व पोकळीतील पाणी ह्या दोहोंनी मिळून सांभाळला जातो. घन कणांनी एकमेकांच्या आधारे घेतलेल्या दाबास कार्यकारी दाब म्हणतात. त्यामुळे पोकळीचे गुणोत्तर कमी होते व मृदेचे कर्तन बल वाढण्यास सुरुवात होते. पोकळीतील जलाने घेतलेल्या दाबास रंध्र-जल दाब, रंध्र दाब किंवा अक्रिय दाब असे म्हणतात. रंध्र दाब मृदा कणांच्या सर्व बाजूंनी सारख्याच प्रमाणात असल्याने, कणांतील पोकळी कमी होऊ शकत नाही किंवा कर्तन बल वाढत नाही.

मृदेतील पाण्याचे प्रमाण हे मृदेवरील दाबाच्या व जलनिःसारण व्यवस्थेच्या व्यस्त प्रमाणात असते. मृदेतील कुठल्याही ठिकाणाच्या आर्द्र स्थितीचा तेथील मृदेवरील दाब व जलनिःसारण व्यवस्थेशी एक प्रकारचा समतोल साधला जातो. त्यास समतोल आर्द्रस्थिती म्हणतात. प्रत्येक मृदेत मृदेवरील दाब व जलनिःसारण व्यवस्थेनुसार समतोल आर्द्र स्थिती ठराविकच व न बदलणारी असते. संपृक्त मृदांत समतोल आर्द्र स्थिती ही पोकळीच्या गुणोत्तराच्या किंवा कार्यकारी दाबाच्या व्यस्त प्रमाणात असते. कार्यकारी दाब वाढल्यास पाणी बाहेर टाकले जाते. तर दाब कमी झाल्यास पाणी आत घेतले जाते.

गोठणक्रिया: मृदेतील पाण्याचे गोठणे व वितळणे ह्या क्रियांना एकत्रितपणे गोठणक्रिया म्हणतात. मृदेतील पाणी गोठू लागल्यास त्याचे घनफळ वाढते, तसेच पाणी गोठत असताना कमी दाब निर्माण झाल्याने आजूबाजूचे पाणी जाऊन तेही नंतर गोठते. त्यामुळे मृदेचे घनफळ वाढते. या वाढीस पुरेशी जागा नसल्यास सर्व जमीनच थोडीफार फुगते, त्यास हिमफुगवटा म्हणतात. जेव्हा अशा मृदेतील बर्फ वितळण्यास सुरुवात होते तेव्हा वितळण्याची क्रिया वरून सुरू होत असल्याने व गोठण्यास सुरुवात होण्यापूर्वी असलेल्या पाण्यापेक्षा जास्त पाणी असल्याने जादा पाणी बाहेर टाकले जाते. त्यामुळे मृदा नरम होऊन तिचे बलही कमी होते. ह्या परिणामात हिम उकळण म्हणतात.

पारगम्यता : मृदेतील मुक्त जलाचा तिच्या गुणधर्मांवर परिणाम होतो. तसेच रंध्र जलातील प्रतिबलाचा मृदेच्या क्रियेवर परिणाम होतो. मृदेतील पोकळी सलग असल्याने दाब पडल्यावर वा द्रवीय ढाळ निर्माण झाल्यास मृदेतील पाण्याची हालचाल होऊ शकते. या बदलामुळे मृदेतील आर्द्र स्थितीत फरक पडून इतर गुणधर्म बदलू शकतात. रंध्र अवकाशातून पाण्यास जाऊ देण्याच्या मृदेच्या गुणधर्मास पारगम्यता म्हणतात आणि पाण्याच्या हालचालीस स्रवण (पाझरणे) किंवा परिगलन म्हणतात. पारगम्यता ही कणांचा आकार, आकारमान, झिरपणाऱ्या पाण्याचे गुणधर्म, पोकळीचे गुणोत्तर, कणांची संरचना, मृदेतील स्तरीकरण, संपृक्तांश, इतर बाह्य पदार्थ आदींवर अवलंबून असते. पारगम्यता पाण्याच्या घनतेच्या सम प्रमाणात व श्यानतेच्या व्यस्त प्रमाणात असते. संपृक्त मृदेतील पाण्याचा प्रवाह हा स्तरीय प्रवाह [⟶ द्रायुयामिकी] असून त्याचा वेग, डार्सी यांनी सुचविल्याप्रमाणे द्रवीय ढाळाच्या प्रमाणात असतो. त्यामुळे

v = ki …  …  …  … (१४)

येथे v – प्रवाहाचा वेग (सेंमी. / से.), i – द्रवीय ढाळ, k – पारगम्यता (सेंमी. / से.). थोडक्यात, पारगम्यता म्हणजे प्रवाहाचा द्रवीय ढाळ एक असतानाचा वेग होय.

मृदेतील स्रवणाची राशी ही प्रवाहाचा वेग व प्रवाहाच्या दिशेला लंब असणार्यास दिशेतील मृदेचे काटच्छेदाचे क्षेत्रफळ यांवर अवलंबून असते.

q = vA = kiA  ….  ….  …. (१५)

येथे q – स्रवणाची राशी (घ. सेंमी./से.),  v – प्रवाहाचा वेग, i – द्रवीय ढाळ, k – पारगम्यता (सेंमी./से.),  A – काटच्छेदाचे क्षेत्रफळ.

सामान्यतः विविध मृदांची पारगम्यता (सेंमी./से.) पुढीलप्रमाणे आढळते : रेवा – १० ते १, रेती – १ ते १०-३, गाळवट – १०-३ ते १०-६ व चिकणमाती १०-६ पेक्षा कमी.

पारगम्यतेनुसार मृदांचे अच्छिद्र (k = १ X १०-६ सेंमी. / से. पेक्षा कमी), अर्धसच्छिद्र (k = १ X १०-६ ते १ X १०-४ सेंमी./ से.) व सच्छिद्र (k = १ X १०-४ पेक्षा जास्त) असे वर्गीकरण करता येते.

डार्सी यांच्याव्यतिरिक्त ॲलेन हेझन, जे. कोझेनी, ए. जी. लौडन इत्यादींनी स्रवणाची राशी ठरविण्यासाठी पारगम्यता, द्रवीय ढाळ, पाण्याची श्यानता, पोकळीचे गुणोत्तर इत्यादींवर आधारित अशी समीकरणे सुचविली आहेत.

मृदेतील पाण्याच्या प्रवाहाची वैशिष्ट्ये रंध्राच्या आकारमानावर अवलंबून असतात. रंध्राचे आकारमान मोठे असल्यास वा द्रवीय ढाळ प्रपाती (तीव्र) असल्यास प्रवाह संक्षुब्ध प्रकारचा असतो. रंध्राचे आकारमान कणांच्या आकारमानावर अवलंबून असल्याने, मोठ्या आकारमानाच्या कणांच्या मृदेत प्रवाह संक्षुब्ध प्रकारचा असण्याची शक्यता असल्याने डार्सी समीकरण अशा मृदांना (०·५ मिमी. आकारमानापेक्षा मोठ्या कणांच्या मृदांना) लावता येत नाही. प्रत्यक्षात बऱ्याच वेळा मृदा मिश्र स्वरूपाच्या असतात. बांधकामाच्या वेळी जरी प्रत्येक प्रकारच्या मृदा स्वतंत्रपणे वापरल्या, तरी नंतर काही भागांत त्यांचे मिश्रण होण्याची शक्यता असते. त्यामुळे प्रवाहाचे स्वरूप ठरविल्याप्रमाणे राहीलच असे खात्रीपूर्वक सांगता येत नाही. तसेच द्रवीय ढाळ बदलून प्रपाती होऊनही प्रवाहाचे स्वरूप बदलू शकते. त्यामुळे स्रवणाची प्रत्यक्ष राशी अपेक्षित राशीपेक्षा वेगळी असू शकते.


आ. ८. पारगम्यतामापक उपकरणे : (अ) स्थिर स्तंभ : (१) वरची टाकी, (२) पाण्याचा पुरवठा, (३) उत्प्रवाह, (४) प्रवाहमानाची पातळी, (५) खालची टाकी, (६) मृदेचा नमुना, (७) सच्छिद्र दगड, (८) पाणी, L = नमुन्याची लांबी (जाडी), h = जलस्तंभाची उंची (आ) परिवर्ती स्तंभ : (१) जलस्तंभ, (२) t 1 वेळची जलस्तंभाची पातळी, (३) t2 वेळची जलस्तंभाची पातळी, (४) पाणी, (५) सच्छिद्र दगड, (६) मृदेचा नमुना, h१ = t2 वेळची जलस्तंभाची उंची, h2 = t2 वेळची जलस्तंभाची उंची, L = नमुन्याची लांबी.प्रयोगशाळेत पारगम्येतेचे मापन प्रत्यक्ष पारगम्यतापामक उपकरणांच्या साहाय्याने अथवा दृढीकरण कसोटीतील माहितीच्या आधाराने करता येते. प्रत्यक्ष पद्धतीत स्थिर स्तंभ व परिवर्ती स्तंभ अशी दोन प्रकारची पारगम्यतामापक उपकरणे वापरतात. (आ. ८).

स्थिर स्तंभ पद्धतीत ठराविक लांबीच्या (L) व काटच्छेदीय क्षेत्रफळाच्या (A) मृदेच्या नमुन्यातून एकाच जलस्तंभामुळे (उंची h) एकक कालात वाहून जाणाऱ्या पाण्याची राशी (Q) मोजतात. त्यावरून पारगम्यता (K) ठरविता येते.

k =

Q·L

………………….. (१६)

h·A

परिवर्ती स्तंभ पद्धतीत ठराविक कालामध्ये (t2 – t1) ठराविक लांबीच्या (L) व काटच्छेदीय क्षेत्रफळाच्या (A) मृदेतून वाहून जाणाऱ्या पाण्याच्या राशीमुळे काटच्छेदीय क्षेत्रफळाच्या (a) जलस्तंभाच्या उंचीत पडणाऱ्या फरकावरून (h2 – h1) पारगम्यता ठरवितात.

k =2·3

a L

Log10

h1

………(१७)

A(t2 – t1)

h2

पारगम्यता ठरविण्याच्या क्षेत्रीय पद्धतीने ठरविलेली पारगम्यता प्रत्यक्ष क्षेत्रात मोजण्यात येत असल्याने जास्त विश्वसनीय असते. काटच्छेदीय क्षेत्रफळ व पाण्याची उंची (खोली) मांहीत असलेल्या विहिरीतून ठराविक वेळेत पंपाने पाणी काढल्यावर पाण्याच्या उंचीत पडणारा फरक मोजून त्यावरून पारगम्यता ठरविली जाते. ह्या तत्त्वावर आधारित बऱ्याच पद्धती आहेत.

पारगम्यता मुख्यत्वे सच्छिद्रतेवर अवलंबून असल्याने थरांनी बनलेल्या मृदांमध्ये पारगम्यता सर्व दिशांना सारखी नसते. स्तरीकरणाच्या दिशेने ती जास्त असते. अशा वेळी स्तरीकरणाच्या व त्याला लंब असलेल्या अशा दोन दिशांतील पारगम्यता ठरविणे आवश्यक ठरते. ह्या दोन्ही पारगम्यतांवरून मृदेची सरासरी पारगम्यता ठरविता येते.

स्रवण : संपृक्त मृदेतील मुक्त जल गुरुत्वाकर्षणाच्या प्रभावाखाली असल्याने द्रवीय दाबानुसार कमी दाबाच्या दिशेने हालचाल होते, त्यास स्रवण असे म्हणतात. स्रवण होत असताना घर्षणजन्य ओढीमुळे प्रवाहाच्या दिशेने क्रियाशील असणारा दाब मृदेवर पडतो, त्यास स्रवणदाब म्हणतात. हा दाब (Ps) द्रवीय ढाळ (i) व पाण्याची घनता (ɣw) यांच्या सम प्रमाणात असतो. हा स्रवणदाब मृदेत सर्वत्र सारख्या प्रमाणात विखुरलेला असतो.

Ps = i . γw …  …  … (१८)

प्रवाहाच्या दिशेनुसार स्रवणामुळे मृदेतील उदग्र (उभ्या) दिशेतील परिणामी दाब कमीजास्त होतो. प्रवाह अधोमुख असल्यास दाब वाढतो व उदग्र दिशेत असल्यास दाब कमी होतो. संपृक्त मृदांत कणांवरील परिणामी दाब हा स्रवणदाब व गुरुत्वाकर्षण यांच्या वैजिक बेरजेएवढा असल्याने कणांचे निमज्जित वजन व उदग्र दिशेतील स्रवणदाब हे सारखे झाल्यास कणांवरील परिणामी दाब शून्य होतो. अशा स्थितीत असमाकर्षी मृदांच्या कणांत एकमेकांत आधार देण्याची क्षमता किंवा कर्तन बल रहात नाही व मृदा कण प्रवाहाबरोबर उदग्र दिशेने उचलले जाण्याची शक्यता निर्माण होते. ह्या स्थितीला रेवण असे म्हणतात. ही स्थिती एक ठराविक द्रवीय ढाळ असताना निर्माण होते. त्या ढाळास सीमांत किंवा क्रांतिक द्रवीय ढाळ म्हणतात. द्रवीय ढाळ त्यापेक्षा कमी असल्यास मृदा कण जागेवर स्थिर राहू शकतात पण ढाळ जास्त असल्यास कण जागेवरून उचलले जाऊन उकळी फुटल्यासारखे दिसते व कण प्रवाहाबरोबर वाहून जाण्याची शक्यता असते. सीमांत द्रवीय ढाळ (Ic) मृदा कणांचे विशिष्ट गुरुत्व (G) आणि पोकळीचे गुणोत्तर (e) यांवर अवलंबून असतो.

Ic =

G – 1

1 + e

क्षरणजाल : संपृक्त मृदेतील स्रवण फक्त उदग्र व अधो दिशांनी होत नसून इतर दिशांनी देखील होऊ शकते. तरी देखील हे स्रवण उदग्र व त्याला लंब असलेल्या क्षैतिज (क्षितिज समांतर) या दोन दिशांत होते असे समजून स्रवण हे द्विमिती. प्रवाह समजता येईल. प्रवाहाच्या एकसंधतेवर आधारित असे या द्विमितीय प्रवाहाचे समीकरण पी. एस्‌. एम्‌. लाप्लास यांनी दिले आहे [⟶ द्रायुयामिकी]. या समीकरणासाठी मृदा व पाणी संकोच्य नाहीत आणि मृदा एकजिनसी, समदिक (सर्व दिशांना समसमान गुणधर्म असलेली) व संपृक्त आहे असे समजतात. प्रवाहाच्या सातत्याने मृदेतील पाणी कमी होत नसल्याने गणितीय दृष्टीने दोन्ही दिशांकडील पाण्याच्या राशींची बैजिक बेरीज शून्य येते. पाण्याची राशी द्रवीय ढाळ व पारगम्यता यांच्या रूपात मांडल्यास लाप्लास समीकरण मिळते. हे समीकरण आलेखीय पद्धतीने सोडविल्यास काटकोनात छेदणारे वक्र रेषांचे दोन संच मिळतात. त्यांपैकी एक संच जलवर्चस्‌ (दिलेल्या बिंदूपाशी त्यांच्या स्थानामुळे असणारा पाण्याचा दाब) व दुसरा प्रवाहामार्ग दर्शविते. जलवर्चस्‌ संचातील प्रत्येक रेषा एक ठराविक जलवर्चस्‌ दर्शविते. या रेषेवरील प्रत्येक बिंदुशी जलवर्चस्‌ समान असते. म्हणून त्या रेषेस समवर्चसी रेषा म्हणतात. अशा प्रत्येक समवर्चसी रेषेवरील जलवर्चस्‌ दुसरीपेक्षा भिन्न असते. संपृक्त मृदेतील प्रत्येक ठिकाणाचे जलवर्चस्‌ ठरविता व मोजता येत असल्याने समवर्चसी रेषा काढता येतात. जलाभेद्य स्तर, पाणतोड पडदी (सच्छिद्र स्तरातून पाण्याचे झिरप होण्याचे टाळण्यासाठी धरणाच्या तळाशी केलेले अपार्य भिंत वा इतर बांधकाम) आणि कडेच्या जलाभेद्य स्तराचे आकारमान व रचना विचारात घेऊन समवर्चसी रेषांना काटकोनात छेदणाऱ्या प्रवाह रेषा ठरविता येतात. प्रवाहरेषा व जलवर्चसी रेषा यांच्या छेदण्याने तयार होणारे चौकोन हे शक्यतो चौरस (ज्यात एक वर्तुळ काढता येऊ शकेल असे) असतात. या चौरसांची एक जाळ्यासारखी नक्षी तयार होते. त्यास क्षरणजाल असे म्हणतात.

आ. ९. क्षरणजाल : (अ) जलाभेद्य धरणासाठी : (१) सीमांत समवर्चसी रेषा, (२) सर्वांत वरची सीमांत प्रवाहरेषा, (३) पाणतोड पडदी, (४) पहिली अजमावाची प्रवाहरेषा, (५) प्रवेश्य स्तर, (६) सर्वांत खालची सीमांत प्रवाह रेषा, (७) अप्रवेश्य स्तर, h1 – एकूण वाया जाणारे जलवर्चस्‌ (आ) मातीच्या धरणासाठी : (१) पूर्ण भरलेल्या तलावाची पातळी, (२) उतार १ : २ (प्रतिस्त्रोत), (३) उतार १ : २ (अनुस्त्रोत), (४) स्रवण रेषा, (५) प्रवाहरेषा, (६) समवर्चसी रेषा, (७) गाळणी (झिरपणी).


जलाभेद्य धरणातील जमिनीखालील प्रवेश्य स्तरातील क्षरणजाल आ. ९ (अ) मध्ये आणि मातीच्या धरणातील क्षरणजाल आ.९ (आ) मध्ये मागे दाखविले आहेत.

क्षरणजालाची वैशिष्ट्ये पुढीलप्रमाणे आहेत. (१) समवर्चसी रेषा व प्रवाहरेषा एकमेकींस जवळजवळ काटकोणात छेदतात. (२) समवर्चसी रेषा व प्रवाहरेषांनी बनलेले प्रत्येक क्षेत्र जवळजवळ चौरस असून लहानमोठ्या आकारमानाचे असते. (३) दोन प्रवाह रेषांनी मर्यादित असलेल्या प्रत्येक प्रवाह मार्गांतून प्रवाह सारखाच असतो. व दोन समवर्चसी रेषांमधील वर्चसाचा फरक सारखाच असतो. (४) क्षेत्राची व्याप्ती लहान असल्यास द्रवीय ढाळ व प्रवाहाचा वेग जास्त असतो. (५) एकजिनसी मृदांत रेषांच्या वक्रतेतील बदल सफाईदार असून त्यांचा आकार दीर्घवर्तुळाकार किंवा अन्वस्तीय [⟶ अन्वस्त] असतो.

क्षरणजालाच्या साहाय्याने मृदेतून झिरपणाऱ्या पाण्याची राशी, मृदेतील कणांवरील जलवर्चस्, स्त्रवण दाब व तेथील द्रवीय ढाळ आणि स्त्रवणाचा निर्गमन ढाळ ठरविता येतात.

क्षरणजाल रेखाटनाच्या विश्लेषणात्मक, प्रायोगिक व आलेखीय पद्धती आहेत. विश्लेषणात्मक पद्धतीत लाप्लास समीकरण अचुकपणे सोडविण्यावर भर असतो. ही पद्धत अचूक असली, तरी फक्त काही सोप्या समस्यांसाठीच ती वापरणे शक्य असते.

आलेखीय पद्धतीत धरणाची रेखाकृती मापन करून काढली जाते. त्यावर द्रवीय सीमांत स्थिती दाखवितात. त्यांचा क्षरणजालावर कसा परिणाम होतो ते विचारात घेतले जाऊन प्रथम समवर्चसी रेषांचे व नंतर प्रवाहरेषांचे रेखाटन केले जाते. त्याच वेळी तयार होणारे क्षेत्र हे चौरस होईल असे पाहिले जाते. त्यावरून होणारे प्रवाह मार्ग व समवर्चसी रेषांच्या साहाय्याने स्त्रवणाची राशी ठरविली जाते.

प्रायोगिक पद्धतीत विद्युत् अनुरूपता [⟶ प्रतिकृती], रेतीचा नमुना, केशाकर्षण प्रवाह अनुरूपता, पटल अनुरूपता इ. पद्धतींचा वापर केला जातो. मृदेतील पाणी झिरपण्यासंबंधीचा डार्सी सिद्धांत व विद्युत्  प्रवाहासंबंधीचा जी. एस्. ओहम यांचा सिद्धांत यांत साम्य आहे. पाण्याच्या प्रवाहाच्या मर्यादा (सीमा) धरणाच्या भिंतीचा आकार, त्यातील बांधकाम सामग्रीचे गुणधर्म, मृदेची स्थिती इ. गोष्टी निश्चित करून तशाच तऱ्हेच्या मर्यादा विद्युत् प्रवाहाला रहातील अशी रचना करून विद्युत् प्रवाहाचा अभ्यास केल्यास मृदेतील पाण्याच्या प्रवाहाची कल्पना येते.

पाण्याच्या टाकीत बसविलेल्या प्रतिकृतीच्या साहाय्याने पाण्याच्या प्रत्यक्ष प्रवाहाचे निरीक्षण करता येते व वेगवेगळ्या ठिकाणी निर्माण होणारे जलवर्चस् करता येते.

जवळजवळ ठेवलेल्या दोन समांतर तक्त्यांमधील केशाकर्षित प्रवाह प्रत्यक्षातील दोन दिशांनी होणाऱ्या प्रवाहाच्या सद्दश असतो. त्यामुळे अशा केशाकर्षित प्रवाहाचा अभ्यास करून क्षरणजाल, प्रवाहरेषा व समवर्चसी रेषा यांचा अभ्यास करता येतो.

मातीच्या धरणातील क्षरणजाल काढताना, सर्वांत वरची प्रवाहरेषा ठरविणे महत्त्वाचे असते. तीवरून इतर प्रवाहरेषा ठरविल्या जातात व धरणातून होणाऱ्या स्त्रवणाविषयी बरीच माहिती मिळते. धरणाच्या अनुस्त्रोत (प्रवाहाच्या दिशेतील) उतारातून स्त्रवण होणार की काय व होणार असल्यास कुठे वगैरे गोष्टींवर उताराचे स्थैर्य अवलंबून असल्याने मातीच्या धरणाच्या अभिकल्पात क्षरणजालाचे महत्त्व मोठे आहे. [पहा आ.९ (आ)].

नलिकाभवन : संपृक्त मृदांत स्त्रवणाबरोबर मृदा कण वाहून जाऊ लागल्यास प्रवाहासाठी मार्ग तयार होऊन त्याचे चरात रूपांतर होते. ह्या क्रियेस नलिकाभवन म्हणतात. संपृक्त मृदांत द्रवीय ढाळ सीमांत द्रवीय ढाळापेक्षा जास्त असल्यास रेवण स्थिती निर्माण होऊन उकळी फुटल्यासारखे होते. तसेच स्त्रवणाच्या निर्गमनाजवळचे कण प्रथम वाहून जातात व ही क्रिया मागेमागे सरकत धरणाच्या पायामधून प्रतिस्त्रोत (प्रवाहाच्या दिशेच्या विरुद्ध दिशेतील) उताराकडे सरकते. जसजसे नलिकाभवन मागे सरकते, तसतसा द्रवीय ढाळ वाढत जाऊन स्त्रवणाचा वेग वाढतो व जास्त जास्त मृदा कण प्रवाहाबरोबर वहात जाऊन शेवटी धरणाच्या उताराचा भंग होण्याची शक्यता असते.

निचरा : मृदेतील पाण्याचा निचरा न होता ते साठत राहिल्यास रंध्र-जल दाब वाढल्याने कर्तन बल कमी होऊन मृदेच्या स्थैर्यास धोका निर्माण होतो. त्यासाठी मृदेतील पाण्याचा निचरा होणे आवश्यक असते. ह्यासाठी करावयाच्या व्यवस्थांमध्ये एक गोष्ट लक्षात घ्यावी लागते. की, संपृक्त मृदेत पाण्याचा प्रवाह निर्माण झाल्यास प्रवाहाबरोबर मृदेचे कणही वाहून जाण्याचा धोका असतो. तेव्हा निचऱ्याची व्यवस्था करताना प्रवाहाबरोबर मृदेचे कण वाहून जाणार नाहीत अशी काळजी घेणे आवश्यक ठरते. त्यासाठी एक व अनेक स्तरीय व विविध सामग्रीच्या सुरक्षा गाळणीचा उपयोग करतात. गाळणीतील मृदा कणांचे आकारमान भरावाच्या मूळ मृदेच्या कणांच्या आकारमानापेक्षा वेगळे असते. भरावाच्या मृदेचे कण गाळणीच्या मृदाकणातील पोकळीच्या आकारमानापेक्षा मोठे असल्यास निचऱ्याच्या वेळी प्रवाहाबरोबर ते वाहून जाऊ शकणार नाहीत, असे मानता येईल. भरावातील मृदा कणांचे आकारमान व त्यांचे वितरण माहीत असल्यास गाळणी मृदेतील कणांचे आकारमान व प्रमाण खालील निकषांवरून ठरविता येतात.

(१)

१५% सूक्ष्मतर गाळणी कणांंचा व्यास

= ५ वा कमी… (१९)

८५ % सूक्ष्मतर भराव मृदा कणांचा व्यास

     (२)

१५% सूक्ष्मतर गाळणी कणांचा व्यास

= ५ ते ४० …(२०)

१५% सूक्ष्मतर भराव मृदा कणांचा व्यास

     (३)

१५% सूक्ष्मतर गाळणी कणांचा व्यास

= २ वा जास्त …(२०)

नलिका चराचा मोठ्यात मोठा व्यास

(४) गाळणी कणांच्या आकारमानाचा आलेख हा भरावाच्या मृदेच्या कणांच्या आकारमानाच्या आलेखाशी शक्यतो समांतर असावा.

निचरा निरनिराळ्या मार्गांनी करता येतो. जाडसर कणांच्या मृदांसाठी निचरा करावयाच्या क्षेत्राच्या सीमांवर लहान खड्डे खणून निचरा करता येतो. त्यांत मृदा कणांच्या आकारमानानुसार वरील निकषांवर आधारित लहानमोठ्या आकारमानाच्या गाळणी मृदा भरतात. धरणाच्या भरावातील निचऱ्यासाठी भरावाखालील जमिनीच्या पृष्ठभागी धरणाला समांतर असे एक वा दोन निचरा चर आणि ह्या चरांतील पाणी भरावाच्या बाहेर वाहून नेऊ शकतील असे काटकोनात मिळणारे ठराविक अंतरावर ठेवलेले निचरा चर यांचा उपयोग केला जातो. ह्या चरांतदेखील गाळणी मृदा भरण्यात येते. ह्या चरांतून भरावातील पाण्याचा निचरा होतो.

भोके असलेल्या नलिकांच्या साहाय्याने जमिनीतील पाणी पंपाच्या साहाय्याने बाहेर काढून करता येतो व जमिनीतील जलस्तर हव्या त्या पातळीवर आणता येतो. बांधकामाच्या पायातील पाण्याचा निचरा करण्यासाठी ह्या पद्धतीचा उपयोग करतात. निचरा करावयाचे क्षेत्र फार मोठे असल्यास निचऱ्यासाठी कूप तयार करून निचऱ्याचे पाणी कुपात जमा केले जाते व मग काढून टाकले जाते.

बारीक कणांच्या मृदांसाठी ⇨ विद्युत् तर्षण पद्धत उपयोगात आणली जाते. संपृक्त मृदांत दोन विद्युत्  अग्रांमधून प्रवाह गेल्यास ऋण विद्युत् अग्राजवळ पाणी जमा होऊ लागते. हे पाणी नंतर पंपाने बाहेर काढले जाते.


 आ. १० बिंदुभारामुळे निर्माण होणारी उदग्र व कर्तन प्रतिबले : (अ) O बिंदूचे सहनिर्देशक (आ) O बिंदूजवळच्या अतिसूक्ष्म भागावरील उदग्र व कर्तन प्रतिबले.मृदेतील प्रतिबले : जमिनीतील मृदेत जमिनीच्या पृष्ठभागावरील ओझ्याच्या भारामुळे प्रतिबले निर्माण होतात. ही प्रतिबले दोन प्रकारची असतात एक उदग्र दिशेतील व दुसरे क्षैतिज दिशेतील कर्तन प्रतिबल होय. मृदा हे स्थितिस्थापक (विकृती निर्माण करणारी प्रेरणा काढून घेतल्यावर मूळ आकार व आकारमान प्राप्त होण्याचा गुणधर्म असलेले) माध्यम असून ते एकजिनसी व समदिक्‌ आहे असे मानून स्थितिस्थापकतेच्या सिद्धांतावर आधारित अशी ह्या प्रतिबलासाठी समीकरणे प्रथम बोझिनेस्क यांनी मांडली.

पृष्ठभागावरीवल Q बिंदूभारामुळे z खोलीवरील व भारापासून r अंतरावरील मृदेच्या O बिंदूजवळच्या अतिसूक्ष्म भागावर निर्माण झालेली उदग्र (σz) व कर्तन (Τrz) प्रतिबले खालील समीकरणांनी दिली जातात :

σz =

3Q

.

z3

(r2 + z2)5/2

Τ rz =

3Q

.

rz2

… … ….. (२१)

(r2 + z2)5/2

किंवा

KB =  

  3 

1  

   

 2π 

(r2 + z2)5/2 

(KB याला प्रभाव गुणक म्हणतात) किंवा

σz = KB.Qz3Τrz = KB.Qrz2……………… …..   ….(२१)

ह्या समीकरणांनुसार बिंदुभाराच्या बरोबर खाली उदग्र प्रतिबल खोलीच्या वर्गाच्या व्यस्त प्रमाणात असते. तसेच या बिंदूभारापासून सारख्याच अंतरावर व खोलीवर असणाऱ्या कणांवरील वा बिंदूंवरील उदग्र प्रतिबल सारखे असते. ह्या बिंदूंना जोडणाऱ्या रेषेला समदाब रेषा म्हणतात. ह्या समीकरणाच्या आधारे समदाब रेषा आकृती म्हणजे समतलावरील व उदग्र तलावरील दाब वितरणाची आकृती काढता येते. कोणत्याही समदाब रेषेने वेष्टित असा जमिनीचा भाग विचारात घेतल्यास तो एखाद्या कंदाच्या आकाराचा दिसतो. म्हणून त्यास दाब कंद म्हणतात. आ. ११ मध्ये बिंदूभाराखालील समदाब रेषांचा संच दाखविला आहे.

याच पद्धतीवर आधारित अशी वर्तुळाकार चौरस, चौकोनी आकारांच्या क्षेत्रफळांवरील भारामुळे निर्माण झालेली उदग्र प्रतिबले काढण्यासाठी बोझिनेस्क यांनी कोष्टके बनविली आहेत.

ह्याशिवाय एन्‌. एम्‌. न्यूमार्क, एच्‌. एम्‌. वेस्टरगॉर आदींनी देखील उदग्र प्रतिबले व कर्तन प्रतिबले काढण्यासाठी निरनिराळी समीकरणे सुचविलेली आहेत.

अर्थात प्रत्यक्षात मृदा स्थितिस्थापक एकजिनसी व समदिक्‌ नसल्याने वरील समीकरणांनी मिळणारी उदग्र प्रतिबले वा कर्तन प्रतिबले त्या प्रमाणात विश्वासार्ह नसतात.

आ. ११. बिंदुभाराखालील समदाब रेषांचा संच : (१) अर्ध – अपरिमित पृष्ठभाग.स्पर्शदाब: बांधकामाच्या जमिनीशी स्पर्श होणाऱ्या पृष्ठभागावर भारामुळे जो उदग्र दाब निर्माण होतो त्या दाबास स्पर्शदाब म्हणतात. स्पर्श होणाऱ्या पृष्ठभागावर हा दाब सर्व ठिकाणी सारखा असत नाही. स्पर्शदाब बांधकामाच्या पायाच्या अनम्य दृढतेवर व मृदेच्या स्थितिस्थापक गुणधर्मावर अवलंबून असतो.

समकर्षी व असमाकर्षी मृदांवरील दृढ पायाखालील समवितरित भाराच्या बाबतीतील स्पर्शदाबाचे वितरण आ. १२ मध्ये दाखविले आहे.

आ. १२. दृढ पायाखालील स्पर्शदाबाचे वितरण : (अ) समाकर्षी मृदा (आ) असमाकर्षी मृदा : (१) समवितरत भार. समाकर्षी मृदांत कणांमधील समाकर्षणामुळे पायाखालील मृदा कण भारामुळे दबण्यास पायाबाहेरील मृदा कणाचा विरोध होतो. त्यामुळे पायाच्या कडेशी दाब जास्तीत जास्त असतो. जसजसे पायाच्या मधल्या भागाकडे जावे तसतसा विरोध कमी  कमी होत जातो. ह्याउलट असमाकर्षी मृदांत पायाखालील कणाच्या दबण्याला पायाबाहेरील कण कुठलाही विरोध करीत नाहीत. त्यामुळे पायाच्या कडेशी स्पर्शदाब शून्य असतो. पायाखालील मृदा कणांत एकमेकांत घर्षणाने दबण्यास विरोध वाढत जातो. म्हणून पायाच्या मध्यभागी स्पर्शदाब जास्त असतो.

अर्थात वास्तवात पाया पूर्णपणे नम्य किंवा अनम्य नसतात, तसेच खालील मृदाही पूर्णपणे समाकर्षी वा असमाकर्षी नसतात. त्यामुळे प्रत्यक्षात स्पर्शदाब वरील दोन स्थितींच्या दरम्यान असतात.


घनीकरण : मृदेचे अनेक गुणधर्म तिच्या घनतेवर अवलंबून असतात. त्यामुळे मृदेच्या गुणधर्मांच्या अभ्यासापूर्वी घनतेचा अभ्यास आवश्यक ठरतो. नैसर्गिक अवस्थेत मृदेतील कण विलग अवस्थेत असतात. हे कण कोणत्याही उपायांनी एकत्रित आणल्यास घनता वाढते. यांत्रिक उपायांनी कण जवळ आणण्याच्या क्रियेला घनीकरण म्हणतात, तर मृदेवर एखाद्या बांधकामाच्या स्वरूपाने भार पडून कण एकत्रित होतात त्यास संकोचन अथवा दृढीकरण म्हणतात. मृदेची घनता मुख्यत्वे विखुरलेले कण जवळ आणण्याने, कणांची फेरमांडणी होण्याने अथवा पोकळीतील हवा व पाणी यांच्या निर्गमनाने पोकळीचे आकारमान व गुणोत्तर कमी झाल्याने वाढते. मृदेवर भार देण्याच्या पद्धतीप्रमाणे व त्या क्रियेस पूर्ण होण्यास लागणाऱ्या वेळेप्रमाणे त्या क्रियांना घनीकरण, संकोचन व दृढीकरण असे संबोधले जाते.

यांत्रिक उपायांनी मृदेतील विलग अवस्थेतील कण एकमेकांच्या अगदी जवळ आल्याने पोकळी कमी होऊन घनता वाढते. त्यास घनीकरण म्हणतात. थोड्या वेळासाठी योजिलेल्या यांत्रिक उपायांनी मृदा कणांमधील पोकळीतील हवा कमी होऊन कणांची घट्ट जुळणी होते. यात कणांची हालचाल अपेक्षित असल्याने त्यास होणारा प्रतिरोध कणांतील अंतर्गत घर्षणाच्या रूपात असतो. मृदेतील पाण्यामुळे हे घर्षण व प्रतिरोध कमी होऊन कण जास्त जवळ आल्याने घनता वाढत जाते. एका ठराविक आर्द्र स्थितीत घनता जास्तीत जास्त होते. त्या आर्द्र स्थितीस इष्टतम आर्द्र स्थिती म्हणतात व त्यावेळच्या शुष्क स्थितीतील घनतेस महत्तम घनता म्हणतात. ह्यापेक्षा आर्द्र स्थिती जास्त झाल्यास मृदाकण विखुरण्यास सुरुवात होऊन घनीकरण होऊ शकत नाही व घनता कमी होऊ लागते.

घनीकरण यांत्रिक दाबावर अवलंबून असल्याने यांत्रिक दाब वाढविल्यास घनता वाढते व इष्टतम आर्द्र स्थिती कमी होते.

महत्तम शुष्क घनता व इष्टतम आर्द्र स्थिती ठरविण्यासाठी अनेक पद्धती असून आर्‌. आर्‌. प्रॉक्टर यांची पद्धत सर्वसाधारणपणे वापरतात. ह्या पद्धतीत ओली मृदा विहित आकाराच्या साच्यात तीन थरांत, प्रत्येक थर विहित वजनाच्या धुमसाने (ठोकणीने) विहित अंतरावरून मारलेल्या २५ ठोक्यांनी दाबून भरतात. त्या साच्यातील ओल्या मृदेचे शुष्क स्थितीतील घनता ठरवितात. अशाच तऱ्हेने मृदेत वेगवेगळ्या प्रमाणात पाणी मिसळून तिची आर्द्र स्थिती आणि शुष्क घनता ठरवून शुष्क घनता व आर्द्र स्थिती यांचा आलेख काढतात (आ. १३). या आलेखावरून महत्तम शुष्क घनता व इष्टतम आर्द्र स्थिती ठरवितात.

चांगल्या श्रेणीयुक्त रवाळ मृदेची महत्तम शुष्क घनता बारीक कणांच्या मृदेच्या महत्तम शुष्क घनतेपेक्षा जास्त असते.

घनीकरणामुळे मृदेचे कर्तन बल आणि भारग्राह्यता वाढतात संकोच्यता, पारगम्यता, जलशोषकता, आकुंचन व रंध्र – जल दाब सामान्यपणे कमी होतात.

घनीकरणासाठी प्रत्यक्षात निरनिराळ्या तऱ्हेचे धुमस, कंपनक, रूळ, मेंढी – खूर रूळ इत्यादींचा उपयोग केला जातो [⟶ बांधकाम तंत्र]. घनीकरण केलेल्या जमिनीची घनता मोजण्यासाठी प्रॉक्टर सूची वगैरे साधनांचा उपयोग करतात.

संकोचन : मृदेवर संकोची दाब पडला की, तिचे घनफळ कमी होते. त्या घटीस संकोच व मृदेच्या ह्या गुणधर्मास संकोच्यता म्हणतात. कणांची फेरमांडणी वा रंध्र पोकळीतील हवा व पाणी यांच्या निर्गमनाने वा ह्या दोन्ही कारणांच्या संमिश्र परिणामाने पोकळीचे आकारमान कमी झाल्याने मृदेचा संकोच होतो. रंध्रात नुसतीच हवा असेल, तर संकोच चटकन होतो. पण त्याऐवजी पाणी असल्यास मृदेची पारगम्यता, द्रवीय ढाळ, संपृक्तांश आदींवर पाण्याचा निर्गमनास लागणारा वेळ अवलंबून असतो. संकोची दाब हा काही काळापुरता वा बांधकामाच्या स्वरूपात कायमचा भार असा मृदेवर पडू शकतो. संकोचनात काही काळापुरत्या भारामुळे झालेल्या हवेच्या निर्गमनाने मृदेच्या घनफळात होणारा संकोच अपेक्षित आहे, तर कायम स्वरूपाच्या भारामुळे होणारे बदल दृढीकरणात विचारात घेतले जातात.

आ. १३. चिकणमातीच्या घनीकरणाचा प्रारूपिक आलेख परिरुद्ध (बंदिस्त) भार दिला असताना तिचा संकोच होऊन मृदेत पोकळीचे नवे गुणोत्तर तयार होते. हे गुणोत्तर दाबाच्या व्यस्त प्रमाणात असते. मात्र नंतर दाब कमी करीत गेल्यास घनफळ त्याच प्रमाणात वाढत नाही, कारण कणांच्या पुनर्दिक्‌स्थापनाने (नवीन तऱ्हेने मांडणी झाल्याने) मृदेचे घनफळ काही प्रमाणात कायमचे कमी झालेले असते. त्यामुळे अक्षोभित व क्षोभित मृदांमधील त्याच दाबाखालील बदल वेगवेगळे असतात. मृदेवर पडणाऱ्या दाबामुळे मृदेत होणारा संकोच ठरविताना मृदा अक्षोभित आहे किंवा कसे हे विचारात घ्यावे लागते. अक्षोभित मृदेच्या पोकळीतील गुणोत्तरामधील बदल व दाब भारातील बदल यांवरून संकोच्यता गुणांक ठरवितात.

दृढीकरण: बांधकाम वगैरेंसारख्या कायम स्वरूपाच्या भारामुळे रवाळ कणांच्या व बारीक कणांच्या विशेषतः संपृक्त मृदांत होणारा संकोच व त्यास लागणारा वेळ खूपच वेगवेगळे असतात. बारीक कणांच्या संपृक्त मृदांवर भार दिला असताना सुरुवातीस सर्व भार रंध्रांतील अडकलेल्या पाण्यावर पडतो व त्याचा रंध्र-जल दाब वाढतो. त्यामुळे रंध्रांतील पाणी पोकळीतून बाहेर पडू लागते व पाण्यावरील भार मृदा कणांवर पडू लागतो. आणि पोकळीचे आकारमान कमी होऊन मृदेचे घनफळ कमी होऊ लागते. मृदेच्या पारगम्यतेनुसार सावकाशीने होणाऱ्या ह्या क्रियेस दृढीकरण म्हणतात. जमिनीतील मृदेत होणारा संकोच निषदनाच्या (अधोगामी हालचालीने मृदा खाली बसण्याच्या वा खचण्याच्या) स्वरूपात दिसून येतो. दृढीकरणाचा वेग पारगम्यतेच्या सम प्रमाणात असतो. सूक्ष्म कणांच्या समाकर्षी मृदांत दृढीकरणास वेळ लागतो.

गणितीय पद्धतीने दृढीकरणाचा वेग टेरझागी यांच्या समीकरणाच्या आधारे ठरविता येतो. त्यासाठी मानलेल्या गृहीतांपैकी फक्त काहीच वास्तव असली, तरी देखील ह्या समीकरणाच्या आधाराने ठरविलेले निषदान प्रत्यक्षात बरेच बरोबर असते. ह्या समीकरणाने जादा रंध्र–जल दाबातील बदलाचा वेग व रंध्रातील जादा जलाच्या निर्गमनाचा वेग यांचा संबंध एका गुणांकाने दर्शविला जातो. या गुणांकास दृढीकरणाचा गुणांक म्हणतात. तो पारगम्यता व संकोच्यता यांचा मृदेच्या घनफळ बदलाच्या वेगावर होणारा परिणाम दर्शवितो. तो मृदेची घनता, पारगम्यता, पोकळीचे गुणोत्तर, संकोच्यता यांवर अवलंबून असतो. प्रवाहाच्या दिशांना अनुसरून एकदिक्‌ द्विदिक्‌ किंवा त्रिदिक्‌ अशी वेगवेगळी समीकरणे मांडण्यात आलेली आहेत व त्यांवरून निषदन ठरविता येते.

प्रयोगशाळेत विहित आकारमानाच्या मृदेवर विहित दाब देऊन निषदन पूर्ण होण्यासाठी लागणारा वेळ मोजून दृढीकरणाचा गुणांक ठरविता येतो. त्यावरून मृदेची पारगम्यता वा सुरुवातीचे पोकळीचे गुणोत्तर वा घनफळात होणारा बदल व त्यावरून मृदेचे होणारे निषदन काढता येते.

मृदेवरील भार हा बांधकामामुळे वा मृदा थरांमुळे पडलेला असतो. ह्या भारामुळे मृदेतील कण अंशतः मोडतात व भार काढला, तरी मृदा पूर्वीचे आकारमान घेऊ शकत नाही. भारामुळे रंध्रांतील निघून गेलेले पाणी भार काढल्यावर त्यांत शिरणे व त्यामुळे आकारमान वाढणे क्वचित वेळा शक्य असले, तरी एकंदरीने मृदेमध्ये स्थितिस्थापकतेचा गुणधर्म पूर्णांशाने नसल्याने मृदेचे दृढीकरण झाल्यानंतर तिच्यावरील भार कमी झाला, तरी रंध्र-जलाचे तीत पुनर्वसन होणे दुरापास्त असते व मृदेचे आकारमान बव्हंशी स्थिर राहते.


समाकर्षण: मृदा कणांत एकमेकांत धरून ठेवण्याचा जो गुणधर्म असतो त्यास समाकर्षण म्हणतात. हा गुणधर्म रेणवीय बंध, व्हॅन डर व्हाल्स प्रेरणा आदींमुळे येतो [⟶ रासायनिक संरचना]. कणांचे खनिज घटक, त्यांचे स्फटिकीकरण, त्यांत बदल होण्याची शक्यता, कणांचे आकारमान, त्यांवरील अधिशोषित जलाचे प्रमाण इ. अनेक गोष्टींवर हा गुणधर्म अवलंबून असतो. वाळूसारख्या जाडसर कणांच्या मृदांत समाकर्षण नसते पण आर्द्र स्थिती कमी असल्यास अधिशोषित जलामुळे थोडे समाकर्षण दिसून येते. त्यास आभासी समाकर्षण म्हणतात पण चिकण मातीसारख्या सूक्ष्म कणांच्या मृदांत संपृक्त अवस्थेत देखील समाकर्षण दिसून येते. त्यास खरे समाकर्षण म्हणतात. अविकृत अवस्थेतील मृदांत आढळणारे समाकर्षण त्या मळल्यानंतर राहतेच असे नाही. मृदा मळल्यानंतर तिच्या गुणधर्मात बराच बदल होतो. तो बदल मृदेची मळल्यानंतरचे बल व अविकृत स्थितीतील बल यांच्या गुणोत्तरावरून मोजतात. त्यास मृदेची संवेद्यता म्हणतात. मळल्यानंतर मृदा काही वेळ तशीच राहू दिल्यास तिच्या बलात थोडी फार वाढ होते. या गुणधर्मास क्षोभ-प्रवाहित्व म्हणतात. क्षोभ-प्रवाही मृदांत रंध्र-जल दाब वेळेनुसार कमी कमी होत जातो. मध्यम संवेद्यता असणाऱ्या अजैव मृदांत क्षोम –प्रवाहित्वामुळे दृढीकरणाच्या गुणांकात मृदा तशीच राहू दिल्याने फरक पडतो. संवेद्यता जेवढी जास्त तेवढे मृदेच्या बलात जास्त बदल अपेक्षित असतात.

मृदेतील प्रतिबलांचे विश्लेषण: कोणत्याही पदार्थावर दाब पडला असता त्यास प्रतिरोध करणारी प्रतिबले निर्माण होतात. दाबानुसार प्रतिबले एका ठराविक मर्यादेपर्यत वाढत जातात व त्या मर्यादेनंतर पदार्थ भंग पावतो. भंगाच्या वेळच्या दाबाचे व भंगप्रतलाचे विश्लेषण ओटो मोर यांनी केले असून मृदेला देखील ते लागू पडते [⟶ पदार्थाचे बल]. त्यानुसार कोणत्याही पदार्थावर पडणाऱ्या दाबाचे निरनिराळ्या त्रिमितीय प्रतलांवर अभिलंब व कर्तन प्रतिबलांत रूपांतर होते. त्यांपैकी काटकोनात छेदणारी तीन प्रतले अशी असतात की, ज्यांवर फक्त अभिलंब दाब असतो. अशा प्रतलांना प्रधान प्रतले म्हणतात. त्यांवरील अभिलंब दाब हा प्रतिबलाएवढा असल्याने या प्रतिबलांस प्रधान प्रतिबले म्हणतात. उतरत्या अनुक्रमाने त्यांना महत्तम, मध्यम व लघुतम (कनिष्ठ) प्रधान प्रतिबले म्हणतात. मृदेतील प्रतिबलांचा विचार करता एक प्रतिबल (मध्यम प्रतिबल) शून्य असल्याने अशा स्थितीतील विश्लेषण द्विमितीय स्थिती समजून करता येते. मोर यांनी एक आरेखीय पद्धत सुचविलेली असून तीवरून पदार्थावर द्विमितीय प्रधान प्रतिबले असल्यास भंगप्रतल व इतर कोणत्याही प्रतलावरील प्रतिबले ठरविता येतात. (आ. १४).

आ. १४ द्विमितीय प्रतिबले : (अ) व (आ) : σ1 – महत्ता प्रधान प्रतिबल, σ3 – लघुत्तम प्रधान प्रतिबल, σ - AB प्रतलांवरील अभिलंब प्रतिबल, Τ – AB प्रतलावरील कर्तन प्रतिबल, 0 - AB प्रतलाचा महत्तम प्रधान प्रतलाशी होणारा कोन, XX – X अक्ष (महत्तम प्रधान प्रतल), YY – Y अक्ष (लघुत्तम प्रधान प्रतल), β – परिणामी प्रतिबल व अभिलंब प्रतिबल यांतील कोन (इ) मोर वर्तुळ : Τmax – महत्तम कर्तन प्रतिबल, σ - AB प्रतलावरील अभिलंब प्रतिबल, Τ – AB प्रतलावरील कर्तन प्रतिबल.या पद्धतीत एक सहनिर्देशक पद्धत स्थापन केलेली असून तीत X – अक्ष लंब प्रतिबल व Y – अक्ष कर्तन प्रतिबल दर्शवितात. प्रधान प्रतिबले σ1 व σ3 आ. १४ (इ) मध्ये दाखविल्याप्रमाणे स्थापून X – अक्षावर F हा मध्य कल्पून  X – अक्षावर σ1 व σ3 मध्ये छेदणारे वर्तुळ काढतात. या वर्तुळाची त्रिज्या

σ13 

एवढी भरते.

2

सामान्यतः वर्तुळाचा वरचा अर्धा भाग काढल्यास पुरेसे होते. जर P या बिंदूपासून PQ  ही रेषा आ. १४ (अ) मधील AB ला समातंर (म्हणजे PD शी 0 इतका कोन) करून काढली, तर मोर वर्तुळावरील Q या बिंदूचे सहनिर्देशक AB प्रतलावरील अभिलंब व कर्तन प्रतिबले दर्शवितात.

आ. १४ (इ) च्या साहाय्याने पुढील अनुमाने काढता येतात.

(१) σ = σ1 + σ3 /2 + σ1−σ3/2 cos 2θ

T = σ1−σ2/2 sin 2θ = σ tan β   … (22)

(२) महत्तम कर्तन प्रतिबल Tmax = σ1−σ3 / 2 असून ते महत्तम प्रधान प्रतलाशी ४५ कोन असणाऱ्या प्रतलांवर असते म्हणजेच महत्तम कर्तन प्रतिबल असणारी प्रतले एकमेकांशी काटकोनात असतात.

यावरून पदार्थाचे भार सहन करण्याचे बल (सामर्थ्य) ठरविताना मोर यांच्या सिद्धांतानुसार पुढील गोष्टी विचारात घ्यायला हव्यात : (१) पदार्थाचे अंतिम बल घसरण प्रतलांवरील प्रतिबलांवर अवलंबून असते.

(२) पदार्थाचा भंग मुख्यतः कर्तनाने होतो पण सीमांत कर्तन प्रतिबल संभाव्य भंगप्रतलावरील लंब प्रतिबल व पदार्थाचे गुणधर्म यांवर अवलंबून असते.

मृदेसारख्या असमाकर्षी पदार्थात कर्तन प्रतिबले हे मुख्यतः कणांतील आंतरिक घर्षण कोनावर (Φ) अवलंबून असल्याने भंगप्रतलावरील सीमांत कर्तन प्रतिबल (τ f) खालील समीकरणाने मिळते.

τ f = σ tan Φ ..  …  (२३)


कर्तन बल: दाबामुळे येणाऱ्या कर्तन प्रतिबलास मृदेतील कर्तन प्रतिबलाने प्रतिरोध केला जातो. कर्तन दाब वाढेल त्या प्रमाणात कर्तन प्रतिबल एका ठराविक मर्यादेपर्यत वाढत जाते. त्यानंतर मात्र कर्तन दाब वाढला, तरी कर्तन प्रतिबल वाढत नाही व मृदा भंग पावते. त्यामुळे जास्तीत जास्त कर्तन प्रतिबलास कर्तन बल (सामर्थ्य) म्हणतात. संमिश्र मृदेत कणांच्या अंतर्गत घर्षणाने व समाकर्षणाने कर्तन प्रतिरोध केला जातो. यावर आधारित कर्तन बलाचे समीकरण कुलंब यांनी दिले आहे.

τ f = C + σ tan Φ …    …   (२४)

येथे τ f – कर्तन बल, C – समाकर्षण, σ – भंगप्रतलावरील अभिलंब दाब, Φ – अंतर्गत घर्षण कोन.

रंध्र–जलामुळे मृदा कणावर प्रत्यक्षात पडणारा दाब व समाकर्षण बदलते. त्यामुळे कर्तन बल ठरविताना परिणामी दाब. समाकर्षण व अंतर्गत घर्षण कोन विचारात घ्यावयास हवेत.

Τf = C tan Φ = C + (σ – u) tan Φ … (२५)

σ ′ – परिणामी अभिलंब दाब, C′ – परिणामी समाकर्षण, Φ′ परिणामी अंतर्गत घर्षण कोन, u – रंध्र दाब व Τf – कर्तन बल.

महत्तम प्रधान प्रतलाशी Φ मापाचा कोन करणाऱ्या कोणत्याही प्रतलावरील कर्तन प्रतिबल (Τ) व त्यास प्रतिरोध करणारे कर्तन बल (Τ f) हे परिणामी महत्तम व लघुतम प्रधान प्रतिबलांच्या (σ1′ व σ3′) साहाय्याने ठरविता येते.

Τ

σ1′–σ′3 

Sin 2θ ……..…(२६) 

2

Τf = C′ + tanø’  .  

[

σ1′+ σ3

+

σ1‘-σ3

Cos 2θ 

]

. (२६

2

2

                                                                                                         

ज्या प्रतलावरील कर्तन प्रतिबल आणि कर्तन बल यांतील फरक (Τ fΤ) कमीत कमी असेल ते प्रतल भंग पावण्याच्या दृष्टीने जास्तीत जास्त धोक्याचे असते. या प्रतलाचा महत्तम प्रधान प्रतलाशी होणारा कोन (θ) खालील समीकरणाने मिळतो.

 θ = θ f = 45 + Φ′ /2 …   …   … (२७)

वरील समीकरणाच्या साहाय्याने वा मोर वर्तुळाच्या आलेखीय पद्धतीने भंग कोन व कर्तन बल ठरविता येतात. (आ. १५). कर्तन बल (Τf) हे मृदेचे समाकर्षण (C) व अंतर्गत घर्षण कोन (Φ) यांवर अवलंबून

आ. १५ भंगप्रतल ठरविण्याची आलेखीय पद्धत : Τ – कर्तन प्रतिबल, σ - अभिलंब प्रतिबल, σ1' – परिणामी महत्तम प्रधान प्रतिबल, σ3'- परिणामी लघुत्तम प्रधान प्रतिबल, Τf – कर्तन बल (= C' + σ' tan Φ' ), C' – परिणामी समाकर्षण, Φ' – परिणामी अंतर्गत घर्षण कोन, Φ f – भंगप्रतलाचा महत्तम प्रधान प्रतलाशी होणारा कोन. असल्याने त्यास कर्तन बलाचे प्रचल (दिलेल्या विशिष्ट परिस्थितीत स्थिर राहणाऱ्या पण परिस्थिती बदलल्यास निराळी मूल्ये धारण करण्याची शक्यता असलेल्या राशी) म्हणतात आणि त्यामुळे कर्तन बल ठरविताना परिणामी समाकर्षण व परिणामी अंतर्गत घर्षण कोन विचारात घेतात.

समाकर्षण व अंतर्गत घर्षण कोन यांच्यावर मृदेतील निचरा आणि दृढीकरण यांचा परिणाम होत असल्याने त्यांवर आधारित असलेल्या पुढील तीन स्थितीत कर्तन बल ठरविता येते : (१) निचऱ्यारहित : निचऱ्याची व्यवस्था नसल्याने रंध्र-जल दाब कायम असतो. (२) दृढीकृत निचऱ्यारहित : अभिलंब दाबाखाली दृढीभवन होत असताना निचरा होऊ शकतो, मात्र कसोटीच्या वेळी निचऱ्याची व्यवस्था नसते. (३) निचऱ्यासहित : कसोटीच्या सर्व काळात निचऱ्याची व्यवस्था असते. 

प्रत्यक्ष बांधकामाच्या वेळी मृदेची निचऱ्याची व दृढीकरणाची जी अवस्था असेल तीनुसार वरीलपैकी योग्य ती पद्धत कर्तन बल ठरविण्यासाठी वापरतात. दृढीकृत निचऱ्यारहित किंवा निचऱ्यासहित पद्धती बांधकामाच्या अर्धसंपृक्त रेतीतील वा गाळवट रेतीतील पायासाठी, नैसर्गिक उतार, सापेक्षी अपारगम्यता भराव इत्यादींसाठी वापरतात. पारगम्य भराव व नैसर्गिक उतारासाठी निचऱ्यासहित पद्धत वापरतात. 

कर्तन बल मापनाच्या सरल कर्तन परीक्षण, त्रि-अक्षीय परीक्षण, अपरिरुद्ध संकोचन परीक्षण व कर्तन पाते परीक्षण या पद्धती आहेत.

आ. १६ कर्तन बलाचा आलेख सरल पद्धतीत मृदेचे भंगप्रतल अगोदरच निर्धारित केलेले असते. दुभंगू शकणाऱ्या एका विहित आकाराच्या पेटीत प्रत्यक्ष बांधकामाच्या वेळी अपेक्षित असणाऱ्या आर्द्र स्थितीत व घनीकरणाच्या स्थितीत मृदा भरून ठेवली जाते. त्यावर विहित अभिलंब दाब दिला जातो व मृदेस भंग होईपर्यत कर्तन प्रतिबल (प्रेरणा) लावतात. वेगवेगळ्या अभिलंब दाबासाठी भंग होण्यासाठी लागणारे कर्तन प्रतिबल (म्हणजेच कर्तन बल) मोजतात. कर्तन बल व अभिलंब दाब यांच्या आलेखावरून मृदेचे समाकर्षण व अंतर्गत घर्षण कोन ठरवितात (आ. १६).

  

त्रि-अक्षीय कर्तन परीक्षण पद्धतीत एका कोशात ठेवलेल्या आवश्यक त्या आर्द्र स्थितीच्या मृदेच्या विहित आकारमानाच्या दंडगोलावर चहुबाजूंनी पाण्याच्या माध्यमातून ठराविक दाब दिला जातो. हा पार्श्विक व लघुतम प्रधान अभिलंब दाब होय. दंडगोल भंगण्यासाठी अक्षीय अभिलंब दाब किती लागतो तो मोजतात. हा महत्तम प्रधान अभिलंब दाब होय. अभिलंब अक्षीय दाब (σ1) व पार्श्विक दाब (σ3) यांच्या साहाय्याने मोर भंग अन्वालोप (मोर वर्तुळांच्या संचातील सर्व वर्तुळांना स्पर्श करणारा वक्र) काढून त्यावरून समाकर्षण व अंतर्गत घर्षणकोन ठरवितात. मृदा कोशांत असल्यामुळे मृदेतील निचऱ्याची सोय करता येऊन, निचऱ्यासहित वा निचऱ्यारहित स्थिती निर्माण करता येते. तसेच पार्श्विक दाब कमीजास्त करून दृढीकरण वेगवेगळ्या अभिलंब दाबाखाली निचऱ्यासहित वा निचऱ्यारहित अशा आवश्यकतेनुसार स्थितीत परीक्षण करता येते.


अपरिरुद्ध संकोचन परिक्षण पद्धतीत दंडगोलाकृती मृदा भंग होण्यापूर्वी जास्तीत जास्त किती अभिलंब दाब पेलू शकते तो मोजून कर्तन बल ठरविता येते. कर्तन पाते पद्धतीत विहित आकारमानाचे कर्तन पाते (चार पट्ट्या एका पोलादी दंडाला एकमेकींत काटकोनात जोडून तयार केलेले पाते) मृदेत घुसवून व वर्तुळाकार फिरवून दंडगोलाकृती आकार कापून काढण्यास लागणारे परिपीडन (पीळ) मोजतात व त्यावरून कर्तन बल ठरवितात.

असमाकर्षी मृदेत अपरिरुद्ध स्थितीत कर्तन बल कमी असते, तर संपृक्त अवस्थेत समाकर्षणही नसते. त्यामुळे त्याचे कर्तन बल मुख्यतः परिणामी दाब व अंतर्गत घर्षण कोन यांवर अवलंबून असते. संपृक्त अजैव गाळवटाच्या कर्तन बलाची वैशिष्ट्ये असमाकर्षी मृदेप्रमाणे असतात. रंध्र–जल दाबामुळे परिणामी दाब बदलत असल्याने त्याचा कर्तन बलावर परिणाम होतो. संमिश्र मृदा व अर्धसंपृक्त चिकणमातीचे गुणधर्म जवळजवळ सारख्याच पद्धतीने ठरवितात.

कर्तन बल ठरविण्यासाठी कुलंब यांच्या शिवाय ए. डब्ल्यू. स्केमटन व ए. डब्ल्यू. बिशप यांनी वेगळी समीकरणे सुचविलेली आहेत. त्यांतील प्रचल वेगळे आहेत. तसेच एम्‌. जे. हॉरस्लेव्ह यांनी आणखी वेगळे प्रचल वापरून निराळे समीकरण सुचविले आहे मात्र ही समीकरणे फारशी वापरली जात नाहीत.

उताराचे स्थैर्य: नैसर्गिक वा मानवनिर्मित भूभागातील मृदा क्षैतिज प्रतलाशी काही कोन करून असतात. त्याचा संपर्क जलाशयाशी वा वातावरणाशी येतो. त्यास उतार म्हणतात. डोंगर, टेकड्या वगैरे नैसर्गिक भरावांत मृदेचे गुणधर्म पृष्ठभागापासून सर्व समान खोलींवर सारखेच असतात. त्यांना अपरिमित उतार म्हणतात व इतर मर्यादित उतारांना परिमित उतार म्हणतात. प्रत्यक्षात खऱ्या अर्थाने कोणताच उतार अपरिमित नसतो. तरी देखील विवरणाच्या सोयीसाठी नैसर्गिक उतार अपरिमित समजतात व मातीची धरणे, रस्ते, रेल्वे आदी मानवनिर्मित भराव परिमित मानले जातात.

कुठल्याही उतारावरील मृदा कणांत घरंगळण्याची प्रवृत्ती असते. कर्तन प्रतिबलामुळे त्या प्रवृत्तीस प्रतिरोध होतो. कर्तन प्रतिबल कमी पडले, तर मृदाखंड भंग पावतो व उतार ढासळतो. अपरिमित उतारात उताराला समांतर असलेल्या प्रतलावरील मृदेचे गुणधर्म व प्रतिबले सारखीच असतात. त्यामुळे अशा उतारात भंग झाल्यास मृदाखंड उताराला समांतर प्रतलावरून घसरतो. घसरण्यासाठी आवश्यक असणारी कर्तन प्रेरणा उताराच्या कोनावरच अवलंबून असल्याने असमाकर्षी मृदेच्या बाबतीत उताराचा कोन अंतर्गत घर्षण कोनापेक्षा कमी असल्यास उताराचा भंग होत नाही आणि मोठा असल्यास भंग निश्चित होतो. भंग प्रतल उताराला समांतर असून पृष्ठभागापासून कुठल्याही खोलीवर असू शकते. तसेच पृष्ठभागाजवळील विस्कळित मृदेतील अंतर्गत घर्षण कोन हा सापेक्षतेने जास्त खोलीवरील दृढ मृदेतील घर्षण कोनापेक्षा कमी असल्याने त्यावरच उताराचे स्थैर्य अवलंबून असते.

समाकर्षी मृदांच्या अपरिमित उतारात कर्तन बल हे परिणामी समाकर्षण व परिणामी आंतरिक घर्षण कोन ह्या दोहोंवर अवलंबून असते. त्यामुळे उताराचा कोन परिणामी आंतरिक घर्षण कोनापेक्षा कमी असेल, तर उतार स्थिर राहू शकतो. मात्र उताराचा कोन जर परिणामी आंतरिक घर्षण कोनापेक्षा जास्त असेल तर काही खोलीवरील प्रतलावरील कर्तन बल हे कर्तन प्रतिबलापेक्षा जास्त होते. उताराच्या ह्या खोलीस किंवा उंचीस सीमांत उंची म्हणतात. ह्यापेक्षा उतारांची उंची जास्त असल्यास उतार घसरण्याची शक्यता असते.

उताराच्या पृष्ठभागाजवळील मृदेवर परिसरातील हवामानाच्या बदलाच्या चक्रामुळे परिणाम होतो. पृष्ठभागाजवळील थरांतील आर्द्रता बदलते व त्यानुसार ती फुगते किंवा आकसते. ह्या दोन्हीमुळे मृदा उताराच्या दिशेने अगदी सावकाशीने घसरू लागते. त्यास मृदा विसर्पण म्हणतात. या विसर्पणामुळे उतार ढासळत नसले, तरी पृष्ठभागाखालील पाण्याचे नळ, मलवाहिनी आदींवर ताण पडतो.

जेव्हा उतारावरील फार मोठा खंड अचानकपणे कोसळतो तेव्हा त्यास भूमिपात म्हणतात. भूमिपाताची कारणे अनेक असू शकतात. अर्थात सर्व कारणांचे मूळ मात्र कर्तन बल एक वा अनेक कारणांच्या परिणामामुळे कमी झालेले असणे, हे असते. सामान्यपणे नैसर्गिक उतारात भूमिपात अनपेक्षितपणे व इतर काही कारणांचा एकत्रित दृश्य परिणाम म्हणून होतो. [⟶ भूमिपात].

आ. १७. उतार –भंगाचे प्रकार : H –उताराची उंची, DF.H – भंगपृष्ठाच्या नीचतम बिंदूची उताराच्या शिखरापासूनची खोली, DF – खोली गुणांक.उताराच्या स्थैर्याचे विश्लेषण: परिमित उतारांच्या बाबतीत विसाव्या शतकाच्या आरंभी ढासळलेल्या अनेक उतारांचे विश्लेषण केले असता असे दिसून आले की, मृदा खंड घसरण्याचा पृष्ठभाग हा एक मोठ्या दंडगोलाकृती पृष्ठभागासारखा असतो. उताराचा भंग तीन प्रकारांनी होतो (आ. १७).

भंगपृष्ठ आ. १७ मधील (१) प्रमाणे असल्यास त्यास उतार – भंग, (२) प्रमाणे असल्यास पादांगुली – भंग व (३) प्रमाणे असल्यास निम्नस्तर – भंग असे म्हणतात. उताराच्या वरच्या भागात एखादा थर कच्चा असल्यास उतार–भंग होतो. पादांगुली–भंग हा सामान्यतः आढळणारा असून उतारापेक्षा त्याखालील थर जास्त पक्के असल्यास होतो. निम्नस्तर–भंग हा उताराचा ढाळ कमी असल्यास व निम्नस्तर कच्चे असल्यास होतो. उताराचे स्थैर्य ठरविण्यासाठी भंगपृष्ठ ठरविणे आवश्यक ठरते. भंगपृष्ठ हे एका मोठ्या वर्तुळाचा कंस (चाप) असते असे प्रथम स्वीडिश अभियंत्यांनी मानून उताराच्या स्थैर्याचे विश्लेषण केले.

ह्याशिवाय घर्षण वर्तुळ पद्धत, डी. डब्ल्यू. टेलर यांची स्थैर्यांक पद्धत व बिशप यांची पद्धत यांचा उताराचे स्थैर्य ठरविण्यासाठी वापर करतात.


आ. १८. उतार स्थैर्याच्या विश्लेषणाची स्वीडिश पद्धत : (अ) घसरण वर्तुळ : r – घसरण वर्तुळाची त्रिज्या, W – मृदाखंडाचे वजन, x̄ – परिभ्रमण मध्यापासून W च्या कार्यरेषेचे अंतर, G – गुरूत्वमध्य, CU – कर्तन चल, L – कंसाची लांबी (आ) चकत्यांची पद्धत : N – अभिलंब प्रतिबल (दाब), T – स्पर्शीय दाब. स्वीडिश विश्लेषण पद्धत : ह्या पद्धतीत निरनिराळ्या वर्तुळांचे कंस ही घसरण पृष्ठे आहेत असे मानून प्रत्येक घसरण पृष्ठासाठी भंगाविरुद्ध सुरक्षितता ठरविली जाते. ज्या घसरण पृष्ठ साठी सुरक्षा गुणांक (कर्तन  

बल व कर्तन प्रतिबल याचे गुणोत्तर) कमीत कमी असेल त्या घसरण पृष्ठ वर्तुळास सीमांत घसरण वर्तुळ म्हणतात.

आ. १८ (अ) मध्ये दाखविल्याप्रमाणे AD  हा एका मानलेल्या घसरण वर्तुळाचा कंस असून त्याचा वर्तुळमध्य O व त्रिज्या r आहे. एकक जाडीच्या उताराचा ABDA हा मृदा खंड विचारात घेतल्यास त्याचे एकूण वजन W हे G ह्या त्या खंडाच्या ⇨ गुरुत्वमध्यातून क्रियाशील आहे. CU मृदेचे कर्तन बल मानल्यास, तिचा सुरक्षा गुणांक खालीलप्रमाणे ठरवितात.

चालक परिबल MD = W.x̄ 

प्रतिरोधी परिबल MR = cu.L

 

कंसाची लांबी L = 

2πrω0 

36

आणि सुरक्षागुणांक F= 

 MR 

Cu.T 

… … … (२८) 

 MD 

W.x̄ 

                                                            

अशा तऱ्हेने वेगवेगळी घसरण वर्तुळ कल्पून त्या प्रत्येकासाठी सुरक्षा गुणांक काढून त्यांतील कमीत कमी सुरक्षा गुणांक देणाऱ्या वर्तुळास सीमांत घसरण वर्तुळ म्हणतात.

उताराच्या ABDA ह्या मृदाखंडाचे वजन W काढणे व G हा त्याचा गुरुत्वमध्य ठरविणे सहज शक्य नसते. विशेषतः उतारातील मृदा एकजिनसी नसेल किंवा काही भागच फक्त संपृक्त अवस्थेत असेल तेव्हा वजन व गुरुत्वमध्य ठरविणे फारच कठीण असते. अशा वेळी ABDA ह्या खंडाच्या सारख्याच जाडीच्या चकत्या पाडल्या आहेत, अशी कल्पना केली जाते (आ. १८ आ) प्रत्येक चकती ही समलंब चौकोन आहे असे कल्पून तिचे क्षेत्रफळ व गुरुत्वमध्य हे ठरविले जातात. त्यावरून खंडाचे वजन W व गुरुत्वमध्य G ठरविले जातात. W चे वियोजन कल्पिल्यास N हा अभिलंब दाब असून T हा स्पर्शीय दाब घसरणेस चालना देत असतो. मृदेतील कर्तन बल त्यास प्रतिरोध करते. त्यावरून घसरणाऱ्या मृदाखंडाचा सुरक्षा गुणांक ठरविता येतो. निरनिराळी घसरण वर्तुळ कल्पून त्यातील कमीत कमी सुरक्षा गुणांक असणारे घसरण वर्तुळ–सीमांत घसरण वर्तुळ–ठरविता येते.

उताराच्या A बिंदूतून व BD ह्या पृष्ठभागास छेदून जाणारी, वेगवेगळ्या त्रिज्यांची व वेगवेगळे मध्य असणारी किती तरी वर्तुळे काढता येणे शक्य आहे. त्यामुळे सीमांत घसरण वर्तुळ ठरविणे फार त्रासाचे ठरते. याकरिता गणितीय व आलेखीय पद्धतींवर आधारित अशी कोष्टके डब्ल्यू. फेलेनिअस यांनी तयार केली असून त्यांच्या आधारे एकजिनसी समाकर्षी मृदा, तसेच एकजिनसी इतर मृदा यांच्या उतारांसाठी सीमांत घसरण वर्तुळाच्या मध्य बिंदूचे उताराच्या सापेक्ष असणारे स्थान ठरविता येते.

उताराचा काही भाग संपृक्त अवस्थेत असल्यास घसरण वर्तुळातील मृदेचे वजन काढताना जलपृष्ठाखालील मृदेची निमज्जित घनता विचारात घेऊन वजन काढावे लागते. त्यामुळे घसरण प्रेरणा कमी होते. तसेच उताराच्या पृष्ठभागाजवळील जलपृष्ठाखालील पाण्याच्या दाबामुळे प्रतिरोधी परिबल कमी होते. अशा रीतीने परिणामी चालक परिबल व प्रतिरोधी परिबल विचारात घेऊन सुरक्षा गुणांक काढावा लागतो.

मातीच्या धरणांच्या बाबतीत धरण पूर्ण भरलेले असताना भरावातील संथ स्रवणाची अवस्था, धरण एकदम रिकामे झाल्यास भरावाची अवस्था व बांधकाम चालू असताना भरावातील पाण्याचे प्रमाण कमीजास्त असल्याने भरावाच्या स्थैर्यावर परिणाम होतो म्हणून या अवस्थांतील स्थैर्य ठरविणे आवश्यक असते. धरण भरलेले असताना भरावातून संथपणाने स्रवण चालू असते व एक जलपृष्ठ निर्माण होते. या जलपृष्ठाखाली स्रवण जलामुळे स्रवण दाब निर्माण होतो. धरण पूर्णपणे भरलेले व स्रवणाचा वेग जास्त असताना हा दाब सर्वांत जास्त असतो. धरणाच्या प्रतिस्रोत बाजूवर ह्या दाबाची दिशा भरावाकडे असल्याने प्रतिस्रोत उताराचे स्थैर्य वाढविण्यास मदत होते. मात्र अनुस्रोत बाजूकडे भरावाच्या बाहेरच्या दिशेने ह्या दाबाची दिशा असल्याने उताराचे स्थैर्य कमी होते.

धरण सावकाशपणे रिकामे होण्याच्या प्रक्रियेत भरावातील जलपृष्ठ त्याप्रमाणे सावकाश खाली येत असते आणि त्या प्रमाणात रंध्र-जल दाबही कमी होऊन धरण भरलेले असल्यासारखी स्थिती निर्माण होऊन दोन्ही बाजूंच्या उतारांचे स्थैर्य कायम रहाते. धरण एकदम रिकामे होण्याच्या प्रक्रियेत रिकामे होण्याचा वेग व उताराच्या पृष्ठभागाची पारगम्यता यांवर प्रतिस्रोत उताराचे स्थैर्य अवलंबून असेत. उताराच्या बाहेरील पाण्याची पातळी कमी होईल तशी भरावातील जलरेषा कमी न झाल्यास, रंध्र-जल दाबामुळे प्रतिस्रोत उतार घसरण्याची शक्यता वाढते. त्यामुळे धरण रिकामे करावयाचे असल्यास सावकाशीने करावे लागते. भरावाचे बांधकाम चालू असताना मृदेत वायू व पाणी बंदिस्त झाल्याने जादा रंध्र–जल दाब निर्माण होतो. मृदेतील पाण्याचे प्रमाण, संघटन, वरील थरामुळे झालेले दृढीकरण व रंध्र-जल दाब कमी होण्यासाठी लागणारा अवधी यांवर रंध्र-जल दाब अवलंबून असतो. भरावातील निचऱ्याची व्यवस्था नीट नसल्यास किंवा दृढीकरणास कमी वेळ मिळाल्यास रंध्र–जल दाब धरण पूर्ण भरल्यानंतर येणाऱ्या रंध्र-जल दाबापेक्षा जास्त होतो व स्थैर्यास धोका उत्पन्न होतो. भरावात इष्टमय आर्द्र स्थितीपेक्षा जास्त पाणी असल्यास रंध्र-जल दाब जास्त वाढू शकतो. त्यामुळे कुठल्याही अवस्थेत रंध्र-जल दाब कमीत कमी राहील अशी खबरदारी घेणे आवश्यक ठरते.


घर्षण वर्तुळ पद्धत : या पद्धतीतदेखील घसरण पृष्ठ वर्तुळाकृती आहे असे मानतात (आ. १९).

 आ. १९. घर्षण वर्तुळ पद्धत : O – घर्षण वर्तुळमध्य, ABDA–घसरण मृदाखंड, W- मृदाखंडांचे वजन, c' L – परिणामी समाकर्षी प्रतिरोध, R – फलित प्रतिरोधी परिबल, ø' - परिणामी अंतर्गत घर्षण कोन.यात मृदाखंडाचे वजन आणि घसरण पृष्ठावर निर्माण झालेला घर्षणजन्य व समाकर्षी प्रतिरोधाचा परिणाम विचारात घेतात. घर्षणजन्य प्रतिरोध घसरण पृष्ठावर घसरण्याच्या विरुद्ध दिशेने व अभिलंबाशी  ø′ कोन करून कार्यवाहीत येतो. त्यामुळे फलित प्रतिरोध r sin ø′ एवढी त्रिज्या असणाऱ्या घसरण वर्तुळाशी एकमध्य असणाऱ्या (मध्य तोच पण त्रिज्या निराळी असणाऱ्या) वर्तुळाला स्पर्श करून जाईल. या वर्तुळाची त्रिज्या परिणामी अंतर्गत घर्षण कोनावर (ø′) अवलंबून असल्याने या वर्तुळास घर्षण वर्तुळ म्हणतात. मृदाखंड या वर्तुळाभोवती फिरतो असे मानून वजनामुळे निर्माण झालेली चालक प्रेरणा व घर्षण आणि समाकर्षण यांचे फलित प्रतिरोधी परिबल ठरविता येते व त्यावरून सुरक्षा गुणांक ठरवितात.

 

बिशप विश्लेषण पद्धत : स्वीडिश पद्धतीतील उताराच्या विश्लेषण पद्धतीतील चकत्यांच्या बाजूंवर क्रियाशील असणारे दाब विचारात न घेतल्याने, त्या पद्धतीने काढलेला सुरक्षा गुणांक अचूक असत नाही. हे टाळण्यासाठी बिशप यांनी परिणामी प्रतिबलांवर आधारित विश्लेषण पद्धत सुचविली आहे. यात उताराचे घसरण पृष्ठ हे एका मोठ्या वर्तुळाचा कंस असून घसरणविरोधी सुरक्षा गुणांक हा मृदेचे प्रत्यक्ष कर्तन बल व घसरणे रोखून धरण्यासाठी आवश्यक असणारे कर्तन बल यांच्या गुणोत्तराने ठरविला जातो.

टेलर स्थैर्यांक : परिमित उताराच्या स्थैर्याचा विचार केल्यास असे दिसून येते की, मृदेचे वजन किंवा घनता चालक प्रेरणांना मदत करते, तर मृदेतील समाकर्षण घसरणविरोधी प्रेरणांना मदत करते. तसेच या दोन्ही प्रेरणा उताराच्या सम प्रमाणात असतात. तेव्हा स्थिर उतारासाठी उंची समाकर्षणाच्या सम प्रमाणात व घनतेच्या व्यस्त प्रमाणात असते. तसेच ती मृदेच्या अंतर्गत घर्षण कोनावर व उताराच्या ढाळावर अवलंबून असते. त्यामुळे सीमांत उंची ही त्यांचे फलन (अवलंबित राशी) समजता येईल. टेरझागी यांनी या फलनास स्थैर्य गुणांक असे म्हटले असून, टेलर  यांनी या फलनास स्थैर्यांक म्हणून म्हटल्या जाणाऱ्या संख्येचा व्यस्तांक मानले. मृदेचा परिणामी अंतर्गत घर्षण कोन व उताराच्या ढाळाचा कोन यांवर आधारित स्थैर्याकांची कोष्टके व आलेख टेलर यांनी बनविले आहेत. त्यांचा उपयोग उताराची सीमांत उंची ठरविण्यासाठी करतात व त्यावरून उताराचे स्थैर्य अजमावता येते.

पार्श्विक भूमि–दाब : नैसर्गिक अवस्थेतील मृदाखंड, जमिनीचा पृष्ठभाग समपातळींत आणण्यासाठी घातलेला भराव किंवा बांधकामाच्या पायासाठी खोदलेल्या चरांच्या बाजू किंवा डोंगर उतारावर रस्ता, रल्वे इत्यादींसाठी केलेले खोदकाम वा भराव यांतील मृदा पार्श्विक भूमि-दाबामुळे ढासळण्याची शक्यता असते. ते टाळण्यासाठी आधार भिंती, पत्री स्तंभिका [⟶ पाया] वा फळ्यांचे नेटावे उभारतात. त्यामुळे त्यांच्या अभिकल्पासाठी (आराखड्यासाठी) पार्श्विक भूमि-दाब ठरविणे आवश्यक असते.

 आ. २० आधार भिंतीची हालचाल व पार्श्विक भूमि-दाब मृदेचा आपल्या संपर्कातील कोणत्याही गोष्टीवर द्रव पदार्थाप्रमाणेच पार्श्विक भूमि-दाब पडतो. ह्या दाबाच्या कमी–अधिकपणा हा आधार भिंतीच्या मागील मृदेच्या संदर्भात होणाऱ्या हालचालीच्या प्रमाणावर व दिशेवर अवलंबून असतो. आधार भिंत न हालल्यास तो भूमि-दाब  स्थिर असतो, तर भिंत भरावापासून दूर जाऊ लागल्यास तो कमी होत जातो व त्यास अभिसारी दाब म्हणतात. तसेच भिंत भरावाकडे झुकू लागली, तर तो वाढतो व मग त्यास प्रतिसारी दाब म्हणतात (आ. २०).

आधार भिंतीवरील विश्रामी (स्थिर स्थितीतील) भूमि-दाब A बिंदूने दर्शविला आहे. भिंत भरावापासून जेव्हा दूर सरकते तेव्हा मृदाखंडाचा संबंध तुटतो व मृदाखंड खाली लागतो. या घसरणीस प्रतिरोध करण्यासाठी विरुद्ध दिशेने (उदग्र दिशेने) कर्तन प्रतिबल कार्यरत होऊ लागते व त्या प्रमाणात मृदा कणांतील क्षैतिज प्रतिबल–जे पार्श्विक भूमि-दाबाच्या रूपाने भिंतीवर पडते–कमी होत जाते. भिंतीचा मृदाखंडांशी संबंध जेव्हा पूर्णपणे तुटतो तेव्हा कर्तन बल पूर्णपणे कार्यरत होऊन पार्श्विक भूमि-दाब किमान होतो. तो B ने दर्शविला आहे. जेव्हा भिंत भरावाच्या दिशेने सरकू लागते तेव्हा मागील मृदाखंडाचा भाग उदग्र दिशेने घसरू लागतो व प्रतिरोधक कर्तन प्रतिबल अधोगामी दिशेने कार्यरत होते. त्यामुळे क्षैतिज कर्तन प्रतिबल–पार्श्विक भूमि-दाब वाढू लागतो. जेव्हा कर्तन प्रतिबल पूर्णपणे उपयोगात येते तेव्हा पार्श्विक भूमि-दाब कमाल होतो. तो C ने दर्शविला आहे.

जेव्हा अभिसारी वा प्रतिसारी पार्श्विक भूमि-दाब कर्तन प्रतिबलापेक्षा जास्त होतो तेव्हा मृदाखंडाचे पतन होते. या दोन स्थितींत मृदा आकार्य संतुलन स्थितीत आहे असे म्हणतात आणि यांच्या मधल्या स्थितीत मृदा स्थितीस्थापकीय संतुलन स्थितीत आहे असे म्हणतात. मृदेमध्ये नैसर्गिक स्थितीत असणाऱ्या पार्श्विक भूमि-दाबास विश्रामी भूमि-दाब म्हणतात.

मृदा ही स्थितिस्थापक, एकजिनसी व समदिक् आहे असे मानल्यास जमिनीपासून z खोलीवर असणाऱ्या मृदा कणावर σz′ असा परिणामी उदग्र दाब असताना कणात होणाऱ्या पार्श्विक प्रतिविकृतीच्या समीकरणावरून विश्रामी पार्श्विक भूमि-दाब (Po) मिळतो. ते समीकरण असे

Po = Ko γ′z   …   …   … (२९)

येथे Ko हा विश्रामी भूमि-दाब गुणांक व γ′ निमज्जित घनता आहे. मृदेत रंध्र-जल दाब (u) असेल, तर विश्रामी पार्श्विक भूमि-दाब तेवढ्याने वाढतो. जसे

Po = Ko γ′z  + u  …   …   … (३०)

विश्रामी भूमि-दाब गुणांक खालील समीकरणाने मिळतो.

Ko =  

… … … (३१) 

1 – μ 

     

येथे μ मृदेचे प्वासाँ गुणोत्तर आहे [⟶ पदार्थांचे बल]. 


पार्श्विक भूमि-दाब ठरविण्यासाठी रँकिन यांनी प्रथम कोरड्या, रवाळ, असमाकर्षी मृदेसाठी सिद्धांत मांडला. जे. रेसल व ए. एल्‌. यांनी पुढे समाकर्षी मृदांसाठी तो लावता येतो, असे दाखविले. रँकिन यांच्या सिद्धांतानुसार असमाकर्षी, एकजिनसी, शुष्क समपातळीत किंवा उतरत्या समपातळीत मृदेचे आधार भिंतीशी घर्षण नसून ती आकार्य संतुलन स्थितीत असते. अशा स्थितीत पृष्ठभागापासून z खोलीवर असणाऱ्या कणावर पडणाऱ्या दाबाचा विचार करू  (आ. २१.) σx′ व σz′ हे अनुक्रमे क्षैतिज व उदग्र दिशांतील परिणामी दाब त्या कणासाठी लघुतम व महतम प्रधान दाब ठरतात व असमाकर्षी मृदेत भंग पावण्याच्या स्थितीत (आकार्य स्थितीत) त्यांचा एकमेकांशी असणारा संबंध खालील समीकरणाने मिळतो.

σz′= σx′ tan2 α′ …    …   … (३२)

पण σz′ = γ·z एवढे असते. σx′ हा पार्श्विक भूमि-दाबाच्या (Pa) रूपात असल्याने

Pa = γ· z· Cot2 α′  …   …  .. (३३)

हा भूमि-दाब कणाच्या खोलीनुसार (z) वाढत असल्याने भरावाच्या तळाशी (z = H) तो कमाल असतो. Pa = γ·H·cot2 α′ त्यामुळे आधार भिंतीवर घढणारा एकूण पार्श्विक भूमि-दाब Pa खालील समीकरणाने मिळतो.

Pa = 1/2 γ·H2·cot 2 α′      …   …   … (३४)

Cot2 α′ या राशीला रँकिन अभिसारी भूमि-दाब गुणांक म्हणतात. व Ka या अक्षराने दर्शवितात. अंतर्गत घर्षण कोनाच्या (ø′) स्वरूपपात Ka खालीलप्रमाणे लिहितात.

Ka

1−sin ø′ 

… … … … … … … … (३५) 

1 + sin ø′ 

आ. २१. अभिसारी पार्श्विक भूमि-दाब : (अ) H – भरावाची उंची, z – मृदा कणाची पृष्ठभागापासूनची खोली, σ'x – क्षैतिज परिणामी दाब, σ'z – उदग्र परिणामी दाब, σ' – भंग कोन (= 45 + ø'/2) (आ) दाब वितरण : Pa – अभिसारी पार्श्विक भूमि-दाब Pa – एकूण पार्श्विक भूमि-दाब.याच रीतीने विचार करून प्रतिसारी पार्श्विक भूमि-दाब गुणांक ठरविता येतो. प्रतिसारी आकार्य स्थितीत क्षैतिज दाब महत्तम प्रधान दाब असतो व उदग्र दिशेतील दाब हा लघुतम प्रधान दाब असतो. त्यामुळे प्रतिसारी भूमि-दाब व भूमि-दाब गुणांक खालीलप्रमाणे मिळतात :

PP = γ·z·tan2 α′ … … … … … … … .. … …  (३६) 

Kp

1 + sin ø′ 

… … … … … … … … (३७) 

1 – sin ø′ 

एकूण प्रतिसारी भूम-दाब PP खालील समीकरणाने मिळतो.

PP = ½ KP· γ·H2 = ½γ·H2 · 

1 + sin ø′  

… … … … … … … … (३८) 

1 − sin ø′ 

भराव क्षैतिज नसून β एवढा कोन करीत असला, तरी देखील वरील पद्धतीने विचार करता भूमि-दाबाच्या गुणांकांत थोडा बदल करून वरील समीकरणे उपयोगी पडतात. भूमि-दाबाचे गुणांक खालीलप्रमाणे येतात.

Ka= cosβ 

cos β – 

√ 

cos2 β-cos2 ø ′ 

… … … … (३९) 

cos β + 

√ 

cos2 β-cos2 ø′ 

KP= cosβ 

cos β + 

√ 

cos2 β-cos2 ø′ 

… … … … (४०) 

cos β – 

√ 

cos2 β-cos2 ø′ 

आकार्य मृदा भंगाच्या वेळी प्रतलाचा महत्तम प्रधान प्रतलाशी 

θf = 45 +

ø′

एवढा कोन होतो. 

रँकिनप्रमाणेच पार्श्विक भूमि-दाब ठरविण्यासाठी कुलंब यांनी मृदाखंडाचा सिद्धांत मांडला. त्यानुसार भरावातील भिंतीच्या बाजूचा एक खंड वेगळा होऊन उदग्र व अधोगामी दिशेने घसरतो असे मानतात. तो अधोगामी दिशेने घसरतो तेव्हा अभिसारी भूमि-दाब निर्माण होतो, तर मृदाखंड उदग्र दिशेने व भरावाकडे घसरू लागल्यास प्रतिसारी भूमि-दाब निर्माण होतो. आधार भिंतीवर पडणारा दाब हा प्रत्यक्षात मृदाखंडाचे संतुलन राखण्यासाठी निर्माण झालेला प्रतिक्रिया दाब असतो. भरावा शुष्क, असमाकर्षी व एकजिनसी मृदेचा असून घसरण प्रतल एका पातळीत आहे आणि घसरणारा मृदाखंड एक दृढ वस्तू असून भूमि-दाब हा सीमांत संतुलन राखण्यासाठी निर्माण झालेला प्रतिक्रिया दाब आहे, असे मानतात. तसेच समाकर्षी मृदेतील पार्श्विक भूमि-दाब ठरविण्यासाठी देखील या सिद्धांताचा उपयोग करतात. यातील भूमि-दाब ठरविण्यासाठी प्रतल ठरविणे आवश्यक असते. घसरण प्रतल ठरविणे सोपे काम नसल्याने जी. रेबहान यांनी आलेखीय पद्धत शोधून काढली. त्यावरून अभिसारी तसेच प्रतिसारी भूमि-दाबाची निश्चिती करणे शक्य झाले. कार्ल कूलमान यांनी ही पद्धत आणखी जास्त विकसित करून कमीत कमी सुरक्षा गुणांक असणारे भंग प्रतल शोधून त्यावरून अभिसारी व प्रतिसारी भूमि-दाब ठरविणे शक्य झाले.

समाकर्षी मृदेत अभिसारी स्थितीत समाकर्षणाने देखील प्रतिरोध केला जात असल्याने σ′ z  वσ x यांतील संबंध खालील समीकरणाने मिळतो :

σ′z= σ′ x tan2 α′ +2c′ tan α…. …. (४१) 

पण σz=γ·z व σx= Paअसल्याने 

Pa= γ·z·cot2 α′- 2c′cot α  … …… (४२)

याचाच अर्थ भरावाच्या पृष्ठभागाशी (z = o)भूमि-दाब (Pa)हा −2c′cot α′ एवढा असतो. म्हणजे प्रतिसारी असतो व तो

Z0 =

2 c′ tan α

  

     γ

या खोलीवर शून्य होतो आणि त्याखाली तो अभिसारी दाब म्हणून वरील समीरकणाने मिळतो. म्हणजेच समाकर्षणाने भूमि-दाब सर्वच खोलींवर 2c′cot α′ एवढ्याने कमी होतो. भरावाच्या पृष्ठभागाशी प्रतिसारी (विरुद्ध) दाब निर्माण झाल्याने मृदाखंड भिंतीपासून दूर सरकू लागतो व त्यामुळे भरावाला Z0खोलीपर्यंत तडे (ताणतडे) पडतात. तसेच 2Z0एवढ्या खोलीपर्यंत एकूण भूमि-दाब शून्य होत असल्याने तेवढ्या खोलीपर्यंत समाकर्षी मृदा कोणत्याही आधाराशिवाय उभी राहू शकते. मात्र पाण्याच्या प्रमाणात समाकर्षण बदलत असल्याने त्यानुसार Z0खोली बदलते.

जमिनीत खोल चर खणताना पार्श्विक भूमि-दाबाचा विचार करतात. लाकडी वा लोखंडी थामावर (टेकूवर) आधारित लाकडी व लोखंडी तक्त्यांच्या साहाय्याने चराच्या बाजूंना आधार दिला जातो. चरातील थामांची व तक्त्यांची संरचना करताना पार्श्विक भूमि-दाबाची माहिती आवश्यक ठरते. चराच्या बाजूच्या मृदेच्या वजनाने चरातील तळावर खालून दाब पडून, तळ वर उचलला जाण्याची वा भंग पावण्याची शक्यता असते. त्यामुळे चराची खोली ठरविताना पार्श्विक भूमि-दाबाचा विचार करावा लागतो. पत्री स्तंभिका व कुंडन बांध [→ पाया] यांची संरचना पार्श्विक भूमि-दाबांवर अवलंबून असते.


जमिनीची भारवहनक्षमता : कोणत्याही बांधकामाचा भार हा त्याच्या पायामार्फत जमिनीपर्यंत पोहोचला जातो. पायाचे अनेक प्रकार असून एखाद्या बांधकामास कोणत्या तऱ्हेचा पाया आवश्यक हे बांधकामाचा उपयोग, प्रकार, त्याचा भार व जमिनीची भारवहनक्षमतायांवर अवलंबून असतो. बांधकामामुळे पडणारा भार पायास्तरातील मृदेच्या आधार शक्तीच्या स्वरूपात पेलला जातो. भाराच्या समप्रमाणात आधार शक्ती एका ठराविक मर्यादेपर्यंत वाढत जाते. त्यापेक्षा भार जास्त पडल्यास मृदा भंग पावते अथवा तिचे निषदन होते. त्यामुळे बांधकामदेखील भंग पावते. तेव्हा जमिनीचे जास्त निषदन होऊ न देता तसेच भंग न पावता बांधकामामुळे पडणारा जास्तीत जास्त जो दाब जमीन सहन करू शकते, त्यास जमिनीची भारवहनक्षमता म्हणतात. बांधकामाची सामग्री व प्रकार यांवर बांधकाम पडू न देता सहन करता येणारे निषदन अवलंबून असते. त्यामुळे प्रत्यक्षात जरी मृदा भंग पावताना सहन करता येईल असा दाब जास्त असला, तरी बांधकामातील अनुज्ञात (अनुमत) निषदनासाठी लागणारा दाब हा भारवहनक्षमता समजतात. सामान्यपणे बांधकाम सामग्री १ सेंमी. निषदन सहन करू शकते, असे समजतात.

आ. २२. रँकिन विश्लेषण पद्धत : (अ) बांधकामाखालील (१) व बाहेरील (२) मृदा कण: qf - अंतिम भारवहन क्षमता, D-पायाची खोली (आ) प्रधान प्रतिबले : σ1' - परीणामी महत्तम प्रधान प्रतिबल, σ1' – परीणामी लघुतम प्रधान प्रतिबल.बांधकामाचा पायास्तर जमिनीखाली असल्यास, त्यामुळे पडणारा दाब पायास्तर ते जमिनीचा स्तर यांमधील मृदेच्या वजनाएवढा कमी होतो. पायास्तर जास्त खोल नसल्यास हे वजन दाबाच्या मानाने खूप कमी असल्याने विचारात घेत नाहीत. बांधकामामुळे पडणाऱ्या ज्या दाबाने आधारभूत मृदा भंग पावते त्या दाबास अंतिम भारवहनक्षमता म्हणतात. त्यास सुरक्षा गुणांकाने भागल्यास सुरक्षित भारवहनक्षमता मिळते. पायाची संरचना ठरविताना पायास्तर कर्तन भंगापासून सुरक्षित असावा व निषदन अनुज्ञात असावे, अशी अपेक्षा असते. अनुमानावर आधारित भारवहनक्षमता जमिनीचे पूर्ण व विभेदी निषदन आणि या निषदनास प्रतिरोध करण्याची बांधकामाची क्षमता यांचा विचार करून जमिनीवर येऊ दिल्या जाणाऱ्या दाबास अनुज्ञात भारवहनक्षमता म्हणतात. जमिनीची भारवहनक्षमता निरनिराळ्या पद्धतींनी ठरविण्यात येते. रँकिन विश्लेषण पद्धतीत बांधकामाच्या पायाखालील व त्याच्या शेजारील बांधकामासाठी नसणाऱ्या मृदा कणांत निर्माण होणारी प्रतिबले विचारात घेतली जाऊन दाबानुसार व मृदेच्या गुणधर्मांवर (घनता व अंतर्गत घर्षण कोन) आधारित अशा पायाच्या आवश्यक खोलीसाठी समीकरण मिळते. मृदा कणांवरील परिणामी महत्तम व लघुत्तम प्रधान प्रतिबलाचा विचार करून बांधकामाचा दाब, पायाची आवश्यक खोली, मृदेची घनता व परिणामी अंतर्गत घर्षण कोन यांचे खालील समीकरण मिळते :

   

 q

1- sinΦ

1+ sinΦ

]

2

 

D

=

… (४३)

   

 y

   

येथे qहा बांधकामामुळे दर चौरस क्षेत्रफळावर पडणारा दाब आहे. या समीकरणात मृदेचे समाकर्षण विचारात घेतलेले नाही. त्यामुळे भारवहनक्षमता आणखी वाढते. लहान बांधकामाच्या कमी खोलीवरच्या पायांची संरचना सामान्यपणे या समीकरणाच्या आधारे करतात.

याव्यतिरिक्त सी.ए. होगेनटोगलर, टेरझागी, स्केमटन, जी. जी. मायरहोफ आदींनी देखील आपापल्या विश्लेषणात्मक पद्धती शोधून काढल्या आहेत.

ह्या पद्धतींनी स्तंभिका, स्वतंत्र स्तंभाचा पायथा, संलग्न पायथा, गादी भराव इत्यादींची संरचना करता येते. या पद्धतींत मृदेचे समाकर्षण, अंतर्गत घर्षण कोन, जमिनीतील पाण्याची पातळी, पायाची जमिनीखालील खोली इ. अनेक गोष्टी विचारात घेऊन जमिनीची अंतिम भारवहनक्षमता ठरविता येते. सामान्यपणे असे म्हणता येईल की, मृदा कणांतील समाकर्षण, मृदा कणांतील अंतर्गत घर्षण कोनामुळे निर्माण होणारा प्रतिरोध व मृदेची वजन पेलण्याची शक्ती ह्या सर्वांचा एकत्रित परिणाम भारवहनक्षमतेत प्रतीत होतो. अर्थात प्रत्येक विश्लेषण पद्धतीप्रमाणे वरील तीनही बाबींचे प्रमाण कमी अधिक मानले जाते. त्यासाठी या पद्धतीच्या संशोधकांनी स्वतंत्र वेगवेगळे आलेख बनविले असून त्यांच्या साहाय्याने वेगवेगळ्या मृदांसाठी त्यांतील आर्द्र स्थितीनुसार व जमिनीखालील पाण्याच्या पातळीप्रमाणे भारवहनक्षमता ठरविता येते.

ह्याशिवाय प्रत्यक्ष प्रयोग करून भारवहनक्षमता ठरविण्याच्या पद्धतीत पट्टिका भार कसोटी व अंतर्गमन कसोटी ह्या दोन महत्त्वाच्या कसोट्या समजल्या जातात.

पट्टिका भार कसोटीत जमिनीवर एका पोलादी चौरस पट्टिकेवर उभारलेल्या स्तंभावर वाळूची पोती किंवा अन्य जड पदार्थ वा द्रवीय स्तंभोत्थापक (द्रवीय दाबयंत्राच्या द्वारे दाब देणारी यंत्रणा द्रवीय जॅक) यांच्या साहाय्याने भार देऊन, त्या भाराखाली पोलादी पट्टिकेचे होणारे निषदन मोजले जाते. यावरून भार व निषदन ह्यांचा आलेख काढला जातो. त्यावरून बांधकामामुळे पडणाऱ्या दाबामुळे होणारे निषदन ठरविता येते.

असमाकर्षी मृदेची भारवहनक्षमता ठरविण्यासाठी अंतर्गत कसोटीचा उपयोग करतात. ह्यामध्ये एका ठराविक आकारमानाच्या शंक्वाकृती अन्योन्यवेशी जमिनीत ठराविक अंतर जाण्यास ठराविक वजनाच्या ठराविक अंतरावरून पडणाऱ्या ठोक्यांची संख्या मोजली जाते. ठोक्यांच्या संख्येवरून जमिनीची भारवहनक्षमता ठरविली जाते व ती ठोक्यांच्या संख्येच्या सम प्रमाणात असते. अनेक विश्लेषणात्मक पद्धतींत ह्या ठोक्यांच्या संख्येच्या आधारे जमिनीची भारवहनक्षमता ठरविता येते.

याशिवाय पूर्वीचा अनुभव व मृदांचा सारखेपणा विचारात घेऊन भारतीय मानक संस्थेने विविध प्रकारच्या मृदांकरिता सुरक्षित भारवहनक्षमता ठरविल्या आहेत. त्या पुढील कोष्टकात दिल्या आहेत. प्रत्येक ठिकाणाच्या मृदेची परीक्षा घेऊन भारवहनक्षमता ठरविणे आवश्यक असले, तरी भारहवनक्षमतेचा अंदाज करण्यास ही मूल्ये उपयोगी पडतात.

बांधकामाच्या शेवटी होणारे पायाचे एकूण निषदन हे लवचिक व संकोचनाने वा दृढीकरणाने होते. मृदेतील पाण्याचे आकारमान न बदलता मृदेच्या आकारात बदल झाल्याने होणाऱ्या निषदनास लवचिक निषदन म्हणतात, तर पोकळीच्या गुणोत्तरात बदल होऊन दृढीकरणाने होणाऱ्या निषदनास संकोचन म्हणतात. बांधकामाचा भार पडल्याबरोबर लवचिक निषदन होते, तर संकोचन होण्यास बराच कालावधी लागतो. बांधकामाचा भंग निषदन जास्त होण्याने आणि विभेदी निषदन होण्याने होतो. भारतीय मानक संस्थेने निरनिराळ्या मृदांत जास्तीत जास्त विभेदी निषदन किती असावे ते ठरविले आहे (आय एस १९०४–१९६१). चिकणमातीत ४ सेंमी. व वालुकामय मृदांत २·५ सेंमी. चिकणमातीत स्वतंत्र पायासाठी ६·५ सेंमी. वालुकामय मृदांत स्वतंत्र पायासाठी ४ सेंमी. गादी भरावासाठीचिकण मातीत ६·५ सेंमी. वालुकामय मृदांत ४ ते ६·५ सेंमी. एवढे निषदन होण्यासाठी लागणारा भार व भारवहनक्षमता यांपैकी जो कमी असेल तो दाब भारवहनक्षमता मानतात आणि त्यानुसार संरचना करतात.


भारतीय मानकांनुसार सुरक्षित भारवहनक्षमतेची मूल्ये 

(आय एस १९०४–१९६१). 

                        मृदेचा प्रकार

सुरक्षित भारवहनक्षमता (टन/मी.2)

(१)रेवा, रेवा व वाळू, घट्ट बसलेल्या अवस्थेत

४५

()घट्ट बसलेली कोरडी जाड वाळू

४५

()घट्ट बसलेली कोरडी मध्यम वाळू

२५

()बारीक वाळू, गाळवट मृदा

१५

()विरळ रेवा, रेवा व वाळूचे मिश्रण, विरळ

जाड वा मध्यम कोरडी वाळू

२५

()विरळ कोरडी बारीक वाळू

१०

()मृदू शेल, घट्ट वा कठीण खोल स्तरांवरील चिकणमाती

४५

(८) मध्यम चिकणमाती (नखाने ठसा उमटू शकेल अशी)

२५

()ओलसर चिकणमाती, वाळू व चिकणमाती मिश्रण

१५

(१०)मृदू चिकणमाती (अंगठ्याने दाबलीजाणारी)

१०

(११)अतिशय मृदू चिकणमाती (अंगठ्याने खूप दाबली जाणारी)

(१२)कपाशीची काळी मृदा किंवा तत्सम मृदा (कोरड्या स्थितीत)

१५

खोल पाया : पृष्ठभागाजवळ चांगली भारवहनक्षमता असणारा मृदा स्तर नसल्यास बांधकामाचा भार पृष्ठभागापासून खूप खोलीवर असणाऱ्या पुरेशी भारवहनक्षमता असणाऱ्या स्तरावर स्तंभिका, स्तंभ, कूप यांसारख्या खोल पायांच्या मार्फत टाकण्यात येतो. [→ पाया].

साधारणपणे अशा खोल पायांत बांधकामाचा भार दुसऱ्या टोकाकडील खोलीवरील मृदा स्तरावर पोहचून किंवा आपल्या कवचाच्या व बाजूच्या मृदेच्या घर्षण प्रतिरोधाने पेलला जातो. असमाकर्षी मृदांत दृढीकरण व्हावे म्हणूनही घनीकरण स्तंभिकेसारखे पाये वापरतात. खोल पायांपैकी स्तंभिका सोडून इतर तऱ्हेचे पाये आकारमानाने मोठे असतात आणि त्यांचा बांधकामास खूप वेळ लागत असल्याने, त्यांच्यामुळे बाजूच्या मृदांवर फारसे परिणाम होत नाहीत व झाल्यास मृदा कणांची फेररचना होण्यास पुरेसा वेळ लागत असल्याने ते दृष्टोत्पत्तीस येत नाहीत. मात्र स्तंभिकांच्या बाबतीत अशा तऱ्हेचा पुरेसा वेळ मिळत नसल्याने परिणाम चटकन दृष्टोत्पत्तीस पडतात.

असमाकर्षी मृदांत पुरेशी पोकळी असल्याने स्तंभिकांमुळे पोकळीचे गुणोत्तर कमी होऊन मृदेचे दृढीकरण होते. तसेच पारगम्यता जास्त असल्याने संपृक्त मृदांतील पाणी स्तंभिकांमुळे चटकन बाहेर पडून पोकळीचे गुणोत्तर कमी होते.

समाकर्षी मृदांत कणांचे आकारमान जवळजवळ एकसारखे असून पोकळीचे गुणोत्तर व पारगम्यता कमी असतात, त्यामुळे स्तंभिका जमिनीत ठोकल्यावर तेवढ्याच घनफळाची मृदा स्थानांतरित होते. पोकळीचे गुणोत्तर कमी असल्याने ह्या स्थानांतरित मृदेमुळे जमिनीच्या पृष्ठभागास थोडा फुगवटा येतो. स्तंभिकेच्या कवचाजवळील मृदा कमी वेळात विस्तारित होत असल्याने कर्तन प्रतिविकृतीमुळे मृदेचे बल कमी होते. त्यामुळे स्तंभिकेचा घर्षण प्रतिरोध कमी होतो. कवचाजवळील कणांचा भार पडल्याने कणांमधील रंध्र-जल दाब वाढतो. तसेच स्तंभिकेमुळे मृदेची बाहेरच्या बाजूने हालचाल झाल्याने तीत प्रतिसारी भूमि-दाब निर्माण होऊन तो स्तंभिकेवर पडतो. जादा रंध्र-जल दाबामुळे मृदेत स्त्रवण सुरू होऊन स्तंभिकेकडून बाहेरच्या बाजूने पाणी वाहू लागते व मृदा कण स्तंभिकेकडे सरकू लागतात. त्यामुळे स्तंभिकेच्या अगदी जवळ पोकळीचे गुणोत्तर कमी होते व लांबच्या अंतरावर मृदा विस्तारित होते. स्तंभिकेस कर्तन प्रतिरोध कमी असल्याने मृदेच्या पार्श्विक भूमि-दाबामुळे किंवा जवळपास दुसरी स्तंभिका ठोकल्यास ही स्तंभिका थोडी वर उचलली जाऊन, पाया स्तरापासून दूर झाल्याने तिची शक्ती कमी होते.

मृदा व कंपने : भूकंप, निरनिराळ्या तऱ्हेची यंत्रे यांच्यामुळे मृदांवर पडणारा भार गतिशील भार असतो. तो वास्तू, रस्ते आदींमुळे मृदांवर पडणाऱ्या भारांपेक्षा वेगळ्या तऱ्हेचा असतो. आवर्ती (ठराविक कालांतराने पुनःपुन्हा उद्‌भवणाऱ्या), अनावर्ती व आघाती प्रेरणांमुळे मृदांवर गतिशील भार पडतो. या भारांचे निरनिराळ्या यंत्रांवर तर परिणाम होतातच पण त्यांच्या पायांतील मृदांवरदेखील परिणाम होतात. गतिशील भाराच्या कंपनामुळे मृदेचे घनीकरण होऊन तिचे गुणधर्म बदलतात व सापेक्ष निषदन होऊ शकते. कंपनांमुळे निर्माण होणाऱ्या तरंगाचा बाजूच्या बांधकामावर परिणाम होऊ शकतो. कंपने व मृदा यांच्या संबंधाचा अभ्यास मृदा यामिकीच्या ‘मृदा गतिकी’ ह्या भागात केला जातो.

आवर्ती, अनावर्ती, आघाती, रेखीय, वक्र, द्वि वा त्रिदिक् परिभ्रमण किंवा ह्यांपैकी दोन वा अधिक गतींच्या मिश्रणाने निर्माण होणाऱ्या गतींचा ह्यात विचार करण्यात येतो. ह्या गतींच्या परिणामास मृदा प्रतिरोध करते. मृदा पूर्णपणे स्थितिस्थापक आहे असे मानून सूत्राच्या साहाय्याने प्रतिरोध ठरविता येतो पण प्रत्यक्षात मृदा पूर्णपणे स्थितिस्थापक नसल्याने प्रतिरोधाचे अचूक अनुमान मिळत नाही. त्याऐवजी मृदा अर्धस्थितिस्थापक मानून मृदेचा प्रतिरोध काही सूत्रांच्या साहाय्याने ठरवितात.

कंपनांचा परिणाम कमी होण्यासाठी स्प्रिंगा, रबराचे ठोकळे व रबरी धारवे (कंप पावणाऱ्या भागाला आधार देणारे भाग) यांचा उपयोग करतात. तसेच कंपनांचा परिणाम इतर यंत्रावर वा बांधकामावर होऊ नये ह्यासाठी दोहोंमधील व खालील फरशी वा पायाखालील जमिनीचा संपर्क तोडतात, तसे करणे शक्य नसल्यास पायाच्या सभोवती वाळूसारख्या मृदेचा थर देतात. त्यामुळे यंत्रापासून निर्माण होणाऱ्या कंपनांची तीव्रता व त्याचे परिणाम कमी होतात. तसेच यंत्राच्या आघाती भारामुळे पायाखालील मृदा बाजूला सरकून निषदन होऊ नये ह्यासाठी पायाभोवती कित्येकदा पत्री स्तंभिकांचा उपयोग करतात. [→ कंपने, यांत्रिक].

काही प्रदेशांत भूकंप अपेक्षित असतात. अशा प्रदेशांत बांधकाम करताना भूकंपामुळे निर्माण होणाऱ्या भाराचा विचार करणे आवश्यक असते. भूकंपामुळे पडणारा भार भूकंपाच्या अपेक्षित तीव्रतेनुरूप बांधकामाच्या भाराच्या एक किंवा एकापेक्षा कमी पटीत समजतात. भूकंप प्रवण प्रदेशात इमारतींची संरचना भारवाही  पद्धतीऐवजी सांगाडा (चौकट) पद्धतीने केल्यास इमारतीला कमी धोका संभवतो. [→ भूकंप-प्रतिरोधक बांधकाम].

आ. २३. फरसबंदीचे भाग : (१) फरसबंदी, (२) झिजणारा स्तर, (३) आधार स्तर, (४) उपाधार स्तर, (५) तल स्तरफरसबंदी : वहानांच्या धावण्यामुळे पडणारा भार पेलण्यासाठी आणि त्याच्या वितरणासाठी स्थिर व झिजू शकणाऱ्या थरास फरसबंदी म्हणतात. रस्ते, विमानतळावरील धावपट्‌ट्या ही फरसबंदीची सर्वसामान्य उदाहरणे होत. फरसबंदी ही झिजणारा स्तर, आधार स्तर व उपाधार स्तर यांची बनलेली असते. तिच्यासाठी तयार केलेल्या जमिनीस तल स्तर म्हणतात (आ. २३).

वहानांच्या हालचालींची प्रक्रिया व तल स्तरातील मृदेच्या गुणधर्मांतील बदल ही मुख्यतः फरसबंदीच्या भंगाची कारणे होत. वहानांच्या पुनरावर्ती भारामुळे तल स्तराच्या होणाऱ्या जास्त विकृतीमुळे, घनीकरणामुळे व दृढीकरणाने फरसबंदीचा भंग होऊ शकतो. तल स्तराचे निषदन हे आणखी एक कारण होय.

आर्द्र स्थितीतील बदल व गोठणक्रिया यांमुळे तल स्तरात घट होते. आर्द्र स्थितीतील वाढीमुळे मृदेची भारवाहनक्षमता कमी होते, तर आर्द्र स्थितीतील घटीमुळे भारवहनक्षमता वाढण्याची अपेक्षा असली, तरी त्याचबरोबर मृदेच्या नैकविध आकुंचनामुळे फरसबंदीच्या भंगाची शक्यता वाढते.

भारास आधार देण्याची व भार वितरणाची पद्धती यांवरून फरसबंदीचे अनम्य, नम्य, अर्धनम्य असे वर्गीकरण करतात. बराच मोठा ताण दाब सहन करू शकणाऱ्या फरसबंदीस अनम्य म्हणतात. काँक्रीटची फरसबंदी हे त्याचे उदाहरण होय. नम्य फरसबंदी फारच कमी ताण दाब सहन करू शकते व तल स्तरातील कोणत्याही लहानमोठ्या बदलामुळे झिजणाऱ्या स्तरात बदल घडून येऊ शकतो. बिट्युमेनयुक्त व जलबद्ध मॅकॅडम फरसबंदी ही याची उदाहरणे होत. अर्धनम्य फरसबंदीत बरेच जास्त अनम्य बल असते. मात्र लवचिकता कमी असल्याने तल स्तरातील बदलामुळे झिजणारा स्तर भंग पावण्याची शक्यता असते. मृदा व सिमेंटची स्थिरीकृत फरसबंदी हे याचे उदाहरण होय.

फरसबंदीच्या संरचनेत तल स्तरांचे बल वाहनाचा भारव आवर्तन, फरसबंदीची सामग्री यांवरून फरसबंदीची जाडी ठरविण्यासाठी गट निर्देशांक पद्धत, कॅलिफोर्निया भार गुणोत्तर पद्धत, नॉर्थ डकोटा शंकू पद्धत, कर्तन बल पद्धत, वेस्टरगार्ड पद्धत आदींचा वापर करतात.


निर्देशांक पद्धत : मृदेतील बारीक कणाचे आकारमान, त्यांचे प्रमाण, द्रवीय व आकार्य आर्द्र स्थिती यांवरून गट निर्देशांक ठरवितात. जसे गट निर्देशांक = 0·2a–0·00 5ac–0.01bd . . .   (४४) a = ७५ मायक्रॉन कणांची ३५% पेक्षा जास्त व ७५% कमी टक्केवारी (० ते ४० पर्यंत). b = ७५ मायक्रॉन कणांची १५% पेक्षा जास्त व ५५% पेक्षा कमी (० ते ४० पर्यंत). c = ४० ते ६० या दरम्यानचा द्रव अवस्थांक घन पूर्णांकात (० ते २० पर्यंत). d = १० ते ३० या दरम्यानचा आकार्यता निर्देशांक घन पूर्णांकात (० ते २० पर्यंत).

गट निर्देशांकाचे मूल्य जास्त असल्यास तल स्तराचे बल कमी असते व फरसबंदीची जाडी वाढवावी लागते. गट निर्देशांक व फरसबंदीची जाडी यांचे वेगवेगळ्या वहान भारांसाठी आलेख तयार करण्यात आले असून त्यांवरून फरसबंदीची जाडी ठरवितात. 

कॅलिफोर्निया भार गुणोत्तर पद्धत : मृदेत ठराविक आकारमानाचा दट्ट्या ठराविक अंतरापर्यंत ढकलण्यासाठी लागणारा भार व चुरडलेल्या दगडाच्या प्रमाणित नमुन्यासाठी लागणारा असा भार यांच्या गुणोत्तरास त्या मृदेचे कॅलिफोर्निया भार गुणोत्तर म्हणतात. फरसबंदीच्या सामग्रीचे व तल स्तराचे भार गुणोत्तर स्वतंत्रपणे काढून फरसबंदीवरील अपेक्षित भारानुसार तिची जाडी ठरविण्यात येते. निरनिराळ्या भारांच्या वहानांसाठी फरसबंदीची जाडी व भार गुणोत्तर यांचे आलेख तयार केलेले असून त्यांवरून फरसबंदीची जाडी ठरवितात.

नॉर्थ डकोटा शंकू पद्धत : या पद्धतीत शंक्वाकृती अंतर्गतमापकाच्या साह्याने तल स्तराची भारवहनक्षमता ठरवितात. आतापर्यंतच्या फरसबंदीच्या समाधानकारक कार्यावरून फरसबंदीची जाडी व तल स्तराची भारवाहनक्षमता यांचे आलेख तयार करण्यात आले असून त्यांवरून तल स्तर भारवहनक्षमता व फरसबंदीची जाडी ठरवितात.

कर्तन बल पद्धत : मुख्यतः चिकणमातीमय मृदेसाठी या पद्धतीचा उपयोग करतात. वेगवेगळ्या खोलीवरील अक्षोभित मृदेचे ‘अपरिरुद्ध संकोचन’ पद्धतीने कर्तन बल ठरवितात. ज्या खोलीवरील उदग्र दिशेतील भार तेथील कर्तन बलाच्या π (पाय्) पटीत असलेल्या खोलीएवढी कमीत कमी फरसबंदीची जाडी असावी असे ठरवितात.

वेस्टगार्ड पद्धत : या पद्धतीत तल स्तराची प्रक्रिया उदग्र दिशेतील विचलनाच्या सम प्रमाणात असते असे मानतात. प्रतिक्रया व विचलनाच्या गुणांकास तल स्तर प्रतिक्रिया गुणांक म्हणतात. पट्टिका भार पद्धतीने हा गुणांक ठरवितात. फरसबंदीच्या सामग्रीच्या बलाप्रमाणे या गुणांकाचा उपयोग करून वेस्टरगार्ड समीकरणने निरनिराळ्या वहनांच्या  भारांनुरूप फरसबंदीची जाडी ठरवितात [→ रस्ते].

जलसेतू व जलवाहिनी : कालवा, रस्ता किंवा नदीनाला यांच्यावरून नेण्यासाठी जलसेतूचा उपयोग करतात तर पाणी, इंधन वायू, खनिज तेल, घाण पाणी आदी प्रवाही पदार्थ वाहून नेण्यासाठी जलवाहिन्यांचा उपयोग केला जातो. एका रस्त्याखालून वा जमिनीखालून दुसरा रस्ता नेण्यासाठी भुयारी मार्ग बांधले जातात. जलसेतू साधारणपणे भरावात असतात, तर जलवाहिन्या व भुयारी मार्ग जमिनीखाली वा भरावाच्या खाली असतात. ह्या सर्वांचाच भरावाच्या वा बाजूच्या नैसर्गिक मृदेशी संबंध येत असल्याने त्यांच्यावर मृदेचा परिणाम होणे अपरिहार्य असते.

जलसेतू साधारणपणे भरावांत असतात. त्यामुळे त्यांच्या अभिकल्पात भरावाच्या मृदेचे गुणधर्म, भरावाची उंची, घनीकरण, पाण्याची खोली, सेतूतील रस्ता वा पाणी यांची खोली इ. गोष्टी विचारात घेतल्या जातात.  पुलाच्या कमानीवर भराव व पाणी यांचा भार मोठ्या प्रमाणावर येतो, तर अंत्याधार व आधार भिंतीवर पार्श्विक भूमि-दाब मोठ्या प्रमाणावर असतो. बांधकामाची पद्धत व मृदेची स्थिती यांवरून पार्श्विक भूमि-दाब ठरविता येतो. तसेच जलसेतू साधारणतः जमिनीवर असल्याने त्याच्या एखाद्या भागात निर्माण झालेली विकृती लक्षात घेऊन दुरुस्ती करणे शक्य असते.

जलवाहिन्या व भुयारी मार्ग जमिनीखाली असल्याने त्यांच्या अभिकल्पांत मृदेत होणाऱ्या बदलांनी बांधकामावर होणाऱ्या परिणामाची काळजी घेणे आवश्यक असते. पृष्ठभागावरील वाहतूक व पुनर्भरावाच्या मृदेच्या भाराचा एकत्रित उदग्र भार, जलवाहिनीच्या खालील जमिनीचा प्रतिरोध, बाजूच्या मृदेचा पार्श्विक भूमि-दाब व बांधकामाचे बल यांचा विचार अभिकल्पात केला जातो. जलवाहिनीवर केलेल्या पुनर्भरावाची मृदा आर्द्र स्थिती, घनीकरण्, दृढीकरण इ. बाबतींत बाजूच्या नैसर्गिक स्थितीपेक्षा वेगळ्या अवस्थेत असल्याने पार्श्विक भूमि-दाब व जमिनीचा प्रतिरोध वेगवेगळ्या सूत्रांनी ठरविता येतात. जलवाहिनीच्या सामग्रीच्या लवचिकपणाचाही विचार करून जलवाहनीचा आकार, जाडी इ. गोष्टी निश्चित केल्या जातात. पुनर्भरावाच्या आणि नैसर्गिक मृदांच्या गुणधर्मांचे जेवढ्या अचूकतेने निदान केले जाते, तेवढी अचूकता बांधकामाच्या अभिकल्पात येते.

भरावामुळे नैसर्गिक पृष्ठभागाचे निषदन होते व त्यामुळे जलसेतूचेही निषदन होते. तसेच भरावामुळे भरावाच्या पादांगुलीच्या दिशेने प्रतिविकृती निर्माण होते. अशा तऱ्हेच्या उदग्र दिशेतील व पार्श्विक प्रतिविकृतींच्या भरावाखालील परंतु नैसर्गिक पृष्ठभागावरील जलवाहिन्यांच्या व जलसेतूच्या कार्यात व अभिकल्पात विचार करणे आवश्यक ठरते. ह्या दोन्ही प्रतिविकृती भरावाच्या उंचीच्या समप्रमाणात व पायातील मृदेच्या गुणधर्मांवर अवलंबून असतात. त्यामुळे जलसेतूंचा व जलवाहिन्यांचा अभिकल्प वेगळ्या खास तऱ्हेने करतात [→ जलवाहिनी पूल].


प्रसरणशील मृदा : मध्य व दक्षिण भारतातील कपाशीची काळी माती, राजस्थान व जम्मू येथील ⇨ बेंटोनाइट, बुंदेलखंडातील मार व काबर इ. मृदांत प्रसरण पावण्याचा गुणधर्म आढळून येतो. अशा मृदा पाण्याने शोषण झाल्याने प्रसारित होतात व पाण्याचा निचरा झाल्यावर खूप आकुंचन पावतात. हा गुणधर्म मृदा कणांतील खनिजाचा प्रकार, त्यांचे प्रमाण व त्याची ⇨ आयन-विनिमयक्षमता (काही आयनांची म्हणजे विद्युत् भारीत अणू, रेणू वा अणुगट यांची जागा दुसऱ्या आयनांनी घेण्याची क्षमता) ह्यांवर अवलंबून असतो. मृदेच्या आकारमानात पडणाऱ्या फरकाने, तिच्याशी संलग्न असलेल्या बांधकामावर एक प्रकारचा दाब पडतो. त्या दाबास फुगवणदाब असे म्हणतात. मृदेचे प्रसरण सामविण्यासाठी पुरेशी जागा नसल्यास मृदा उदग्र दिशेने प्रसारित पावू लागते.

उन्हाळ्यात मृदेतील आर्द्र स्थिती कमी होण्याच्या प्रमाणात मृदेत तडे वा भेगा पडण्यास सुरुवात होते. हे तडे मृदा आकुंचन पावल्याने पडतात. बांधकामाखालील व बाहेरील मृदेचे आकुंचन विषम प्रमाणात होत असल्याने बांधकामास तडे पडू शकतात.

अशा मृदांत बांधकाम करताना त्याचे स्थिरीकरण करावे लागते वा खास पद्धतींचा उपयोग करावा लागतो. बांधकामाखालील प्रसरणशील मृदा काढून टाकणे, प्रबलित (पोलादी सळ्या वा जाळ्या घालून अधिक बलवान केलेल्या) काँक्रीटचा पाया बांधणे, स्तंभिकांचा पायासाठी उपयोग करणे, बांधकामाचा अभिकल्प त्यातील वेगवेगळ्या घटकांचे विभेदी निषदन सहन करू शकेल असा करणे, जमिनीतील बाहेरील बाजूने वाळू वगैरे दाणेदार मृदा टाकून बांधकामाखालील मृदेचा व बाहेरील प्रसरणशील मृदेचा संबंध तोडून टाकणे इ. उपायांनी मृदा प्रसरणाचे बांधकामावरील दुष्परिणाम कमी करता येतात वा पूर्णपणे काढून टाकता येतात.

मृदा स्थिरीकरण : स्वस्त रस्ते बांधणे, विमानतळासाठी चांगली फरसबंदी बांधणे, थोड्या वेळात वाहतुकीयोग्य रस्ते बांधणे, जमिनीची पारगम्यता व संकोच्यता कमी करणे, जमिनीची भारवहनक्षमता वाढविणे व पाया खोदाईचे दुष्कर काम सोपे करणे वगैरेंसाठी मृदेचे स्थिरीकरण करतात. मृदा कणांची मांडणी बदलून घनीकरणाने, मृदा कणांतील पोकळी दुसऱ्या पदार्थाने भरून, मृदा कणांची स्थिरीकणाच्या पदार्थांच्या कणांशी रासायनिक विक्रिया घडवून नवीन गुणधर्मांची संयुगे निर्माण करून, मृदेतील पाणी घालवून टाकून वा गोठवून टाकून मृदेचे स्थिरीकरण करतात. मृदेचे गुणधर्म, स्थिरीकरणाचे उद्देश, सामग्री मिळण्याची शक्यता इ. गोष्टी विचारात घेऊन स्थिरीकरणाची पद्धत ठरवितात. 

यांत्रिक स्थिरीकरण पद्धतीत नियंत्रित प्रतवारी व योग्य घनीकरणाचे तत्त्व उपयोगात आणले जाते. नियंत्रित प्रतवारीसाठी काही आकारमानाचे मृदा कण काढून टाकावे लागतात व काही मिसळावे लागतात. योग्य घनीकरणाने व मृदा कणांची अंतर्गत मांडणी बदलून पोकळी कमी होते व मृदेचे स्थिरीकरण होते.

मृदा कणांतील पोकळी चिकणमातीने भरून स्थिरीकरण होते. तसेच चुना, सिमेंट आणि रसायने मिसळून स्थिरीकरण करता येते. चुना, सिमेंट इ. मृदा कणांतील पोकळीत भरून काढतात. शिवाय आपल्या घट्ट धरून ठेवण्याच्या गुणधर्माने मृदा कण घट्ट ठेवतात. मृदा कणांतील इतर रासायनिक घटकांशी संयोग पावून नवीन घट्ट संयुगे तयार होतात.

स्थिरीकरणासाठी चुना वापरल्यास मृदा कणांवरील अधिघोषित जलाचे स्वरूप बदलते. त्यामुळे मृदेतील अधिशोषित जलाचे प्रमाण बदलून मृदा कण जवळ येतात, तसेच चुन्यामुळे मृदा कणांत संयोजक क्रिया होऊन ते अधिक घट्टपणे एकमेकांशी बांधले जातात.

साखर कारखान्यांतील मोलॅसिस (उसाच्या रसातील ज्या भागापासून साखरेचे स्फटिक साध्या प्रक्रियांनी तयार करता येत नाहीत असा भाग) व काही क्षारधर्मीय (अम्लाशी विक्रिया झाल्यास लवण तयार करणाऱ्या) संयुगांचा देखील स्थिरीकणात उपयोग करतात. अशा तऱ्हेच्या परिक्षेपकांमुळे (कण अलग करणाऱ्या पदार्थांमुळे) मृदेचा द्रव अवस्थांक कमी होतो. कमी आर्द्र स्थितीत मृदेची घनता वाढू शकते, मृदेचे बल वाढते, पारगम्यता व संकोच्यता कमी होतात.

औष्णिक स्थिरीकरणात मृदा तापविली जाते वा गोठविली जाते. मृदा भाजल्यामुळे तिची आकार्यता कमी होते. त्यामुळेच मृदेचे गुणधर्म चांगले होतात. संपृक्त मृदेचे स्थिरीकरण ती गोठवून करता येते. पाण्याच्या घनीभवनाने मृदेतील पोकळी भरून निघते आणि मृदेचे कर्तन बल वाढते.

विजेच्या प्रवाहाने मृदेतील रंध्र-जल विद्युत् तर्षणाने कमी होते व मृदेचे कर्तन बल वाढते. विद्युत् तर्षणात आयन-विनिमयाने मृदा कणांची रचना बदलते व कण एकमेकांशी पक्के चिकटतात.

गाराभराई पद्धत (सिमेंट व पाणी व अन्य पदार्थ यांचे पातळ लापशीसारखे मिश्रण–गारा–करून ते पायाच्या स्तरात भोके पाडून त्यांतून आत बाह्य दाबाने घुसविण्याची पद्धत) पारगम्यता कमी करण्यासाठी, मृदेची भारवहनक्षमता वाढविण्यासाठी व संकोच्यता कमी करण्यासाठी वापरतात. गाराभराईसाठी चिकणमाती, सिमेंट, बिट्युमेन वा इतर रसायने यांचा उपयोग करतात.

मृदेचे नैसर्गिक गुणधर्म व ठराविक उपयोगासाठी आवश्यक असणारे मृदेचे गुणधर्म विचारात घेऊन स्थिरीकरणाची पद्धत व त्यासाठी वापरावयाची सामग्री, रसायने वगैरेंचे प्रमाण ठरवितात.


महाराष्ट्रातील मृदांचे स्थानिक प्रकार : महाराष्ट्रातील मृदा ह्या मुख्यत्वे स्थानविशिष्ट असून नद्यांच्या किनारपट्टीत परिवाहित मृदा आहेत. स्थानविशिष्ट मृदांत मुरूम व जांभ्याची माती यांचा समावेश असून परिवाहित मृदांत काळी माती व किनारी गाळ यांचा समावेश होतो.

मुरूम हा सामान्यत: चांगल्या बलाचा असतो व त्याचा बांधकामात विपुल प्रमाणात उपयोग केला जातो. स्थानाप्रमाणे भुरकट काळसर रंगापासून लालसर रंगापर्यंत त्याच्या रंगात फरक आढळतो. रस्त्याचे तल स्तर वा बांधकामासाठी पाया, रस्त्याचे भराव व धरणे यासांठी त्याचा विशेष उपयोग केला जातो. [→ मुरूम-१].

जांभ्याची मृदा ही वेगवेगळ्या जाडीच्या मृदा स्तरांच्या स्वरूपात जास्त पावसाच्या व पश्चिमेकडील डोंगराळ भागांत आढळते. बांधकामाच्या दृष्टीने ती फारशी उपयोगी पडत नाही. [→ जांभा..२].

परिवाहित मृदांत नद्यांच्या काठी माण नावाची मृदा पुष्कळ ठिकाणी मिळते. नदीने आणून टाकलेल्या गाळात बेसल्टामधील चुनखडी केशाकर्षणाने किंवा भूमिजलाच्या प्रवाहाने आणून टाकल्याने गाळाचे कण एकत्रित घट्ट सांधले जातात. त्यामुळे अशा मृदांचे थर टकण व खणायला कठीण असतात. त्यांची भारग्राह्यता (भार सहन करण्याचे सामर्थ्य) चांगली असते.

पूर्व महाराष्ट्रात कमीजास्त जाडीचे काळ्या मातीचे थर आढळतात. त्यांत चिकणमातीच्या कणांने प्रमाण खूपच जास्त असते. तिची भारग्राह्यता खूप कमी असते. आर्द्र स्थितीप्रमाणे तिचे आकारमान वाढत असल्याने तिच्यावरील बांधकामाला तडे पडण्याची शक्यता असते. ते टाळण्यासाठी काही खास पद्धती वापराव्या लागतात. ओल्या स्थितीत तिची पारगम्यता खूपच कमी असल्याने मातीच्या धरणाच्या भरावात अपार्य (अपारगम्य) थरासाठी तिचा उपयोग केला जातो. या काळ्या मातीत माणेप्रमाणेच चुनखडीचे मिश्रण पुष्कळदा आढळते. अशा मृदेस करळ म्हणतात. पाण्याच्या झिरपण्याने हिच्यातील चुनखडीचा अंश हळूहळू वाहून जाऊन या मृदेची भारग्राह्यता नाहीशी होते.

समुद्रकिनारपट्टीजवळ रेतीमिश्रित मृदा आढळते. तीत बारीक कणांचे प्रमाण खूपच कमी असून त्यांत लवणांचे कमीअधिक प्रमाण असते. कित्येकदा त्यांत गाळवट व संमृदांचेही प्रमाण आढळू शकते. तिची भारग्राह्यता कमी असते. शिवाय मृदेतील लवणांचा इतर बांधकाम सामग्रीवर परिणाम होऊन त्यांची भारग्राह्यता कमी होण्याची शक्यता असल्याने ह्या मृदेचा बांधकामासाठी फारसा उपयोग होत नाही.

पहा : पाया.

संदर्भ : 1. Jamikis, A. R. Mechanics of Soils, Princeton, 1964.

             2. Jamikis, A. R. Theoretical Soil Mechanics, Princeton, 1969.

             3. Leonards, G. A. Ed., Foundation Engineering, Tokyo, 1962.

             4. Peck, R. B. Hanson, W. E. Thornburn, T. H. Foundation Engineering, Bombay, 1961.

             5. Raychaudhari, S. P. and others, Soils of India, New Delhi, 1963.

             6. Singh. Alam, Soil Engineering in Theory and Practice, Bombay, 1975.

             7. Sowers, G. B. Sowers, G. F. Introductory Soil Mechanics and Foundations, New York, 1961.

             8. Taylor, D. W. Fundamentals of Soil Mechanics, Bombay, 1960.

             9. Terzaghi, K. Peck, R. B. Soil Mechanics in Engineering Practice, Bombay, 1961.

             10. Tschebotarioff, G. P. Soil Mechanics, Foundation and Earth Structures, Tokyo, 1951.

टोणगांवकर, अ. स. ओक, शा. चिं.

Close Menu
Skip to content