Geotechnical Characterisation of Subgrade and Sub-Base Materials for Road Pavement Design in Kasese District, Western Uganda

सड़कें केवल डामर की पट्टियाँ मात्र नहीं हैं; वे पृथ्वी की एक जीवित, सांस लेती नींव पर बनी जटिल संरचनाएं हैं। सिविल इंजीनियरिंग की दुनिया में, सड़क के नीचे की जमीन को सबग्रेड (subgrade) कहा जाता है, और उसके ठीक ऊपर रखी जाने वाली सामग्री की परत को सब-बेस (sub-base) कहा जाता है। ये परतें पूरे पेवमेंट सिस्टम के आधार के रूप में कार्य करती हैं, जो वाहनों के भारी वजन को वितरित करती हैं ताकि सतह टूट न जाए या धंस न जाए। हालाँकि, पृथ्वी एक समान नहीं है। कुछ स्थानों पर मिट्टी सूखी और मजबूत होती है, जबकि अन्य स्थानों पर यह गीली, नरम और भीगने पर फूलने के प्रति संवेदनशील होती है। यदि इंजीनियर स्थानीय मिट्टी के विशिष्ट व्यवहार को समझे बिना सड़क का निर्माण करते हैं, तो सड़क समय से पहले विफल हो जाएगी, जिससे वह एक ऊबड़-खाबड़, खतरनाक रास्ता बन जाएगी जिसके लिए निरंतर, महंगे मरम्मत कार्यों की आवश्यकता होगी। यह विशेष रूप से उन क्षेत्रों में अत्यंत महत्वपूर्ण है जहाँ भारी वर्षा होती है और मौसमी बाढ़ आती है, जहाँ पानी ठोस जमीन को एक कमजोर, अस्थिर कीचड़ में बदल सकता है।

पश्चिमी युगांडा के कासेसे जिले में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह समझने के लिए काम शुरू किया कि इस जीवंत क्षेत्र को जोड़ने वाली सड़कों के नीचे वास्तव में क्या है। कासेसे एक सक्रिय केंद्र है, जो पास के र्वेंज़ोरी पर्वत और क्वीन एलिजाबेथ नेशनल पार्क के लिए पर्यटकों को आकर्षित करता है, साथ ही यह खनन और लोकतांत्रिक गणराज्य कांगो के साथ सीमा पार व्यापार के लिए एक महत्वपूर्ण गलियारा भी है। इसके महत्व के बावजूद, यहाँ की सड़कें अक्सर समय से पहले विफल हो जाती हैं। यह जिला महत्वपूर्ण वर्षा का अनुभव करता है और नदियों जैसे न्यमवाम्बा और मुबुकु से आने वाली बाढ़ के प्रति संवेदनशील है, जो अक्सर सड़क की नींव को जलमग्न कर देती हैं। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं को अनुमान और सामान्य धारणाओं से आगे बढ़ने की आवश्यकता थी। उन्होंने मिट्टी के प्रोफाइल का मानचित्रण करने और उसकी मजबूती को मापने के लिए एक विस्तृत जांच की, जिसका उद्देश्य एक ऐसा विज्ञान-आधारित मार्ग प्रदान करना था जो स्थानीय वातावरण का सामना कर सके ऐसी सड़कों के डिजाइन के लिए।

टीम ने पूरे जिले में तीस परीक्षण गड्ढे खोदकर अपना काम शुरू किया, जो सतह के नीचे क्या सामग्री मौजूद है यह देखने के लिए दो मीटर की गहराई तक गए। उन्होंने नियमित अंतराल पर मिट्टी के नमूने एकत्र किए और प्रयोगशाला में विभिन्न परीक्षण करने के लिए उन्हें लेकर गए। इन परीक्षणों ने यह मापा कि मिट्टी कितना पानी रोकती है, यह कितनी भारी है, और दबाने या भिगोने पर यह कैसा व्यवहार करती है। उन्होंने मिट्टी के कणों के आकार को भी देखा, जिसमें महीन मिट्टी (clay), सिल्ट (silt), रेत और बजरी के बीच अंतर किया गया। इस प्रक्रिया ने उन्हें जमीन की संरचना की एक स्पष्ट तस्वीर बनाने की अनुमति दी। उन्होंने पाया कि ऊपरी परत, जो सतह से लगभग 0.45 मीटर नीचे तक फैली हुई है, गहरे भूरे रंग की जैविक मिट्टी (organic clay) से बनी है। यह परत सड़क निर्माण के लिए अनुपयुक्त है क्योंकि यह बहुत नरम और अस्थिर है। उसके नीचे, 0.45 मीटर से 1.2 मीटर तक, उन्हें कम से मध्यम प्लास्टिसिटी वाली सिल्टी क्ले (silty clay) की एक परत मिली। अंत में, 1.2 मीटर से 2.0 मीटर नीचे, मिट्टी बदलकर बजरी मिश्रित खराब श्रेणी की रेत (poorly graded sand) में बदल गई, जो पानी को अच्छी तरह से निकाल देती है लेकिन सड़क को थामे रखने के लिए आवश्यक चिपचिपाहट की कमी रखती है।

इन सामग्रियों के विश्लेषण ने सबग्रेड, यानी उस परत के बारे में कुछ चिंताजनक विवरण प्रकट किए जो सीधे सड़क को सहारा देती है। इस क्षेत्र की मिट्टी मुख्य रूप से सिल्टी क्ले है, और इसमें प्राकृतिक नमी की मात्रा आश्चर्यजनक रूप से अधिक है, जो औसतन 28.1 प्रतिशत है। स्थिर सड़क निर्माण के लिए, इंजीनियर आमतौर पर 5 और 15 प्रतिशत के बीच नमी के स्तर को पसंद करते हैं। चूंकि मिट्टी बहुत गीली है, इसलिए यह आदर्श स्थिति से अधिक कमजोर है। शोधकर्ताओं ने मानक इंजीनियरिंग प्रणालियों का उपयोग करके मिट्टी का वर्गीकरण किया और पाया कि 62 प्रतिशत नमूने 'खराब से औसत' श्रेणी में थे, जिसका अर्थ है कि वे बिना सहायता के भारी यातायात का भार उठाने में संघर्ष करेंगे। केवल 38 प्रतिशत को 'अच्छा से उत्कृष्ट' माना गया। इस कमजोरी का एक प्रमुख कारक विस्तारशील मिट्टी (expansive clays) की उपस्थिति है। ये वे मिट्टी हैं जो पानी सोखने पर काफी फूल जाती हैं और सूखने पर सिकुड़ जाती हैं, जिससे जमीन में दरारें और उभार आ जाते हैं। अध्ययन में पाया गया कि मिट्टी की फूलने की क्षमता काफी अधिक थी, जिसमें कुछ नमूनों में विस्तार की ऐसी क्षमता देखी गई जो सीधे इसके ऊपर बनाई गई सड़क को आसानी से नुकसान पहुँचा सकती है।

जमीन वास्तव में कितनी मजबूत है, इसे मापने के लिए टीम ने कैलिफोर्निया बेयरिंग रेशियो (California Bearing Ratio) नामक एक परीक्षण किया, जो यह सिम्युलेट करता है कि मिट्टी विफल होने से पहले कितना दबाव झेल सकती है। उन्होंने मिट्टी का परीक्षण उसकी प्राकृतिक अवस्था में और बाढ़ की स्थितियों की नकल करने के लिए 48 घंटों तक भिगोने के बाद किया। परिणामों ने दिखाया कि भीगी हुई मिट्टी काफी कमजोर थी, जिसकी मजबूती का मान 5 प्रतिशत से 32 प्रतिशत के बीच था, जिसका औसत केवल 8.6 प्रतिशत था। यह अनपेव्ड (unpaved) सड़कों के लिए आमतौर पर आवश्यक सीमा से बहुत नीचे है, जो इंगित करता है कि हस्तक्षेप के बिना, वाहनों के वजन के नीचे सड़क संभवतः धंस जाएगी या उसमें गड्ढे हो जाएंगे। शोधकर्ताओं ने जमीन की कठोरता (stiffness) की भी गणना की, जिससे पता चला कि यह अपेक्षाकृत नरम थी, जो एक मजबूत डिजाइन की आवश्यकता की पुष्टि करती है।

हालाँकि, कहानी पूरी तरह से कमजोरी की नहीं है। टीम ने उन सामग्रियों की भी तलाश की जिनका उपयोग सब-बेस बनाने के लिए किया जा सकता है, जो कमजोर सबग्रेड के ऊपर भार को फैलाने के लिए रखी जाने वाली परत है। उन्होंने किलेम्बे और हिमा जैसे क्षेत्रों के स्वीकृत बोरो पिट्स (borrow pits) से मिट्टी की जांच की। ये सामग्रियां निर्माण के लिए बहुत बेहतर साबित हुईं। वे मुख्य रूप से रेत, कुछ बजरी और फाइन्स (fines) की मध्यम मात्रा से बनी थीं, जिन्हें सड़क निर्माण के लिए 'उत्कृष्ट से अच्छा' वर्गीकृत किया गया था। परीक्षण करने पर, इन सामग्रियों ने 18 से 42 प्रतिशत की भीगी हुई मजबूती दिखाई, जो सब-बेस के लिए न्यूनतम आवश्यकताओं को पूरा करती है। फिर भी, इन अच्छी सामग्रियों में भी एक कमजोरी थी: भीगने पर, उन्होंने अपनी मजबूती में 12 से 58 प्रतिशत तक की कमी दर्ज की। यह एक महत्वपूर्ण बिंदु को रेखांकित करता है: सबसे अच्छी स्थानीय सामग्रियां भी विफल हो जाएंगी यदि पानी को उनमें बहुत लंबे समय तक रहने दिया गया।

इन निष्कर्षों के आधार पर, शोधकर्ताओं ने जिले में भविष्य की सड़कों के लिए एक विशिष्ट डिजाइन प्रस्तावित किया। उन्होंने 350 से 400 मिलीमीटर के बीच कुल पेवमेंट मोटाई की सिफारिश की। इस संरचना में ऊपर डामर की एक पतली परत, उसके बाद कुचले हुए पत्थर की एक मोटी परत और फिर बेहतर स्थानीय सामग्रियों से बना एक ग्रेनुलर सब-बेस शामिल होगा। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने सलाह दी कि शीर्ष 0.45 मीटर की जैविक मिट्टी को पूरी तरह से हटा दिया जाए और उसे एक चयनित फिल लेयर (selected fill layer) से बदल दिया जाए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि सड़क एक स्थिर नींव पर टिकी है। उच्च वर्षा और बाढ़ के जोखिम को संभालने के लिए, डिजाइन ड्रेनेज (निकासी) पर जोर देता है। सब-बेस मोटे, ग्रेनुलर पदार्थों से बना होना चाहिए जो पानी को फंसने के बजाय उनके माध्यम से तेजी से बहने की अनुमति दे। शोधकर्ताओं ने पानी को सड़क की नींव से दूर रखने के लिए नियमित अंतराल पर एज ड्रेन (edge drains) और क्रॉस कल्वर्ट (cross culverts) स्थापित करने का भी सुझाव दिया। उन सबसे कमजोर क्षेत्रों के लिए जहाँ मिट्टी बहुत नरम या बहुत विस्तारशील है, उन्होंने जमीन को मजबूत करने और उसके फूलने की प्रवृत्ति को कम करने के लिए चूने या सीमेंट से उपचार करने की सिफारिश की।

अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि कासेसे जिले में सड़कें अतीत में प्रयास की कमी के कारण नहीं, बल्कि स्थानीय मिट्टी के विशिष्ट ज्ञान की कमी के कारण विफल हुई हैं। जमीन का विस्तृत विवरण प्रस्तुत करके, शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है। डेटा दिखाता है कि हालांकि प्राकृतिक जमीन अक्सर सीधे सड़क का समर्थन करने के लिए बहुत कमजोर और गीली होती है, लेकिन इसे मोटाई, ड्रेनेज और सामग्री चयन के सही संयोजन के साथ प्रबंधित किया जा सकता है। मोटा पेवमेंट, मोटे ग्रेनुलर स्तरों और उन्नत ड्रेनेज प्रणालियों का उपयोग करने का अनुशंसित दृष्टिकोण क्षेत्र की बाढ़ संबंधी चुनौतियों के लिए एक व्यावहारिक समाधान प्रदान करता है। यह कार्य सुनिश्चित करता है कि भविष्य की सड़कें उस नींव पर बनाई जाएंगी जो उस जमीन को समझती है जिस पर वह खड़ी है, जिससे पश्चिमी युगांडा के लोगों के लिए सुरक्षित और लंबे समय तक चलने वाला बुनियादी ढांचा तैयार होगा।