某土体式样体积60(cm)^3,质量114(g),烘干后质量为92(g),土粒相对密度ds=2.67。确定该土样的天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。
某土体式样体积$60\text{cm}^3$,质量$114\text{g}$,烘干后质量为$92\text{g}$,土粒相对密度$ds=2.67$。确定该土样的天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。
题目解答
答案
解析
本题主要考察土力学中土体物理性质指标的计算,解题思路是根据已知的土样体积、质量、土粒相对密度等基本信息,利用各物理性质指标的定义公式逐步计算出天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。
1. 计算天然密度 $\rho$
天然密度是指土在天然状态下单位体积的质量,计算公式为 $\rho=\frac{m}{V}$,其中 $m$ 是土样的天然质量,$V$ 是土样的体积。
已知土样体积 $V = 60\text{cm}^3$,天然质量 $m = 114\text{g}$,将其代入公式可得:
$\rho=\frac{114}{60}=1.9 \, \text{g/cm}^3$
2. 计算干密度 $\rho_d$
干密度是指单位体积土中固体颗粒部分的质量,计算公式为 $\rho_d=\frac{m_s}{V}$,其中 $m_s$ 是土样中固体颗粒的质量,$V$ 是土样的体积。
已知烘干后土样质量(即固体颗粒质量)$m_s = 92\text{g}$,土样体积 $V = 60\text{cm}^3$,将其代入公式可得:
$\rho_d=\frac{92}{60}\approx1.533 \, \text{g/cm}^3$
3. 计算含水率 $w$
含水率是指土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比,计算公式为 $w=\frac{m - m_s}{m_s}\times100\%$,其中 $m$ 是土样的天然质量,$m_s$ 是土样中固体颗粒的质量。
已知土样天然质量 $m = 114\text{g}$,固体颗粒质量 $m_s = 92\text{g}$,则水的质量 $m_w=m - m_s=114 - 92 = 22\text{g}$,将其代入公式可得:
$w=\frac{22}{92}\times100\%\approx23.91\%$
4. 计算土粒体积 $V_s$
土粒体积可根据土粒相对密度 $d_s$ 的定义式 $d_s=\frac{\rho_s}{\rho_w}=\frac{m_s/V_s}{\rho_w}$ 推导得出 $V_s=\frac{m_s}{d_s\rho_w}$,在数值计算中,通常取 $\rho_w = 1\text{g/cm}^3$。
已知土粒相对密度 $d_s = 2.67$,固体颗粒质量 $m_s = 92\text{g}$,将其代入公式可得:
$V_s=\frac{92}{2.67}\approx34.46 \, \text{cm}^3$
5. 计算孔隙体积 $V_v$
孔隙体积等于土样总体积减去土粒体积,即 $V_v = V - V_s$。
已知土样体积 $V = 60\text{cm}^3$,土粒体积 $V_s\approx34.46\text{cm}^3$,将其代入公式可得:
$V_v = 60 - 34.46 = 25.54 \, \text{cm}^3$
6. 计算孔隙比 $e$
孔隙比是指土中孔隙体积与土粒体积之比,计算公式为 $e=\frac{V_v}{V_s}$。
已知孔隙体积 $V_v = 25.54\text{cm}^3$,土粒体积 $V_s\approx34.46\text{cm}^3$,将其代入公式可得:
$e=\frac{25.54}{34.46}\approx0.741$
7. 计算孔隙率 $n$
孔隙率是指土中孔隙体积与土样总体积之比,计算公式为 $n=\frac{V_v}{V}\times100\%$。
已知孔隙体积 $V_v = 25.54\text{cm}^3$,土样体积 $V = 60\text{cm}^3$,将其代入公式可得:
$n=\frac{25.54}{60}\times100\%\approx42.6\%$
8. 计算饱和度 $S_r$
饱和度是指土中孔隙水的体积与孔隙体积之比,计算公式为 $S_r=\frac{V_w}{V_v}\times100\%$,其中 $V_w$ 是孔隙水的体积,由于水的密度为 $1\text{g/cm}^3$,所以 $V_w = m_w$。
已知水的质量 $m_w = 22\text{g}$,孔隙体积 $V_v = 25.54\text{cm}^3$,将其代入公式可得:
$S_r=\frac{22}{25.54}\times100\%\approx86.1\%$
9. 计算饱和密度 $\rho_{\text{sat}}$
饱和密度是指土中孔隙完全被水充满时单位体积的质量,计算公式为 $\rho_{\text{sat}}=\frac{m_s + V_v}{V}$。
已知固体颗粒质量 $m_s = 92\text{g}$,孔隙体积 $V_v = 25.54\text{cm}^3$,土样体积 $V = 60\text{cm}^3$,将其代入公式可得:
$\rho_{\text{sat}}=\frac{92 + 25.54}{60}\approx1.959 \, \text{g/cm}^3$
10. 计算浮重度 $\gamma'$
浮重度是指土在水下受到水的浮力作用时单位体积的有效重量,计算公式为 $\gamma'=\gamma_{\text{sat}}-\gamma_w$,其中 $\gamma_{\text{sat}}$ 是饱和重度,$\gamma_w$ 是水的重度,通常取 $\gamma_w = 9.81\text{kN/m}^3$,饱和重度 $\gamma_{\text{sat}}=\rho_{\text{sat}}g$($g$ 取 $9.81\text{m/s}^2$)。
先将饱和密度 $\rho_{\text{sat}}\approx1.959 \, \text{g/cm}^3$ 换算为 $\text{kg/m}^3$,$1.959 \, \text{g/cm}^3=1959 \, \text{kg/m}^3$,则饱和重度 $\gamma_{\text{sat}}=\rho_{\text{sat}}g=1959\times9.81\div1000\approx19.22\text{kN/m}^3$。
所以浮重度 $\gamma'=\gamma_{\text{sat}}-\gamma_w=19.22 - 9.81 = 9.41 \, \text{kN/m}^3$