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材料科学
题目

已知试件的天然密度 rho_0=2.25 (g/cm)^3,相对密度 d=2.80,天然含水率 omega_0=8%,试求该试件的孔隙率 eta,干密度 rho_d 及饱和密度 rho_({sat)}?请回答:孔隙率是 ________ ,干密度是 ________ ,饱和密度是 ________ 。计算结果保留小数点后2位。

已知试件的天然密度 $\rho_0=2.25\ \text{g/cm}^3$,相对密度 $d=2.80$,天然含水率 $\omega_0=8\%$,试求该试件的孔隙率 $\eta$,干密度 $\rho_d$ 及饱和密度 $\rho_{\text{sat}}$? 请回答:孔隙率是 ________ ,干密度是 ________ ,饱和密度是 ________ 。计算结果保留小数点后2位。

题目解答

答案

根据题意,设 $V = 1 \, \text{cm}^3$,则 $m = 2.25 \, \text{g}$。由 $\omega_0 = 8\%$,得 $m_s = \frac{2.25}{1.08} = 2.0833 \, \text{g}$,$m_w = 0.1667 \, \text{g}$。 固体体积 $V_s = \frac{2.0833}{2.80} \approx 0.744 \, \text{cm}^3$,孔隙体积 $V_v = 1 - 0.744 = 0.256 \, \text{cm}^3$。 孔隙率 $n = 25.60\%$。 干密度 $\rho_d = \frac{2.0833}{1} = 2.08 \, \text{g/cm}^3$。 饱和密度 $\rho_{\text{sat}} = \frac{2.0833 + 0.256}{1} = 2.34 \, \text{g/cm}^3$。 答案: 孔隙率:$25.60\%$ 干密度:$2.08 \, \text{g/cm}^3$ 饱和密度:$2.34 \, \text{g/cm}^3$

解析

本题主要考查土的物理性质指标(孔隙率、干密度、饱和密度)的计算,解题思路是先根据已知的天然密度、天然含水率和相对密度,通过设试件体积为$1cm^3$,逐步求出固体质量、水的质量、固体体积和孔隙体积,再利用相应公式计算孔隙率、干密度和饱和密度。

  1. 计算固体质量$m_s$和水的质量$m_w$
    • 设试件体积$V = 1cm^3$,已知天然密度$\rho_0 = 2.25g/cm^3$,根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$,可得试件质量$m=\rho_0V = 2.25\times1 = 2.25g$。
    • 已知天然含水率$\omega_0 = 8\%=0.08$,根据含水率公式$\omega_0=\frac{m_w}{m_s}$,且$m = m_s + m_w$,则$m = m_s(1 + \omega_0)$,所以固体质量$m_s=\frac{m}{1 + \omega_0}=\frac{2.25}{1 + 0.08}\approx2.0833g$。
    • 水的质量$m_w = m - m_s = 2.25 - 2.0833 = 0.1667g$。
  2. 计算固体体积$V_s$和孔隙体积$V_v$
    • 已知相对密度$d = 2.80$,水的密度$\rho_w = 1g/cm^3$,根据相对密度公式$d=\frac{\rho_s}{\rho_w}$(其中$\rho_s$为土粒密度),可得$\rho_s = d\rho_w = 2.80\times1 = 2.80g/cm^3$。
    • 再根据密度公式$\rho_s=\frac{m_s}{V_s}$,可得固体体积$V_s=\frac{m_s}{\rho_s}=\frac{2.0833}{2.80}\approx0.744cm^3$。
    • 孔隙体积$V_v = V - V_s = 1 - 0.744 = 0.256cm^3$。
  3. 计算孔隙率$\eta$
    • 根据孔隙率公式$\eta=\frac{V_v}{V}\times100\%$,可得$\eta=\frac{0.256}{1}\times100\% = 25.60\%$。
  4. 计算干密度$\rho_d$
    • 根据干密度公式$\rho_d=\frac{m_s}{V}$,可得$\rho_d=\frac{2.0833}{1}=2.08g/cm^3$。
  5. 计算饱和密度$\rho_{sat}$
    • 当土孔隙中充满水时为饱和状态,此时饱和质量$m_{sat}=m_s + V_v\rho_w$,则饱和密度$\rho_{sat}=\frac{m_{sat}}{V}=\frac{m_s + V_v\rho_w}{V}$。
    • 把$m_s = 2.0833g$,$V_v = 0.256cm^3$,$\rho_w = 1g/cm^3$,$V = 1cm^3$代入可得$\rho_{sat}=\frac{2.0833 + 0.256\times1}{1}=2.34g/cm^3$。

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