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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n、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$n$、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,$\rho_s = d \rho_w = 2.80 \, \text{g/cm}^3$。 由 $\rho_0 = \frac{1.08 m_s}{V} = 2.25$,得 $m_s = \frac{2.25 V}{1.08} = 2.083 V$。 干密度 $\rho_d = \frac{m_s}{V} = 2.08 \, \text{g/cm}^3$。 孔隙率 $n = \frac{V_v}{V} = 1 - \frac{V_s}{V} = 1 - \frac{2.083}{2.80} = 25.6\%$。 饱和密度 $\rho_{\text{sat}} = \frac{m_s + \rho_w V_v}{V} = \frac{2.083 V + 0.256 V}{V} = 2.34 \, \text{g/cm}^3$。 答案: 孔隙率:$25.6\%$ 干密度:$2.08 \, \text{g/cm}^3$ 饱和密度:$2.34 \, \text{g/cm}^3$

解析

考查要点:本题主要考查土工试件的物理性质指标计算,涉及孔隙率、干密度、饱和密度的计算,需熟练掌握相关公式及其相互关系。

解题核心思路:

  1. 确定已知量与未知量:已知天然密度 $\rho_0$、相对密度 $d$(即土粒密度 $\rho_s$)、天然含水率 $\omega_0$,需计算孔隙率 $n$、干密度 $\rho_d$、饱和密度 $\rho_{\text{sat}}$。
  2. 公式关联:
    • 干密度 $\rho_d = \frac{\rho_0}{1 + \omega_0}$(通过总质量与干质量关系推导)。
    • 孔隙率 $n = 1 - \frac{\rho_d}{\rho_s}$(基于体积平衡关系)。
    • 饱和密度 $\rho_{\text{sat}} = \rho_d + \rho_w \cdot n$(假设孔隙全被水填充)。
  3. 关键点:正确建立质量与体积的平衡关系,注意单位统一。

1. 计算干密度 $\rho_d$

根据天然含水率 $\omega_0 = 8\%$,总质量 $\rho_0 V$ 包含干质量 $\rho_d V$ 和水质量 $\rho_d V \cdot \omega_0$,即:
$\rho_0 V = \rho_d V + \rho_d V \cdot \omega_0 \implies \rho_d = \frac{\rho_0}{1 + \omega_0} = \frac{2.25}{1 + 0.08} \approx 2.08\ \text{g/cm}^3.$

2. 计算孔隙率 $n$

土粒体积 $V_s = \frac{\rho_d V}{\rho_s}$,孔隙体积 $V_v = V - V_s$,因此:
$n = \frac{V_v}{V} = 1 - \frac{\rho_d}{\rho_s} = 1 - \frac{2.08}{2.80} \approx 25.6\%.$

3. 计算饱和密度 $\rho_{\text{sat}}$

当孔隙全被水填充时,总质量为干质量加孔隙水质量:
$\rho_{\text{sat}} = \rho_d + \rho_w \cdot n = 2.08 + 1 \cdot 0.256 \approx 2.34\ \text{g/cm}^3.$

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