本发明属于用于地质力学模型试验的相似材料及其制备技术领域，具体涉及一种用于模拟岩体中不同软弱夹层的地质力学模型相似材料及其制备方法。
背景技术：
地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，试验的主要目的是研究各种建筑物在外荷载作用下的极限承载能力、破坏形态、破坏机理和变形分布特征。地质力学模型试验的研究内容不仅限于已知荷载下的某一状态，更重要的是研究在渐增荷载作用下直至破坏的整个变化过程，它采用真实的物理实体，在满足材料相似，尤其是在力学相似条件下，能真实反映地质构造与工程建筑之间的关系，能模拟工程建筑对地基基础所产生的影响，能更直观地表示出试验结果。
近代由于生产建设及科学技术的发展，越来越多的建筑物需要修建在具有复杂地质构造的地基上，建筑物的抗滑稳定问题、基础变形对建筑物结构的影响等问题都是地质力学模型试验所研究的主要内容。
目前我国正在建设和即将兴建的水电工程，由于工程所在地不仅地质构造复杂，而且岩体中存在着较多的不同类型的层状或软弱薄层，即软弱夹层，软弱夹层的厚度比相邻岩层的小，力学强度和变形模量也较低。按成因，软弱夹层可分为原生型和次生型两类。前者如以石英砂岩为主的岩层夹有粘土质岩层或泥岩薄层；后者为风化、溶滤作用或层间剪切及断层错动而形成的软弱夹层。这些不同类型软弱夹层的物理和力学性能，如容重、变形模量、粘聚力和摩擦系数等差异较大。坝基岩体内存在的软弱夹层会对坝基岩体的抗滑稳定性产生非常不利的影响，因此其整体稳定安全问题是工程的关键问题之一，地质力学模型试验是研究该问题的一种重要方法。
在地质力学模型试验过程中，研制出与原型软弱夹层物理力学性能相似的模型材料是模型试验的基础，也是模型试验是否成功的关键，因此为准确模拟出岩体结构中的各类软弱夹层，需要制备出满足相似关系的软弱夹层模型材料。
目前，在地质力学模型试验研究过程中，已经制备出了不同类别岩石的模型相似材料，如以下几类：
1、以环氧树脂为胶凝剂的重晶石粉和石灰石的混合料【obertig,fumagallie.static-geomechanicalmodeloftheridracoliarch-grabitydam,4thisrm,1979】。
2、武汉水利电力大学韩伯鲤研制的mib材料【韩伯鲤，陈霞龄，宁一乐等。岩体相似材料的研究[j]。武汉水利电力大学学报，1997，30(2)：6-9】。该材料是以松香酒精溶液为胶结剂，加膜铁粉为粗骨料，重晶石粉为细骨料。
3、清华大学研制的nios相似材料【马芳平，李仲奎，罗光福。nios模型材料及其在地质力学模型试验中的应用，水力发电学报，2004，23(1)：48-51】。该模型材料中含有主料磁铁矿粉、粘结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂。
但是对于岩体结构中不同软弱夹层的模型相似材料报道较少。
技术实现要素：
本发明提供一种用于模拟岩体中夹层的地质力学模型相似材料及制备方法，目的是针对现有技术现状，提供一种物理和力学性能可在较大范围内变化的、用于模拟岩体中不同软弱夹层的地质力学模型相似材料及其制备方法。
本发明采取的技术方案是，是由以下质量份的原料制成的：
重晶石粉100份，54度半精炼石蜡5-10份，32号液压油5-10份，膨润土5-20份，滑石粉2-10份；
所述重晶石粉的粒径为200目；
一种用于模拟岩体中夹层的地质力学模型相似材料的制备方法，包括下列步骤：
1)先将100份粒径为200目的重晶石粉和5-10份54度半精炼石蜡混合均匀，然后烘干除水，取出冷却至室温；
2)将5-10份32号液压油加入到烘干的重晶石粉和54度半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；
3)将5-20份膨润土和2-10份滑石粉加入到重晶石粉、54度半精炼石蜡和液压油的混合物中混合均匀。
使用时，首先按照原型软弱夹层的物理力学性能，再由相似关系确定出模型材料的各项指标。选择适当的材料配比按以上方法制备相似材料后在试验机上进行测试，符合要求即可为地质力学模型试验所用。
本发明的优点是：
1、由于本发明所提供的模拟软弱夹层的相似材料中所用的膨润土较为松散，且具有较好的可塑性和黏结性，因而既能使所得材料的容重大为降低，并可通过调节其与液压油、半精炼石蜡和滑石粉的用量，使所得材料的容重、粘聚力、摩擦系数和变形模量均可在较大范围内变化，为本领域提供相关研究选用的模拟不同软弱夹层的地质力学模型相似材料，填补了现有技术的空白。
2、由于本发明所采用的各组成材料的物理和力学性能稳定，不易受外界环境影响，加之各组成之间也不发生相互反应，因而使所得材料不至于因组成的原因导致材料在试验过程发生变化而影响试验结果，是一种较理想的模型材料。
3、由于本发明所用原材料来源广泛，且均无毒副作用，因而所得材料在制备和使用中都不会对人体造成伤害。
4、由于本发明方法的制备方便，只对原料进行常规的烘干，其它制备过程都是在室温下进行常规混合即可，因而耗能低，制备效率高，成本低。
具体实施方式
需要说明的是，1)以下实施例各物料的份数均为质量份；2)以下实施例1～6所得材料的粘聚力、摩擦系数和变形模量值是将该材料制成容重为16kn/m3的试样测得的；实施例7～12所得材料的粘聚力、摩擦系数和变形模量值是将该材料制成容重为18kn/m3的试样测得的；实施例13～18所得材料的粘聚力、摩擦系数和变形模量值是将该材料制成容重为20kn/m3的试样测得的；实施例19～24所得材料的粘聚力、摩擦系数和变形模量值是将该材料制成容重为22kn/m3的试样测得的。
实施例1
先将100份粒径为200目的重晶石粉和5份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将5份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将5份膨润土和10份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为152pa，摩擦系数为0.34，变形模量为0.76mpa。
实施例2
先将100份粒径为200目的重晶石粉和8份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将5份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将15份膨润土和4份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为325pa，摩擦系数为0.37，变形模量为0.87mpa。
实施例3
先将100份粒径为200目的重晶石粉和8份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将8份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将15份膨润土和4份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为287pa，摩擦系数为0.33，变形模量为0.85mpa。
实施例4
先将100份粒径为200目的重晶石粉和10份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将8份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将20份膨润土和2份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为385pa，摩擦系数为0.36，变形模量为0.91mpa。
实施例5
先将100份粒径为200目的重晶石粉和5份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将10份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将5份膨润土和10份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为108pa，摩擦系数为0.23，变形模量为0.45mpa。
实施例6
先将100份粒径为200目的重晶石粉和10份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将10份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将20份膨润土和2份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为375pa，摩擦系数为0.32，变形模量为0.85mpa。
实施例7
先将100份粒径为200目的重晶石粉和5份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将5份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将5份膨润土和10份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为174pa，摩擦系数为0.38，变形模量为0.86mpa。
实施例8
先将100份粒径为200目的重晶石粉和10份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将5份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将20份膨润土和2份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为462pa，摩擦系数为0.45，变形模量为1.09mpa。
实施例9
先将100份粒径为200目的重晶石粉和8份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将8份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将15份膨润土和4份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为331pa，摩擦系数为0.38，变形模量为0.97mpa。
实施例10
先将100份粒径为200目的重晶石粉和10份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将8份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将20份膨润土和2份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为442pa，摩擦系数为0.40，变形模量为1.04mpa。
实施例11
先将100份粒径为200目的重晶石粉和5份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将10份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将5份膨润土和10份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为124pa，摩擦系数为0.26，变形模量为0.52mpa。
实施例12
先将100份粒径为200目的重晶石粉和8份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将10份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将10份膨润土和7份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为236pa，摩擦系数为0.31，变形模量为0.75mpa。
实施例13
先将100份粒径为200目的重晶石粉和8份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将5份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将15份膨润土和4份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为413pa，摩擦系数为0.47，变形模量为1.15mpa。
实施例14
先将100份粒径为200目的重晶石粉和10份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将5份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将20份膨润土和2份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为507pa，摩擦系数为0.50，变形模量为1.21mpa。
实施例15
先将100份粒径为200目的重晶石粉和5份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将8份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将5份膨润土和10份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为160pa，摩擦系数为0.36，变形模量为0.86mpa。
实施例16
先将100份粒径为200目的重晶石粉和8份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将8份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将10份膨润土和7份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为325pa，摩擦系数为0.38，变形模量为1.03mpa。
实施例17
先将100份粒径为200目的重晶石粉和5份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将10份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将5份膨润土和10份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为138pa，摩擦系数为0.29，变形模量为0.57mpa。
实施例18
先将100份粒径为200目的重晶石粉和10份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将10份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将20份膨润土和2份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为479pa，摩擦系数为0.41，变形模量为1.09mpa。
实施例19
先将100份粒径为200目的重晶石粉和8份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将5份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将15份膨润土和4份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为453pa，摩擦系数为0.52，变形模量为1.23mpa。
实施例20
先将100份粒径为200目的重晶石粉和10份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将5份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将20份膨润土和2份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为558pa，摩擦系数为0.55，变形模量为1.33mpa。
实施例21
先将100份粒径为200目的重晶石粉和5份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将58份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将5份膨润土和10份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为172pa，摩擦系数为0.40，变形模量为0.96mpa。
实施例22
先将100份粒径为200目的重晶石粉和8份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将8份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将10份膨润土和7份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为359pa，摩擦系数为0.42，变形模量为1.10mpa。
实施例23
先将100份粒径为200目的重晶石粉和5份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将10份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将5份膨润土和10份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为152pa，摩擦系数为0.32，变形模量为0.63mpa。
实施例24
先将100份粒径为200目的重晶石粉和10份54度半精炼石蜡混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将10份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径＜1mm；将20份膨润土和2份滑石粉加入到重晶石粉、石蜡和机油的混合物中混合均匀即可。
该材料的粘聚力为523pa，摩擦系数为0.45，变形模量为1.25mpa。
在材料试验研究过程中，材料配比中将重晶石粉的质量单位定为100，其它成分的含量以与重晶石粉的质量比而定。表1、2、3、4中的变形模量值是在试件容重为16kn/m3、18kn/m3、20kn/m3、22kn/m3的条件下测定的。
表1
表2
表3
表4
以上实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，且该领域的技术熟练人员根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。