国内众多学者[26 28]对含夹层盐岩的力学特性进行了研究，均认为夹层对层状盐岩的强度及变形等特性影响显著。从表3-1的试验结果也可以看出，与纯盐岩相比，石膏夹层的存在使得层状盐岩的压缩强度、弹性模量、泊松比均有所不同。因此，有必要进一步了解夹层的赋存特征（厚度、数量、倾角等）以及石膏类脆硬夹层与盐岩的变形差异对层状盐岩的力学特性的影响。

传统试验均采用钻孔取芯的方法加工试样，在取芯过程中，层状盐岩受到冷却水作用，容易发生软化，并且钻床的机械振动也很容易造成试样损坏，直接导致大部分含夹层盐芯在加工过程中都已破坏，尤其夹层一般很难完整取芯，并且试样的夹层特性、厚度及分布特征难以根据需要选取，试验数据的离散性很大，难以反应层状盐岩力学特性受夹层赋存特征变化的影响。为此，本节利用人工自制夹层和天然盐岩，自行压制了层状盐岩试样，如图3-4所示。

图3-4　试验试样

本次制作含夹层盐岩试件的盐岩均选自产于巴基斯坦的喜马拉雅盐岩，该盐岩纯度较高，其成分主要是NaCl（98.54%），其次还含有Ca，Mg，Fe等矿物质，使其呈现粉红色；由于水泥可以遇水自然凝固，且可以和其他岩石较好地黏结在一起，同时具有强度高、变形小等特点，可以有效模拟实际盐层中的脆硬夹层，如湖北云应地区硬石膏夹层。若水泥与其他材料配比，强度降低后，还可以模拟软弱夹层[29]。因此，选用325号纯水泥与细沙配比制作夹层，夹层为脆硬夹层。具有相同夹层特征的盐岩都用3～5个试样进行压缩试验，然后选取与力学特性参数平均值相近的1～3个试样作为代表试样进行分析，代表试样的几何参数见表3-2。其中7号、8号、9号试样为含水平单夹层试样，10号、11号、12号试样为含水平双夹层试样，13号、14号试样为对夹层进行加厚的试样，15号、16号、17号试样为含倾斜单夹层试样。

表3-2　代表试样几何特征

(续表)

1.纯夹层、纯盐岩与含水平单夹层盐岩力学特性对比分析

表3-3—表3-5分别给出了纯夹层、纯盐岩以及含水平单夹层盐岩的单轴压缩试验结果。对比分析可知，夹层材料的单轴压缩强度、弹性模量均高于纯盐岩，而泊松比又小于纯盐岩，自制夹层材料符合脆硬夹层的特征；与纯盐岩试件相比，由于增加了脆硬夹层，含夹层盐岩试件整体的弹性模量、单轴抗压强度均有所增大，而盐岩层和夹层部分的泊松比变化很小。本次试验结果再次验证了上节的试验结果，层状盐岩由于含有脆硬夹层，其单轴压缩强度高于纯盐岩，而弹性模量的增加相当于提高了其刚度，从而使得层状盐岩的轴向变形能力低于纯盐岩，二者峰值应力时的轴向应变分别为4%和5%。

表3-3　纯夹层试件力学特性参数

表3-4　纯盐岩试件力学特性参数

表3-5　含水平单夹层的盐岩试件力学特性参数

从图3-5中，可以看出含夹层试样中，盐岩层与夹层表现出很强的横向变形差异，直接导致夹层受到了附加横向拉应力的作用，故其破坏形式与上节完全相同，仍然是由夹层扩展至盐岩的轴向劈裂，如图3-6所示。

图3-5　含水平单夹层的盐岩试件中夹层与盐岩变形差异对比

2.夹层数量对层状盐岩单轴压缩力学特性影响分析

图3-6　含水平单夹层盐岩破坏形式

考虑到层状盐岩中，夹层的数目也会对其力学特性产生影响，为此，除含单一夹层盐岩试件外，本次试验还设计了含双夹层盐岩试件，其中10号、11号、12号为代表试样，夹层间距均为10 mm。为了与含单一夹层盐岩7号、8号、9号试件具有可比性，10号、11号、12号盐岩试件的上夹层的平均厚度为9.6 mm，与7号、8号、9号试件基本一致；而下夹层平均厚度略薄，为7.67 mm。含双夹层盐岩试件力学特性参数如表3-6所列。可以看出，与含单一水平夹层盐岩相比，含双夹层盐岩由于脆硬夹层数目的增加，其弹性模量从1.27 GPa增加至1.31 GPa，载荷达到峰值时的轴向应变也由4%降低至3%；但盐岩与夹层径向变形差异进一步加大，如图3-7所示，直接导致其单轴抗压强度从28.01 MPa降低至20.21 MPa，降幅达27.8%。(www.daowen.com)

表3-6　含水平双夹层的盐岩试件力学特性参数

10号、11号、12号试件的破坏形式与含单水平夹层的盐岩相同，也均表现为轴向多个面劈裂破坏，如图3-8所示。值得指出的是，尽管试件具有两个夹层，且上夹层厚度略大于下夹层，试件最初的轴向裂纹几乎在两个夹层同时产生，然后向盐岩层扩展，形成劈裂。

3.夹层厚度对层状盐岩单轴压缩力学特性影响分析

为了衡量夹层厚度对含夹层盐岩的影响，本次试验还设计了含夹层厚度比接近于20%，30%的试样，其中13号、14号试件为代表试样，夹层厚度分别为20.1 mm和28.2 mm，其夹层厚度分别达到了7号、8号、9号试件平均厚度的2.08和3.01倍，其力学特性参数如表3-7所列。可以看出，虽然夹层平均强度比盐岩高，在显著增加夹层厚度后，含夹层盐岩的单轴抗压强度与7号、8号、9号试件相比并没有增加，反而大幅降低，甚至低于盐岩本身的单轴抗压强度。由此可知，所含夹层本身的强度大小并不是影响含夹层盐岩单轴抗压强度的唯一因素，夹层厚度也对其有较大影响。

图3-7　夹层与盐岩变形差异对比

图3-8　含水平双夹层盐岩破坏前后对比

表3-7　含不同厚度水平单夹层的盐岩试件力学特性参数

夹层厚度对试件整体单轴压缩强度的影响机理非常复杂。由于盐岩和夹层变形上的差异，在二者交界面会产生附加的横向应力，因此，就夹层部分来讲，并不是处于均匀的单向压缩状态，除了轴向压缩应力外，还有附加的横向张拉应力，在后续章节会进行详细理论分析。当夹层厚度较薄时，夹层整体处于界面附加张拉应力的影响范围。13号、14号试件与7号、8号、9号试件破坏形式相同，均表现为由夹层扩展至盐岩层的轴向劈裂破坏，如图3-9所示。从图3-5、图3-10可以看出，当含夹层厚度比为10%时，夹层和盐岩部分径向变形差异最小；当含夹层厚度比为30%时，夹层和盐岩部分径向变形差异最大。由此可知，随着夹层厚度的增加，试件的夹层和盐岩部分将表现出更大的径向和轴向变形差异，这直接导致夹层将承受更大的张拉应力，从而造成13号、14号试件整体抗压强度比7号、8号、9号试件明显降低。另外，根据岩石力学理论中试件的尺寸效应，在高径比小于2范围内，试件的单轴压缩强度随高径比的增加呈下降趋势，因此，夹层厚度的增大意味着夹层本身高径比的增加，即夹层本身强度降低，从而导致含夹层盐岩整体强度也减小。再有，夹层厚度的增大也意味着夹层内部存在裂隙和缺陷的可能性增大，也会导致试件强度降低。

图3-9　含水平加厚单夹层盐岩破坏前后对比

图3-10　夹层与盐岩变形差异对比

4.夹层倾角对层状盐岩单轴压缩力学特性影响分析

在实际地层中，夹层产状不一定水平，更多地表现为倾斜夹层。为了衡量夹层倾角对含夹层盐岩强度的影响，本次试验设计了夹层倾角分别接近20°和30°的含夹层盐岩试件，其中15号、16号、17号试件为代表试样，其夹层倾角分别为20.2°，19.8°和30°。试验结果显示，由于夹层不再保持水平，3个试件表现出了与含水平夹层盐岩截然不同的破坏形式，如图3-11所示。16号试件为纯粹的夹层-盐岩交界面滑移破坏，盐岩和夹层部分均没有产生轴向劈裂。而15号、17号试件的破坏过程较为复杂，在最初的加载阶段，在夹层-盐岩交界面产生了细微的滑移；随着载荷的进一步增大，夹层产生劈裂，并且扩展至盐岩部分；与夹层-盐岩交界面滑移破坏相比，劈裂破坏占了主导地位，整体破坏形式最终表现为劈裂。

图3-11　含倾斜单夹层盐岩破坏前后对比

表3-8给出了15号、16号、17号试件的力学特性参数。由于16号试件为界面滑移破坏，其单轴抗压强度、弹性模量大幅降低。而15号、17号试件中，虽然夹层-盐岩交界面强度较高，其整体破坏仍然表现为从夹层扩展至盐岩的轴向劈裂，但由于其夹层倾角的影响，其单轴抗压强度、弹性模量均略低于含水平单夹层试件（7号、8号、9号试件），如图3-6所示。将15号和17号试件对比分析，可以看出倾角越大，单轴抗压强度、弹性模量越小。

表3-8　含倾斜单夹层的盐岩试件力学特性参数

本次试验着重研究脆硬夹层的赋存特征对层状盐岩力学特性的影响。但在实际工程当中，夹层的岩性极其复杂，除了脆硬夹层外，还会存在软弱夹层，其单轴抗压强度、弹性模量比盐岩低，泊松比甚至大于盐岩。若层状盐岩所含夹层为软弱夹层，试验资料表明：其单轴抗压强度会随着夹层厚度的增加而降低，这一点与含脆硬夹层一致，但轴向应变和横向应变的变化趋势则与含脆硬夹层时相反，呈增加趋势；另外，随着夹层数目的增加，其单轴抗压强度、弹性模量均会增加，这一点也与含脆硬夹层时不同。