應(yīng)力等因素導(dǎo)致巖體具有初始地應(yīng)力（或簡稱地應(yīng)力）是最具有特色的性質(zhì)之一。就巖體工程而言，如不考慮巖體地應(yīng)力這一要素，就難以進行合理的分析和得出符合實際的結(jié)論。

天然應(yīng)力

是指未經(jīng)人為擾動的，主要是在重力場和構(gòu)造應(yīng)力場的綜合作用下，有時也在巖體的物理、化學變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應(yīng)力狀態(tài)，稱為巖體天然應(yīng)力或巖體初始應(yīng)力，有時也稱為地應(yīng)力。

天然應(yīng)力構(gòu)成：

巖體自重→自重應(yīng)力

構(gòu)造運動→構(gòu)造應(yīng)力

流體作用→靜水壓力梯度，滲流應(yīng)力

其他（低溫、地球化學作用）

地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)與人類的工程活動關(guān)系極大，它不僅是決定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素，而且往往對各類建筑物的設(shè)計和施工造成直接的影響。

比如，地下空間的開挖必然使圍巖應(yīng)力場和變形場重新分布并引起圍巖損傷，嚴重時導(dǎo)致失穩(wěn)、垮塌和破壞。這都是由于在具有初始地應(yīng)力場的巖體中進行開挖所致，因為這種開挖“荷載”通常是地下工程問題中的重要荷載。由此可見，如何測定和評估巖體的地應(yīng)力，如何合理模擬工程區(qū)域的初始地應(yīng)力場以及正確和合理地計算工程問題中的開挖“荷載”，是巖石力學與工程問題中不可回避的重要問題。

已有的研究和工程實踐表明，淺部地殼應(yīng)力分布主要有如下的一些基本規(guī)律：

地應(yīng)力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場，它是時間和空間的函數(shù)。

實測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量。

水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。

平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區(qū)，變化的速度很不相同。

最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長關(guān)系。

最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性。

地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會受到地形、地表剝蝕、風化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的擾動影響最大。

高應(yīng)力區(qū)

實踐表明，在高應(yīng)力區(qū)，地表、地下工程施工期間所進行的巖體開挖工作，往往能在巖體內(nèi)引起一系列與卸荷回彈和應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，其結(jié)果是不僅會惡化地基或邊坡巖體的工程地質(zhì)條件，而且作用的本身有時也會對建筑物造成直接的危害。

高地應(yīng)力判別準則

高地應(yīng)力是一個相對的概念。由于不同巖石具有不同的彈性模量，巖石的儲能性能也不同。一般來說，地區(qū)初始地應(yīng)力大小與該地區(qū)巖體的變形特性有關(guān)，巖質(zhì)堅硬，則儲存彈性能多，地應(yīng)力也大。因此高地應(yīng)力是相對于圍巖強度而言的。也就是說，當圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力與圍巖強度（Rb）的比值（Rb/σmax）達到某一水平時，才能稱為高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力。

目前在地下工程的設(shè)計施工中，都把圍巖強度比作為判斷圍巖穩(wěn)定性的重要指標，有的還作為圍巖分級的重要指標。從這個角度講，應(yīng)該認識到埋深大不一定就存在高地應(yīng)力問題，而埋深小但圍巖強度很低的場合，如大變形的出現(xiàn)，也可能出現(xiàn)高地應(yīng)力的問題。因此，在研究是否出現(xiàn)高或極高地應(yīng)力問題時必須與圍巖強度聯(lián)系起來進行判定。

以圍巖強度比為指標的地應(yīng)力分級基準

此外，修建高壩、大型水庫和深大的地下硐室等，常能在更大范圍內(nèi)影響天然應(yīng)力的平衡，引起一系列諸如斷層復(fù)活、水庫地震以及大型巖爆等嚴重危害建筑物和人民生命財產(chǎn)的工程地質(zhì)作用。

高初始地應(yīng)力巖體在開挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象

不同圍巖強度比開挖中出現(xiàn)的現(xiàn)象

1應(yīng)力解除法測巖體應(yīng)力

應(yīng)力解除法是巖體應(yīng)力測量中應(yīng)用較廣的方法。

基本原理：當需要測定巖體中某點的應(yīng)力狀態(tài)時，人為地將該處的巖體單元與周圍巖體分離，此時，巖體單元上所受的應(yīng)力將被解除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測定這種彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且認為巖體是連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答來計算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。

鉆孔應(yīng)力解除法測量步驟：

第一步 鉆測試巖芯大孔D

第二步 鉆傳感器安裝孔d

第三步 安裝探頭和讀取初始數(shù)據(jù)

第四步 鉆應(yīng)力解除套孔與讀取數(shù)據(jù)

第五步 取出巖芯、測量彈性模量與泊松比

上述方法可以采用空心包體應(yīng)力計測量巖體應(yīng)力�？梢詰�(yīng)用于金屬礦山、煤礦、大壩、隧道、橋梁、地下洞室倉儲設(shè)施以及其它各種土木工程項目。

空心包體應(yīng)力計用來測定巖石或者混凝土中的三向應(yīng)力，通常用來監(jiān)測應(yīng)力隨時間的變化，或者測定鉆孔套芯應(yīng)力解除試驗中的初始應(yīng)力方向和應(yīng)力值。

空心包體應(yīng)力計包含高精密度的應(yīng)變計和一個植入式的微處理器，它可以連續(xù)地進行應(yīng)變測量并且通過串口連接傳輸測量數(shù)據(jù)。應(yīng)變讀數(shù)直接以數(shù)字格式顯示在測量儀表上，基本上消除了由于過長的電纜所帶來的噪聲和信號衰減等常見的問題。電源只需要在進行數(shù)據(jù)讀取時進行供應(yīng)，消除了由于長期供電所帶來的加熱效應(yīng)影響。

2 水壓致裂法

適用于完整性好的脆性巖體。

基本原理：對測試段鉆孔用特制封隔器密封起來，然后對密封段加高壓水直至孔壁巖石產(chǎn)生張裂隙。根據(jù)裂隙的方向及泵壓的大小分析確定原巖的應(yīng)力狀態(tài)。

水壓致裂法測量步驟：

第1步 打鉆孔并用封隔器密封待加壓段

鉆孔直徑與封隔器直徑一致，封隔器直徑有38mm，5lmm，76mm，9lmm，110mm，130mm等。封隔器是兩個膨脹橡膠塞，可用液體，也可用氣體進行充壓。橡膠塞之間的封堵段長度為0.5~1.0m。

第2步 獲得初始開裂壓力pi

向隔離段注射高壓水，不斷加大水壓，至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力pi。

第3步 獲得關(guān)閉壓力

停止增壓，關(guān)閉高壓泵，壓力迅速下降，裂隙停止擴展，并趨于閉合，當壓力降到使裂隙處于臨界閉合狀態(tài)時的平衡壓力，此時應(yīng)力稱為關(guān)閉壓力，記為ps；最后卸壓，使裂隙完全閉合。

第4步 獲得裂隙重開時的壓力pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力ps

重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開并記下裂隙重開時的壓力pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力ps。這種卸壓-重新加壓的過程重復(fù)2-3次，以提高測試數(shù)據(jù)的準確性。上述步驟(2)、(3)記錄了壓力—時間關(guān)系和流量—時間關(guān)系。

第5步 將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設(shè)備從鉆孔中取出。

第6步 測量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小

測量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測量可以采用井下攝影機、井下電視、井下光學望遠鏡或印模器。前三種方法代價昂貴，操作復(fù)雜，而印模器則比較簡便、實用。其結(jié)構(gòu)及形狀與封隔器相似，其外面包裹一層可塑性橡皮或類似材料，將其連同加壓管路一起送入水壓致裂部位，然后將印模加壓膨脹，使鉆孔上的所有節(jié)理裂隙均印在印模器上。印模器裝有定向系統(tǒng)，以確定裂隙的方位，一般情況下，水壓致裂裂隙為一組徑向相對的縱向裂隙，很容易辨認出來。

水壓致裂法測定系統(tǒng)：

試驗結(jié)果：

巖石抗拉強度：σt=pi-pr

最大水平應(yīng)力：σ1=σHmax=3ps-pi-p0+σt

最小水平應(yīng)力：σ2=σHmin=ps

水壓致裂測量技術(shù)提供了一種雙軸應(yīng)力測量方法�？捎糜诓傻V業(yè)和工民建筑的應(yīng)力確定，隧道和地下開挖工程、煤礦開采和石油工業(yè)等。

水壓致裂法的特點：

設(shè)備簡單。只需用普通鉆探方法打鉆孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測量設(shè)備。

操作方便。只通過液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體，觀測壓裂過程中泵壓、液量即可。

測值直觀。它可根據(jù)壓裂時泵壓（初始開裂泵壓、穩(wěn)定開裂泵壓、關(guān)閉壓力、開啟壓力）計算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測試，同時還可求得巖體抗拉強度。

測值代表性大。所測得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。

適應(yīng)性強。這一方法不需要電磁測量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水條件下作試驗，不怕電磁干擾，不怕震動。

3應(yīng)力恢復(fù)法

應(yīng)力恢復(fù)法是用來直接測定巖體應(yīng)力大小的一種測試方法，目前此法僅用于巖體表層，當已知某巖體中的主應(yīng)力方向時，采用本方法較為方便。

當洞室某側(cè)墻上的表層圍巖應(yīng)力的主應(yīng)力，方向各為垂直與水平方向時，就可用應(yīng)力恢復(fù)法測得的大小。

試驗過程簡述如下：

第1步

在選定的試驗點上，沿解除槽的中垂線上安裝好測量元件。測量元件可以是千分表、鋼弦應(yīng)變計或電阻應(yīng)變片等，若開槽長度為B，則應(yīng)變計中心一般距槽B／3，槽的方向與預(yù)定所需測定的應(yīng)力方向垂直。槽的尺寸根據(jù)所使用的壓力枕大小而定。槽的深度要求大于B／2。

1—壓力枕；2—應(yīng)變計

第2步

記錄量測元件——應(yīng)變計的初始讀數(shù)。

第3步

開鑿解除槽。巖體產(chǎn)生變形并記錄應(yīng)變計上的讀數(shù)。

第4步

在開挖好的解除槽中埋設(shè)壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。

第5步

待充填水泥漿達到一定強度以后，即將壓力枕聯(lián)結(jié)油泵，通過壓力枕對巖體施壓。隨著壓力枕所施加的力p的增加，巖體變形逐步恢復(fù)。逐點記錄壓力p與恢復(fù)變形（應(yīng)變）的關(guān)系。

第6步

當假設(shè)巖體為理想彈性體時，則當應(yīng)變計回復(fù)到初始讀數(shù)時，此時壓力枕對巖體所施加的壓力p即為所求巖體的主應(yīng)力。

巖體應(yīng)力情況的測量，無論是對于工程實踐還是科學研究都具有非常重要的指導(dǎo)意義，為合理設(shè)計、安全施工提供重要依據(jù)。