巖體介質有許多有別於其他介質的重要特性, 由巖體的自重和歷史上地殼構造運動引起並殘留至今的構造應力等因素導致巖體具有初始地應力（或簡稱地應力）是最具有特色的性質之一。就巖體工程而言，如不考慮巖體地應力這一要素，就難以進行合理的分析和得出符合實際的結論。
巖體應力
天然應力
是指未經人為擾動的，主要是在重力場和構造應力場的綜合作用下，有時也在巖體的物理、化學變化及岩漿侵入等的作用下所形成的應力狀態，稱為巖體天然應力或巖體初始應力，有時也稱為地應力。
天然應力構成：
- 巖體自重→自重應力
- 構造運動→構造應力
- 流體作用→靜水壓力梯度，滲流應力
- 其他（低溫、地球化學作用）
應力圖
中國板塊主應力跡線圖
重布應力
進行工程建設將引起一定範圍內巖體初始應力的改變，工程建設擾動後的巖體應力成為重布應力或二次應力。
天然應力
重分佈應力
地殼巖體的天然應力狀態與人類的工程活動關係極大，它不僅是決定區域穩定性的重要因素，而且往往對各類建築物的設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力場和變形場重新分佈並引起圍巖損傷，嚴重時導致失穩、垮塌和破壞。這都是由於在具有初始地應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力，如何合理模擬工程區域的初始地應力場以及正確和合理地計算工程問題中的開挖“荷載”，是岩石力學與工程問題中不可迴避的重要問題。
已有的研究和工程實踐表明，淺部地殼應力分佈主要有如下的一些基本規律：
- 地應力是一個具有相對穩定性的非穩定應力場，它是時間和空間的函數。
- 實測垂直應力基本等於上覆岩層的重量。
- 水平應力普遍大於垂直應力。
- 平均水平應力與垂直應力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區，變化的速度很不相同。
- 最大水平主應力和最小水平主應力也隨深度呈線性增長關係。
- 最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性。
- 地應力的上述分佈規律還會受到地形、地表剝蝕、風化、巖體結構特徵、巖體力學性質、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。
高應力區
實踐表明，在高應力區，地表、地下工程施工期間所進行的巖體開挖工作，往往能在巖體內引起一系列與卸荷回彈和應力釋放相聯繫的變形和破壞現象，其結果是不僅會惡化地基或邊坡巖體的工程地質條件，而且作用的本身有時也會對建築物造成直接的危害。
高地應力判別準則
高地應力是一個相對的概念。由於不同岩石具有不同的彈性模量，岩石的儲能性能也不同。一般來說，地區初始地應力大小與該地區巖體的變形特性有關，巖質堅硬，則儲存彈性能多，地應力也大。因此高地應力是相對於圍巖強度而言的。也就是說，當圍巖內部的最大地應力與圍巖強度（Rb）的比值（Rb/σmax）達到某一水平時，才能稱為高地應力或極高地應力。
目前在地下工程的設計施工中，都把圍巖強度比作為判斷圍巖穩定性的重要指標，有的還作為圍巖分級的重要指標。從這個角度講，應該認識到埋深大不一定就存在高地應力問題，而埋深小但圍巖強度很低的場合，如大變形的出現，也可能出現高地應力的問題。因此，在研究是否出現高或極高地應力問題時必須與圍巖強度聯繫起來進行判定。
以圍巖強度比為指標的地應力分級基準
高初始地應力巖體在開挖中出現的主要現象
不同圍巖強度比開挖中出現的現象
此外，修建高壩、大型水庫和深大的地下硐室等，常能在更大範圍內影響天然應力的平衡，引起一系列諸如斷層復活、水庫地震以及大型巖爆等嚴重危害建築物和人民生命財產的工程地質作用。
地應力測量方法
直接測試法：應力恢復法，應力解除法，水力壓裂法（水壓致裂法）
間接測試法：鑽孔崩落法，凱塞爾效應測試法
1 應力解除法測巖體應力
應力解除法是巖體應力測量中應用較廣的方法。
基本原理：當需要測定巖體中某點的應力狀態時，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力將被解除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產生彈性恢復。應用一定的儀器，測定這種彈性恢復的應變值或變形值，並且認為巖體是連續、均質和各向同性的彈性體，於是就可以藉助彈性理論的解答來計算巖體單元所受的應力狀態。
鑽孔應力解除法測量步驟：
第一步 鑽測試巖芯大孔D
第二步 鑽傳感器安裝孔d
第三步 安裝探頭和讀取初始數據
第四步 鑽應力解除套孔與讀取數據
第五步 取出巖芯、測量彈性模量與泊松比
上述方法可以採用空心包體應力計測量巖體應力。可以應用於金屬礦山、煤礦、大壩、隧道、橋樑、地下洞室倉儲設施以及其它各種土木工程項目。
空心包體應力計
空心包體應力計用來測定岩石或者混凝土中的三向應力，通常用來監測應力隨時間的變化，或者測定鑽孔套芯應力解除試驗中的初始應力方向和應力值。
數字式空心包體應力計包含高精密度的應變計和一個植入式的微處理器，它可以連續地進行應變測量並且通過串口連接傳輸測量數據。應變讀數直接以數字格式顯示在測量儀表上，基本上消除了由於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據讀取時進行供應，消除了由於長期供電所帶來的加熱效應影響。
2水壓致裂法
適用於完整性好的脆性巖體。
基本原理：對測試段鑽孔用特製封隔器密封起來，然後對密封段加高壓水直至孔壁岩石產生張裂隙。根據裂隙的方向及泵壓的大小分析確定原巖的應力狀態。
水壓致裂法測量步驟：
第1步 打鑽孔並用封隔器密封待加壓段
鑽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，至孔壁出現開裂，獲得初始開裂壓力pi。
第3步 獲得關閉壓力
停止增壓，關閉高壓泵，壓力迅速下降，裂隙停止擴展，並趨於閉合，當壓力降到使裂隙處於臨界閉合狀態時的平衡壓力，此時應力稱為關閉壓力，記為ps；最後卸壓，使裂隙完全閉合。
第4步 獲得裂隙重開時的壓力pr和隨後的恆定關閉壓力ps
重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開並記下裂隙重開時的壓力pr和隨後的恆定關閉壓力ps。這種卸壓-重新加壓的過程重複2-3次，以提高測試數據的準確性。上述步驟(2)、(3)記錄了壓力—時間關係和流量—時間關係。
第5步 將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設備從鑽孔中取出。
第6步 測量水壓致裂裂隙和鑽孔試驗段天然節理、裂隙的位置、方向和大小
測量水壓致裂裂隙和鑽孔試驗段天然節理、裂隙的位置、方向和大小，測量可以採用井下攝影機、井下電視、井下光學望遠鏡或印模器。前三種方法代價昂貴，操作複雜，而印模器則比較簡便、實用。其結構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，然後將印模加壓膨脹，使鑽孔上的所有節理裂隙均印在印模器上。印模器裝有定向系統，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
試驗結果：
- 岩石抗拉強度：σt=pi-pr
- 最大水平應力：σ1=σHmax=3ps-pi-p0+σt
- 最小水平應力：σ2=σHmin=ps
水壓致裂系統
適用於只需快速進行二維應力確定就可以的場合。水壓致裂測量技術提供了一種雙軸應力測量方法。可用於採礦業和工民建築的應力確定，隧道和地下開挖工程、煤礦開採和石油工業等。
水壓致裂法的特點：
- 設備簡單。只需用普通鑽探方法打鑽孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體，不需要複雜的電磁測量設備。
- 操作方便。只通過液壓泵向鑽孔內注液壓裂巖體，觀測壓裂過程中泵壓、液量即可。
- 測值直觀。它可根據壓裂時泵壓（初始開裂泵壓、穩定開裂泵壓、關閉壓力、開啟壓力）計算出地應力值，不需要複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。所測得的地應力值及巖體抗拉強度是代表較大範圍內的平均值，有較好的代表性。
- 適應性強。這一方法不需要電磁測量元件，不怕潮溼，可在幹孔及孔中有水條件下作試驗，不怕電磁干擾，不怕震動。
3 應力恢復法
應力恢復法是用來直接測定巖體應力大小的一種測試方法，目前此法僅用於巖體表層，當已知某巖體中的主應力方向時，採用本方法較為方便。
當洞室某側牆上的表層圍巖應力的主應力，方向各為垂直與水平方向時，就可用應力恢復法測得的大小。
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、鋼弦應變計或電阻應變片等，若開槽長度為B，則應變計中心一般距槽B／3，槽的方向與預定所需測定的應力方向垂直。槽的尺寸根據所使用的壓力枕大小而定。槽的深度要求大於B／2。
應力恢復法佈置示意圖 1—壓力枕；2—應變計
第2步 記錄量測元件——應變計的初始讀數。
第3步 開鑿解除槽。巖體產生變形並記錄應變計上的讀數。
第4步 在開挖好的解除槽中埋設壓力枕，並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後，即將壓力枕聯結油泵，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。逐點記錄壓力p與恢復變形（應變）的關係。
第6步 當假設巖體為理想彈性體時，則當應變計回覆到初始讀數時，此時壓力枕對巖體所施加的壓力p即為所求巖體的主應力。
巖體應力情況的測量，無論是對於工程實踐還是科學研究都具有非常重要的指導意義，為合理設計、安全施工提供重要。
內容來源：“歐美大地儀器”公眾號，原題目《應力，為啥讓巖體穩定又“暴躁”？》
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