地应力资料对地质工程来说是比较重要的，尤其是对地下工程来说，必须考虑地应力。
对于地应力资料在地质工程中怎样应用的问题，还存在两种不同的看法。以隧道工程为例，只把隧道衬砌看成是工程，而把隧道上覆岩体自重看作是作用于围岩上的荷载，或把围岩看成是在自重作用下冒落作用于衬砌上的荷载，这是一套荷载支护体系观点。隧道工程实际上是以地质体做环境，以地质体做材料，以地质体做结构的一项特殊工程。它的稳定性主要受控于环境应力及岩体特性，环境应力是主要作用力，洞体围岩是抵抗地应力的基本结构和材料。地质体是有自稳能力的，当洞壁应力差大于围岩强度时，就会出现变形和破坏。为保证洞体稳定，可采用地质改造的办法提高洞体稳定性。这是一种地质工程观点。在这一观点指导下进行地下洞室设计时，必须有地应力资料和岩体强度资料。作为一种最简单例子，现在取均匀地应力场圆形洞室洞壁围岩稳定性判据来说明：
地质工程学原理
式中：K为稳定性系数；σc为岩体抗压强度；P0 为地应力值。
式（5-1）表明，洞壁围岩稳定性系数大小主要决定于岩体抗压强度及地应力P0。当岩体强度太低或地应力太高时洞体首先从洞壁开始破坏，从而导致洞体失稳。根据这一观点，当岩体强度不足以抵抗地应力作用时，可以采取加固围岩、采用支护提高σ3 或采取弱化洞壁围岩中应力等岩体改造的办法来提高围岩稳定性。而对于荷载支护观点来说，当支护强度不够时维护支护稳定性的办法，则要增加支护厚度和提高支护强度等，这完全是两条路子。上述表明，地应力是地下工程设计中必不可少的一个基本资料。正确的地下工程设计必须有地应力资料。
地应力对地质工程的影响是多方面的，下面先从总的轮廓上讨论一下，即地应力的力学效应。前面讨论了岩体结构力学效应，现在讨论地应力的力学效应。地应力的力学效应总的来说有如表5-4所示的一些内容。下面简单展开地谈一下。
表5-4 地应力的力学效应（地应力由低到高）
第一，对完整结构岩体来说，地应力可以改变岩体破坏机制。脆性岩体在高地应力条件下可以转化为塑性，而且其破坏强度随着地应力增高而增高，但它不是无限制地增大，达到塑性状态以后，它将保持一个稳定值。有一些岩石在高压下还可以转变为流体，其强度不仅不增高，而且还降低。这在比较高的压力条件下的地球深部和核爆炸的爆炸腔里可以看到。地下核爆炸腔周围的最外部成弹性变形，往里变为脆性破坏，再往里有一圈致密的，实际上是塑性化圈，在爆心里面呈流体状态。在陨石坑里也可以看到岩石呈流体状态，陨石坑里的岩石都呈玻璃质状态，其摩擦角接近于零，内聚力也很低，这是一种特殊状况。一般的地质工程中见不到。变形模量也存在这种现象，随着地应力增高变形模量增大。完整岩体里或多或少都存在有裂隙，这样岩体在低围压条件下的变形是结构面变形为主，即结构面变形为岩体变形的主要部分；随着围压增高结构面变形逐渐减小，当应力达到一定水平，大约为8MPa，结构面就全部闭合了。压力再增高时岩体变形则为岩石材料变形，但随压力增高弹性模量就接近于一个常数，而不变。这些现象表明，测量岩体力学性质时必须考虑环境应力水平。现在有些规程、规范规定试验加载到多少多少，实际上是不对的。正确的做法应该是根据工程作用的最大应力水平确定最大试验压力，一般来说，试验压力应该高于工程作用压力，这对于试验成果分析来讲是十分重要的。
第二，对碎裂结构岩体来讲，地应力力学效应可以反映在以下6个方面：
（1）碎裂结构岩体内结构面在低地应力条件下起作用，而随着地应力增高，结构面的作用逐渐减弱，而在高地应力条件下结构面便不起作用了，这个应力条件大体上是8MPa。
（2）在低地应力条件下，碎裂结构岩体力学性质的结构效应十分显著，而随着地应力水平逐渐增高，力学性质的结构效应逐渐消失，这个条件大体上为岩体抗压强度的1/2。
（3）随着地应力增高，岩体破坏机制由受结构面控制逐渐转变为受岩块控制，即变为受结构体控制。
（4）随着地应力增高，岩体破坏强度的结构效应逐渐消失，图5-14是一个很好的例子，左图是在单轴压（无围压）条件下用劈裂法（巴西法）作的石灰岩岩块劈裂强度与试块尺寸关系，右图为高围压条件下的试验结果。试验结果表明，无围压时试验块力学性质具有明显尺寸效应，而在高围压条件下尺寸效应消失了。
图5-14 不同围压条件下巴西法试块试验结果
（5）随着地应力增高，岩体弹性模量的尺寸效应也逐渐消失。
（6）随着地应力增高，岩体力学介质类型也在发生变化。低地应力条件下呈碎裂介质；高地应力条件下则转化为连续介质，也就是说结构面不起作用了，起始转化的应力条件大约为岩块抗压强度的1/2。
第三，块裂结构岩体随着地应力增高，其地应力效应反映在岩体力学性质和破坏机制的改变上。这就是随着法向应力增加，其强度增大，结构面由滑动破坏转化为啃断破坏。但是作为一种力学介质来说，在工程所及的地应力条件下，其介质类型一般不会产生变化。
上述事实表明，我们在作岩体力学研究时，不要把岩体看成是孤立的，不变的。而它是随着环境应力改变而不断的变化着。特别是岩体内存在坚硬结构面时，这种变化十分明显，也可以说岩体力学与其他连续介质力学的不同就在于岩体内存在有结构面。岩体力学规律所以千变万化，就是因为岩体内存在有大量结构面。岩体的变形规律、破坏机制及力学性质与其他材料的区别，就在于岩体内有结构面作用。随此，便产生了地应力的力学效应。所以我们把岩体结构力学效应与岩体力学基本规律等同看待。
第四，板裂结构岩体的板裂体实际上都属于碎裂结构，随地应力增高，切割板裂体的结构面力学作用消失，转化为完整结构岩体；分割板裂体的软弱结构面的力学作用很难消失，只是结构面强度逐渐增加，起伏的结构面则由爬坡转化为啃断。
下面进一步来讨论地应力与地下工程的关系。很多人经常遇到这样一个问题，地应力测了很多，在地下工程中怎么用？实际上它与地下工程建筑观点有关。早期的地下工程建筑观点是荷载支护体系，这个观念认为地下工程中的围岩破坏塌落下来的地质体是作用于衬砌上的荷载，维护地下工程稳定的措施是衬砌。那么作用于衬砌上的荷载怎么求？基本的概念是围岩不能自稳，在自重作用下是要塌落的，想方设法要找到塌落体高度，把塌落体的自重作为作用于衬砌上的荷载，来设计衬砌。这就是地下工程建筑早期的荷载支护体系观念，统治隧道设计理论达半个世纪以上的普氏理论是这一观念的代表性观点。随着隧道建筑经验的不断增加，许多人提出了异议，看出了普氏理论在地下工程中应用的不合理性。我国20世纪70年代曾出现过批判普氏理论的潮流，可是由于没有找到合理的理论取代它，批判归批判，使用归使用，问题没有得到解决。应当指出，普氏理论对土体力学还是适用的，对于岩体力学就不适用了。80年代以后，越来越多的人接受了厚壁圆筒理论在地下工程建筑中的应用，逐渐地取代了普氏理论。应当指出厚壁圆筒理论在地下工程中的应用并非是从80年代开始的，钱令希教授在40年代就提出了厚壁圆筒理论在地下工程中的应用问题，不过当时是将自重作为岩体中的应力而应用，因此效果不好。80年以来采用了实测地应力作为环境应力，从而建立起了新的理论体系，今天已经取代了普氏理论。厚壁圆筒理论的基本点如下。
首先我们知道地下洞室围岩中的应力与地应力大小有关，与围岩的力学介质无关。不管是弹性的还是塑性的，其应力分布规律都具有下面公式所表达的形式：
地质工程学原理
地质工程学原理
式中符号示于图5-15。地应力方向和大小对围岩内应力分布有较大的影响，就拿洞壁应力状态来说，在均匀应力场条件下，洞壁应力分别为
地质工程学原理
式中P0 为地应力大小。在双向应力不等的条件下洞壁处应力为
地质工程学原理
图5-15 各向不等地应力条件下围岩内应力分析计算草图
与地应力最大主应力方向成
地质工程学原理
式中：σH为地应力的最大主应力分量；σh为地应力的最小主应力分量。
地质工程学原理
这里可以明显看出，洞壁围岩内应力分布是与地应力状态有关。这就是说，地下工程建筑中必须有地应力的资料。如果岩体是脆性破坏，则其破坏判据为
地质工程学原理
式中K为稳定性系数。当K＝1时，岩体抗压强度如小于（3－λ）倍地应力值时岩体就要产生破坏，如地应力场是均匀的，即λ＝1，则岩体强度小于两倍地应力值时，岩体就要产生破坏。现在再来看，如果围岩为塑性介质时，岩体的破坏判据应用下式表达
地质工程学原理
它的破坏点也应该发生在洞壁处。这时σ3＝σr＝0，则破坏判据变为
地质工程学原理
洞壁稳定条件为
地质工程学原理
这也表明洞壁稳定性既与岩体强度有关，也与岩体内地应力大小有关。提出地应力在地下工程中有什么用的同志可能忽略一个问题，他在用评价洞室稳定性的公式中，没有直接出现地应力P0 这个参数，因为过去在这些公式中没有实测的地应力值，而是用自重（γ）乘上埋深（H）来代替地应力。这实际上也是考虑了地应力，只是由于没有实测的地应力资料，不得已而用自重代替罢了。现在我们进行了地应力测量，有了实测资料，如上面所介绍的那样，实际上地应力并不等于γH，有时甚至大于γH的两倍或三倍。特别是在地下不深处有一个水平地应力集中带，地应力就更比γH高了。而我们所修建的地下洞室要经常通过地应力集中带，显然不能用γH来代替。有一种情况可以用γH来代替，这就是地下洞室所通过的地区位于地应力松弛带内，因为构造作用产生的水平地应力已经都卸除了，剩下的只是自重应力，在这种情况下用γH替代地应力是完全正确的。在中国来说，水平地应力多半是大于自重应力。如北京郊区大灰厂地下12m深度处，测得的最大水平主应力高达8MPa。二滩电站的水平地应力也远远大于自重应力。金川二矿区测得的水平地应力也远大于自重应力。这样的实例很多。这充分说明，在地下洞室稳定性分析中，不能简单地一律采用γH来代替地应力。这样我们在具体的地下工程设计中要注意下面两个问题：
（1）洞轴线选择时不要垂直于最大主应力，如果许可的话最好平行于最大主应力，避免洞壁受最大主应力作用。地下洞室不仅怕地应力大，而更怕应力差大。如果我们避开最大主应力，这就使得洞室受的应力差小些，对洞室稳定性有利。在高边墙大型地下洞室建筑中，更应该注意这个问题。
（2）我们习惯设计地下洞室形状是圆形、圆拱直墙或马蹄型的，总是长轴方向是垂直的，短轴方向水平，好像这是一种习惯，很少考虑地应力状况。我们在金川遇到一个问题，二矿区的一个巷道，几乎是没有不破坏的，经过采用很多办法来支护，但仍然破坏，这是为什么？著者认为是与地应力状态有关。金川的水平地应力比垂直地应力大2～3倍，在这种情况下洞室的短轴方向受到大的地应力作用，而长轴方向受到小的地应力作用，这是最容易破坏的，从结构设计来讲这是不合理的。因此在1977年我们到现场工作时，曾向他们建议巷道长轴应放躺下，与最大主应力方向平行，洞子的截面形状，即洞的长轴与短轴之比应该与最大主应力与最小主应力匹配。这一点在地下工程设计中非常重要，所以出现上述不合理的情况，与长期以来把垂直应力看作是最大主应力有关，而过去我们也没有接触过这么多水平应力大于垂直应力的情况。还应该指出，最大主应力和最小主应力的分布并不是垂直的或水平的，而是与水平面成一个角度，这种情况下洞子应该怎么放？如果是一个单个洞子恐怕要从结构上想办法，即开挖洞形与使用洞形不一定一样。开挖洞形剖面可以是倾斜的、椭圆形的洞形，而使用的洞形应在里面加一衬砌层作成所需要的洞形。如果是洞室群，像电站地下厂房那样。洞室群总体排列应该与地应力分布相适应，洞室群长轴方向应该与最大主应力方向平行，短轴方向应该与最小主应力方向平行，它所形成的整体形状应该与地应力的三个分量的比值相匹配。这样可以避免掉地应力造成的麻烦，其内部的个体建筑才能比较稳定。这也是一种优化设计方案。
上述的地应力与地下工程的理论，不仅适用于与平卧的地下洞室，也适用于直立的竖井和钻孔设计中的稳定性检核。在高地应力地带的竖井和钻孔在围岩强度不高，应力差过大时，或者出现缩径变形，或者出现井壁和孔壁破裂，导致竖井和钻孔破坏，不能正常应用，这种事故在矿山和采油井、采气井、采水井等地质工程中经常见到，为了避免事故，应在设计中进行井壁和孔壁稳定性检查。