Desarrollo de un modelo constitutivo elastoplástico para suelos expansivos sometidos a ciclos de secado‑humectación y congelación‑deshielo

Por qué importan los suelos fisurados para los canales

En muchas regiones secas y frías, el agua potable y de riego se transporta en canales abiertos excavados en un tipo particular de arcilla conocido como suelo expansivo. Este suelo se hincha al absorber agua y se contrae y fisura al secarse o congelarse, lo que puede debilitar poco a poco las márgenes del canal. El estudio resumido aquí explica, paso a paso, cómo las estaciones repetidas de humectación, secado, congelación y deshielo deterioran esos suelos —desde la escala de poros invisibles hasta las grietas visibles y los fallos de talud— y presenta un nuevo modelo matemático que los ingenieros pueden usar para predecir ese daño.

Del terreno firme a los taludes fisurados

Los investigadores se centraron en un gran canal de transferencia de agua en el norte de Xinjiang, una zona desértica fría donde el canal atraviesa extensiones de suelo expansivo. En verano, el canal transporta agua; en invierno se vacía y queda expuesto al aire helado. Este ciclo anual de encharcamiento, secado y congelación ya ha generado redes complejas de fisuras, deslizamientos de talud y deformación del fondo del canal, reduciendo su capacidad para mover agua de forma eficiente. Para entender por qué ocurre esto, el equipo tomó suelo del canal, lo compactó en el laboratorio para imitar las condiciones de campo y sometió las muestras a hasta nueve ciclos controlados de humectación‑secado y congelación‑deshielo.

Ensayar la resistencia y observar el crecimiento de grietas

A escala visible, o macroscópica, el equipo empleó ensayos triaxiales —donde se aplica presión desde todos los lados a muestras cilíndricas de suelo y luego se comprimen lentamente— para seguir cómo cambiaba la resistencia del suelo con cada ciclo. Las curvas esfuerzo‑deformación mostraron que el suelo se debilitó y se volvió más deformable de forma gradual: la resistencia a la rotura disminuyó aproximadamente un 30% después de nueve ciclos, con la caída más pronunciada tras el primer ciclo. Una medida clave de resistencia llamada cohesión, que refleja cuánto se adhieren las partículas entre sí, cayó en torno a una cuarta parte en conjunto y siguió una declinación exponencial con el número de ciclos. Por el contrario, el ángulo de fricción interna —vinculado a cómo los granos se rozan y bloquean entre sí— permaneció casi inalterado, lo que indica que lo que se deteriora principalmente es la unión entre partículas, no la fricción.

Vincular las redes de grietas con cambios ocultos en los poros

Para captar lo que sucede entre lo totalmente visible y lo microscópico, los investigadores fotografiaron las superficies de las muestras de suelo tras distintos números de ciclos y analizaron los patrones de fisuración. Introdujeron un índice simple de "conectividad", Q, que aumenta a medida que las grietas individuales se unen formando una red continua. Inicialmente sólo aparecían unas pocas fisuras pequeñas. Con más ciclos, las grietas verticales, horizontales e inclinadas se ensancharon y conectaron, llegando a segmentar la muestra en bloques y señalando un fallo estructural general. Q aumentó rápidamente al principio y luego se estabilizó —reflejando la rápida pérdida de resistencia inicial. A nivel microscópico, imágenes de microscopía electrónica a alta magnificación mostraron que agregados de suelo previamente grandes y unidos se fragmentaron en muchas partículas más pequeñas, mientras que el área total ocupada por partículas sólidas y su tamaño medio se redujeron notablemente. Los poros finos se conectaron gradualmente, formando vías que posteriormente se convertirían en las grietas visibles. El análisis estadístico confirmó que la pérdida de área de partículas sólidas seguía de cerca tanto la caída de la cohesión como el aumento de la conectividad de las grietas.

Una nueva forma de predecir el debilitamiento del suelo

Más allá de describir estos cambios, los autores desarrollaron un modelo matemático mejorado para predecirlos. Partieron de un marco ampliamente usado en mecánica de suelos conocido como el modelo Cam‑clay modificado, que relaciona cómo las arcillas se comprimen y cizallan bajo carga. Para representar la unión entre partículas en suelos expansivos añadieron un parámetro de "esfuerzo de unión efectivo" que desplaza la curva de esfuerzos del modelo. Luego ajustaron este parámetro y otros a sus datos experimentales para distintos números de ciclos. El resultado fue un conjunto de fórmulas exponenciales simples que describen cómo evolucionan las propiedades clave del suelo con la repetición de ciclos de humectación‑secado y congelación‑deshielo. Cuando usaron estas fórmulas en el modelo, las curvas predichas de esfuerzo‑deformación y cambio de volumen se ajustaron estrechamente a los experimentos, mostrando que el modelo puede capturar de forma realista el daño progresivo.

Qué significa esto para los canales en el mundo real

Para quienes no son especialistas, el mensaje principal es que los suelos expansivos sometidos a cambios estacionales de humedad y temperatura no fallan de golpe. Sus poros internos se reconfiguran, sus partículas se descomponen y sus grietas se conectan gradualmente en redes que erosionan la resistencia mucho antes de que un talud se colapse visiblemente. Al relacionar observaciones desde la escala de poros hasta la de taludes y al integrar estos vínculos en un modelo predictivo práctico, este estudio proporciona a los ingenieros herramientas para pronosticar la rapidez con la que las márgenes de canales en climas similares se deteriorarán y para diseñar refuerzos o medidas de drenaje antes de que ocurran fallos costosos.

Cita: Zhang, H., Yang, M. & Cui, Z. Development of an elastoplastic constitutive model for expansive soil under drying-wetting and freezing-thawing cycles. Sci Rep 16, 5756 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36311-w

Palabras clave: suelo expansivo, ciclos de congelación‑deshielo, fisuración del suelo, estabilidad de taludes de canales, modelo constitutivo del suelo