Determinación fiable del parámetro mi de Hoek–Brown en rocas frágiles mediante el criterio del módulo secante máximo en ensayo triaxial multietapa

Por qué importa ensayar las rocas en la vida cotidiana

Desde túneles de metro y carreteras de montaña hasta presas y centrales subterráneas, muchas de las infraestructuras que usamos están excavadas en roca sólida. Los ingenieros deben conocer cómo se comportará esa roca en profundidad, donde está comprimida desde todas las direcciones. Este artículo explora una forma más eficiente de ensayar rocas carbonatadas frágiles, como ciertas calizas y dolomitas, para que los proyectistas puedan predecir mejor el riesgo de fisuración y colapso sin salir de los límites de laboratorios convencionales.

Rocas que se fracturan sin aviso

Las rocas frágiles fallan de forma súbita en vez de deformarse plásticamente, lo que las hace especialmente problemáticas para la construcción subterránea. Un número clave que utilizan los ingenieros para describir este comportamiento es el parámetro «mi» del modelo de rotura Hoek–Brown, ampliamente usado. En términos sencillos, mi indica cuánto aumenta la resistencia de una roca cuando se la somete a confinamiento triaxial, como ocurre alrededor de un túnel. Un error, aunque pequeño, en la estimación de mi puede conducir a diseños inseguros o a soluciones excesivamente conservadoras y costosas. Sin embargo, los métodos tradicionales exigen muchas probetas casi idénticas y equipos sofisticados, que no siempre están disponibles, sobre todo cuando las testigos proceden de gran profundidad o de formaciones complejas.

Una forma más eficiente de comprimir la roca

Para abordar este problema, los autores desarrollaron una versión optimizada del ensayo triaxial de compresión multietapa. En lugar de cargar muchas probetas separadas hasta fallo una sola vez, se somete a un único cilindro a varias etapas de carga bajo presiones circundantes crecientes. La innovación consiste en usar el «módulo secante máximo» como criterio de parada en cada etapa: es decir, detener y reiniciar la prueba en el punto en que la roca muestra su mayor rigidez, justo antes de que empiece a ablandarse y acumular daño permanente significativo. Este criterio puede seguirse en tiempo real con una interfaz informática sencilla y no requiere instrumentos exóticos ni sistemas de control totalmente automatizados. Se probaron dos variantes: una con carga continua y otra con descarga entre etapas para reducir el daño acumulado.

Poniendo el método a prueba

Los investigadores aplicaron su enfoque a caliza dolomítica del oeste de Irán, un tipo de roca frecuente en muchos proyectos de ingeniería. Primero midieron propiedades básicas como resistencia a la compresión, resistencia a la tracción, rigidez y varios índices de fragilidad, confirmando que el material tiende a fallar de forma frágil. Luego realizaron nueve ensayos triaxiales convencionales de una sola etapa y siete ensayos multietapa, tanto con los esquemas de carga continua como con carga–descarga. Los ensayos multietapa resultaron notablemente ricos en datos: con solo siete probetas obtuvieron 49 condiciones de esfuerzo distintas, frente a solo nueve condiciones con las nueve probetas del método convencional. Esta mayor densidad de datos permitió ajustar con más fiabilidad el modelo de Hoek–Brown y estimar con mayor precisión el valor de mi para la misma roca.

Lo que la roca reveló bajo cargas repetidas

Los resultados mostraron una diferencia sistemática entre ambos enfoques. Los ensayos multietapa produjeron valores de mi más altos —de media alrededor de 9,7, cercanos o superiores al rango recomendado para rocas similares—, mientras que los ensayos de una sola etapa dieron un valor menor, 6,8. Puesto que los ensayos multietapa siguen la evolución de una sola red de fisuras en una misma probeta, filtran gran parte de la variabilidad natural entre probetas y capturan mejor cómo aumenta la resistencia de la roca con el confinamiento. Al mismo tiempo, la carga repetida provoca la acumulación de microfisuras, por lo que la resistencia a compresión básica aparente medida por el método multietapa resultó ligeramente inferior a la registrada en los ensayos de una sola etapa. Un análisis estadístico confirmó que la diferencia en mi entre métodos no es solo ruido aleatorio, sino un efecto real.

De los números de laboratorio a la seguridad de túneles

Para evaluar el efecto práctico de estas diferencias, los autores construyeron un modelo numérico de un túnel circular en caliza dolomítica intacta y ejecutaron simulaciones usando los parámetros de cada método de ensayo. Al emplear los valores derivados del multietapa, el modelo predijo una zona de deformación inelástica mayor alrededor del túnel y un mayor hundimiento del techo. En términos de ingeniería, esto supone una predicción más conservadora y, probablemente, más segura: advierte a los diseñadores de un mayor desprendimiento y deformación de la roca que los datos de una sola etapa no indicarían. Los autores sostienen que tal conservadurismo es deseable cuando se trabaja con rocas frágiles que pueden fallar sin mucha advertencia.

Qué significa esto para proyectos reales

Para quienes no son especialistas, el mensaje principal es que la manera en que ensayamos la roca en laboratorio influye de forma importante en la percepción de la seguridad de túneles, galerías y cimentaciones. Este estudio demuestra que un ensayo multietapa controlado cuidadosamente —usando una regla simple basada en la rigidez para decidir cuándo pausar y recargar— puede extraer mucha más información de probetas limitadas y proporcionar parámetros de roca que se inclinan hacia la precaución. Aunque el método sigue dependiendo de operadores cualificados y se demostró en un solo tipo de roca, ofrece una vía práctica y de bajo coste para que muchos laboratorios mejoren sus estimaciones de resistencia de la roca, especialmente cuando solo se dispone de unas pocas testigos valiosas.

Cita: Kordloo, V., Talkhablou, M. & Sheikhani, F.A. Reliable determination of the Hoek brown Mi parameter in brittle rocks using the maximum secant modulus criterion in multistage triaxial test. Sci Rep 16, 7575 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38702-5

Palabras clave: rocas frágiles, ensayos triaxiales, parámetro Hoek–Brown, estabilidad de túneles, caliza dolomítica