Comportamiento mecánico dependiente del tiempo y temporización del sostenimiento del macizo rocoso regidos por la razón de cierre de grietas

Por qué importa el movimiento lento de la roca en el subsuelo

Los centros hidroeléctricos y túneles profundos se excavan en roca que sigue moviéndose mucho después de que termine la voladura. Ese movimiento lento y de fluencia puede cerrar inicialmente pequeñas grietas, pero con el paso de meses o años también puede abrirlas y debilitar el macizo alrededor de una excavación. Este artículo analiza cómo y cuándo se acumula ese daño silencioso en granito duro en un gran proyecto hidroeléctrico en China, y propone una manera nueva de decidir el momento exacto en que los ingenieros deben instalar sostenimientos para que la propia roca contribuya a mantener la estabilidad en lugar de fallar de forma repentina.

Observando cómo el granito cede lentamente

Los investigadores trabajaron con granito extraído de la central subterránea de Shuangjiangkou, un gran proyecto hidroeléctrico enterrado a varios cientos de metros dentro de una montaña. En el laboratorio, muestras cilíndricas de roca se comprimieron bajo condiciones destinadas a imitar las distintas presiones que actúan en profundidad. En lugar de cargarlas una sola vez hasta el fallo, el equipo empleó ensayos de fluencia: el esfuerzo se aumentó por etapas y luego se mantuvo constante durante muchas horas mientras se registraban pequeños cambios en longitud y diámetro. Esto les permitió ver cómo la roca primero se deforma rápidamente, luego entra en un cambio lento casi estable, y finalmente acelera hacia el fallo a medida que las grietas se conectan internamente.

Una nueva forma de interpretar las grietas ocultas de la roca

Los modelos tradicionales asumen que el primer salto en deformación al aplicar una carga es puramente elástico, como un resorte que recupera su forma al descargarlo. Pero la roca dura contiene innumerables microgrietas preexistentes que se cierran, se desplazan y se reabren, lo que hace que esa suposición sea demasiado simplista. Los autores introdujeron una “razón de cierre de grietas”, un número que describe hasta qué punto esas pequeñas grietas han pasado de totalmente cerradas a ampliamente abiertas. Al combinar esta razón con mediciones estándar de esfuerzo-deformación, separaron el comportamiento de la roca en dos partes: la deformación ordinaria y recuperable, y la deformación adicional provocada por el crecimiento de grietas. También siguieron estos efectos en dos direcciones: a lo largo del eje de carga y radialmente, hacia el exterior desde las paredes de un túnel o cavidad futura.

Por qué las grietas laterales controlan la resistencia a largo plazo

Los ensayos mostraron que la resistencia a largo plazo de la roca no es igual en todas las direcciones. Al comparar el esfuerzo en el que la fluencia estable cambiaba repentinamente a deformación desbocada, encontraron que las grietas que crecen radialmente —hacia el exterior desde una abertura subterránea— alcanzaban ese estado crítico a esfuerzos menores que las que se desarrollan a lo largo de la dirección principal de carga. En otras palabras, la roca se vuelve peligrosamente débil en sentido lateral antes que en sentido vertical. Al definir valores umbral de la razón de cierre de grietas asociados a esta transición, los autores construyeron un modelo dependiente del tiempo que puede predecir cuándo y con qué rapidez las grietas se extenderán bajo distintas condiciones de esfuerzo, especialmente en la dirección radial que controla con mayor fuerza el fallo alrededor de excavaciones.

Convertir la intuición de laboratorio en seguridad en obra

Para comprobar si su enfoque se sostiene en campo, los investigadores incorporaron su modelo de fluencia basado en grietas en simulaciones numéricas de la excavación de la central de Shuangjiangkou. Dividieron el macizo circundante en zonas según los esfuerzos in situ y usaron el modelo para seguir cómo el daño se propaga con el tiempo después de cada fase de excavación. Las simulaciones produjeron patrones de desplazamiento y agrietamiento que coincidieron de cerca con los datos de monitorización y con daños visibles como deformación de vigas y nuevas fisuras. Utilizando la razón de cierre de grietas radial, clasificaron entonces la roca alrededor de la caverna en cinco zonas, desde intacta hasta totalmente fallada, y vincularon cada zona a un rango de valores de cierre de grietas que puede estimarse de antemano mediante ensayos de laboratorio.

Elegir el momento adecuado para sostener la roca

Para los ingenieros, el resultado más práctico es un calendario de sostenimiento. El estudio identifica un valor crítico de la razón de cierre de grietas que marca la frontera entre la roca que aún es mayoritariamente autosuficiente y la roca que ha perdido la mayor parte de su resistencia. Al calcular cuándo se espera que distintas ubicaciones alrededor de la caverna crucen esa línea, los autores proponen categorías de sostenimiento escalonado: sostenimiento inmediato donde el fallo comienza casi de inmediato, varios niveles de sostenimiento diferido donde el daño se acumula más lentamente, y un sostenimiento final de “estabilización” una vez que la mayor parte del movimiento se ha asentado. Este enfoque permite a los diseñadores planificar el sostenimiento para que la roca soporte tanto peso propio como sea posible —ahorrando material y coste— y al mismo tiempo evitar colapsos repentinos impulsados por el crecimiento lento y dependiente del tiempo de las grietas.

Cita: Qian, L., Yao, T., Liu, E. et al. Time-dependent mechanical behavior and support timing of surrounding rock governed by crack closure ratio. Sci Rep 16, 9696 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39707-w

Palabras clave: fluencia de la roca, cavernas subterráneas, microgrietas, diseño de sostenimiento, estabilidad del granito