Acoplamiento hidro-mecánico y mecanismo de evolución microestructural de suelos expansivos bajo el rango completo de succión

Por qué importan las laderas agrietadas

En todo el mundo, tramos de canales, carreteras y cimientos de edificios se asientan sobre un tipo de terreno problemático llamado suelo expansivo. Este suelo se hincha cuando se humedece y se contrae cuando se seca, lo que puede provocar grietas en las orillas de canales, inclinación de pavimentos y daños en las estructuras. El proyecto de Trasvase de Agua de Sur a Norte de China, por ejemplo, discurre durante cientos de kilómetros sobre suelos de este tipo. Este estudio explora, en detalle, cómo el agua que entra y sale del suelo expansivo reconfigura su red de poros interna y, a su vez, controla cuánto se hincha o se contrae el terreno. Comprender este comportamiento oculto puede ayudar a los ingenieros a diseñar terraplenes más seguros y reducir daños costosos.

Un suelo que respira con el clima

El suelo expansivo no es un bloque sólido; es un armazón de diminutas partículas minerales con poros entre ellas y dentro de los agregados de granos. Cuando la lluvia, los niveles de agua del canal y los cambios estacionales impulsan ciclos de secado y humectación, el agua fluye dentro y fuera de esos poros. Los investigadores se centraron en un suelo expansivo de baja resistencia utilizado para construir un terraplén de canal en la China central. Recrearon condiciones similares a las de campo en el laboratorio preparando muestras compactadas que reproducían la densidad y la humedad naturales del terraplén. Luego sometieron estas muestras a ciclos repetidos de secado–humectación a lo largo de un rango excepcionalmente amplio de “succión”: una medida de la fuerza con la que el suelo retiene el agua, desde estados casi saturados hasta condiciones extremadamente secas.

Rastreando cómo entra y sale el agua

Para mapear cuánta agua retiene el suelo a cada nivel de succión, el equipo combinó tres métodos de laboratorio que, en conjunto, cubren el rango completo desde muy húmedo hasta extremadamente seco. Las pruebas con placa de presión manejaron las succiones bajas, soluciones salinas especiales controlaron la humedad para succiones muy altas, y un dispositivo de punto de rocío rellenó los huecos. A partir de estos datos construyeron una curva característica agua–succión del suelo, una especie de huella que muestra cómo evolucionan el contenido de agua, el espacio poroso y la saturación a medida que el suelo se seca y se rehumedece. Encontraron una fuerte “histéresis”: la trayectoria que sigue el suelo al secarse no se reproduce al volver a humedecerse. A la misma succión, el suelo seco tiende a ser más denso y a retener más agua que el suelo que ha sido rehumedecido, porque quedan burbujas de aire atrapadas, las formas de los poros difieren y los ángulos a los que el agua avanza o retrocede sobre las superficies de las partículas no son iguales.

Red de poros oculta de dos niveles

Para ver qué ocurre en el interior, los investigadores usaron ensayos de intrusión de mercurio y microscopía electrónica de barrido para observar y medir poros a muchas escalas. La estructura interna del suelo resultó ser claramente dual: los poros grandes se sitúan entre los agregados de partículas, mientras que poros mucho más pequeños se encuentran dentro de cada agregado. La línea divisoria entre estas dos familias de poros está alrededor de 0,2 micrómetros. A lo largo de todos los niveles de succión, los diminutos poros internos mantienen una distribución de volumen notablemente estable, mientras que los poros mayores cambian de forma dramática. A medida que aumenta la succión y el suelo se seca, los poros más grandes se contraen o cierran, el volumen total de poros disminuye y el suelo se contrae. Cuando el suelo se rehumedece, el proceso se desarrolla en tres etapas: inicialmente, los poros grandes se cierran y el tamaño de poro dominante se vuelve menor; en una etapa intermedia, la distribución general se mantiene relativamente estable; finalmente, al hacerse el suelo más húmedo, los agregados se hinchan, las macroporosidades se rellenan parcialmente y se reordenan, y toda la muestra experimenta una expansión apreciable.

Desplazamientos microscópicos, daños macroscópicos

Las imágenes al microscopio electrónico muestran esta transformación como un cambio de estructuras lisas y en forma de placa con amplios huecos conectados a baja succión, a patrones más compactos y granulares con muchos poros pequeños y microfisuras a succión alta. A medida que se extrae el agua, las fuerzas entre partículas se intensifican, las placas se fragmentan en piezas más pequeñas y los poros grandes colapsan en poros más finos. Durante la humectación, los agregados empujan hacia afuera, llenando parcialmente antiguos vacíos. Debido a que el equilibrio entre agua y aire en poros grandes y pequeños cambia a ritmos diferentes, la misma razón de vacíos global puede corresponder a distintos niveles de saturación según si el suelo se está secando o humedeciendo. Este estrecho acoplamiento entre el estado del agua y la geometría de los poros hace que la tensión mecánica soportada por el esqueleto del suelo evolucione de manera distinta en cada trayectoria, dejando deformaciones irreversibles tras cada ciclo.

Qué significa esto para las estructuras reales

Para el público general, el mensaje clave es que el suelo expansivo se comporta como una esponja que respira con dos sistemas de poros distintos: poros diminutos estables encerrados dentro de los agregados y poros más grandes altamente sensibles entre ellos. El estudio muestra que la forma en que estos poros mayores se abren, cierran y redistribuyen durante los ciclos de secado–humectación explica tanto la fuerte histéresis en la retención de agua como los grandes cambios de volumen observados en campo. Reconocer el papel dominante de esta microestructura de poros dual permite a los ingenieros construir modelos más precisos de cómo se moverán los terraplenes con el tiempo, mejorar los diseños de revestimientos y refuerzos de canales, y anticipar dónde es más probable que ocurra daño por hinchamiento–retracción.

Cita: Wang, D., Li, M. & Wang, Z. Hydro-mechanical coupling and microstructural evolution mechanism of expansive soil under full suction range. Sci Rep 16, 8347 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39828-2

Palabras clave: suelos expansivos, microestructura del suelo, suelos no saturados, succión e hinchamiento, estabilidad de terraplenes de canales