Permeabilidad de la arcilla limosa y su modelo de predicción basado en el valor de doble corte de T2 por RMN

Por qué importa esto para túneles y trenes

Cuando los ingenieros excavan pozos profundos para líneas de metro o túneles, no sólo atraviesan suelo compacto: abren la puerta a que el agua subterránea entre con fuerza. En Jinan, China, una nueva línea de metro experimentó una importante infiltración de agua cuando se excavó a través de una capa de arcilla limosa que se suponía relativamente estanca. Este estudio explora por qué algunas arcillas permiten pasar mucha más agua de lo esperado e introduce una nueva forma de predecir la facilidad con la que el agua puede moverse a través de ellas usando una técnica de escaneo similar a la médica llamada resonancia magnética nuclear (RMN).

Investigando una capa de terreno filtrante

Los investigadores se centraron en una capa de arcilla limosa bajo una estación de metro en Jinan donde la fuerte filtración había interrumpido la construcción. Tradicionalmente, los ingenieros se apoyan en propiedades básicas del suelo, como la distribución de tamaños de partículas y la cantidad de espacio vacío entre ellas (relación de vacíos), para estimar la facilidad con la que el agua puede fluir por el terreno. Pero la experiencia y estudios previos han mostrado que dos suelos con relaciones de vacíos casi idénticas pueden diferir en permeabilidad hasta en un factor de cien. Este trabajo compara dos versiones del mismo suelo: la arcilla limosa “indisturbada” depositada naturalmente y extraída en la excavación, y la arcilla limosa “reconstruida” que se fragmentó y compactó de nuevo en el laboratorio para igualar la misma densidad y contenido de agua.

Canales ocultos dentro del suelo

Con un sistema de ensayos triaxial, el equipo comprimió ambos tipos de arcilla bajo presión creciente, midió cuánto se deformaban y registró la velocidad a la que el agua podía atravesarlas. A pesar de tener la misma holgura inicial, el suelo indisturbado permitió pasar más de sesenta veces más agua que el reconstruido. Fotografías mostraron grandes poros visibles en las muestras indisturbadas que estaban ausentes en las reconstruidas. Al aumentar la presión, ambos suelos se volvieron menos permeables, pero su comportamiento divergió: la arcilla reconstruida siguió una tendencia ordenada y predecible, mientras que la indisturbada mostró un cambio brusco una vez que su estructura natural empezó a colapsar. Esto puso de relieve que no sólo el volumen de poros, sino la forma y la conectividad de esos poros controlan fuertemente la filtración.

Ver los poros llenos de agua con RMN

Para observar la red de poros sin destruir las muestras, los investigadores recurrieron a la RMN de campo bajo, una técnica que sigue cómo responden los átomos de hidrógeno en el agua dentro de un campo magnético. El espectro T2 resultante actúa como una huella del sistema de poros: tiempos más cortos indican poros muy pequeños y fuertemente ligados, mientras que tiempos más largos señalan espacios mayores y con flujo más libre. Tanto la arcilla indisturbada como la reconstruida mostraron múltiples picos en sus espectros, correspondientes a distintos grupos de tamaños de poro. El suelo indisturbado presentó un pico extra en tiempos largos, que revela macroporos que funcionan como canales preferentes de flujo. Al observar cómo esos picos se desplazaban y reducían con mayor presión, el equipo pudo ver grandes poros cerrándose, lo que coincidía con la caída observada de la permeabilidad.

Clasificando los poros en tres categorías

Los modelos existentes basados en RMN para predecir la permeabilidad del suelo suelen tratar todos los poros conectados conjuntamente y con frecuencia usan un único tiempo de corte para dividir el agua en categorías “móvil” e “inmóvil”. Esto simplifica en exceso la realidad, donde el agua en poros muy pequeños apenas se mueve, el agua en poros intermedios se mueve en cierta medida y el agua en poros grandes domina el flujo. Para captar esto, los autores adoptaron un enfoque de “doble corte”: el espectro T2 se divide en tres zonas que corresponden a microporos, mesoporos y macroporos. Cada zona se asocia a un comportamiento distinto del agua, desde fuertemente ligada hasta plenamente móvil. Combinaron esta visión tripartita con la teoría del flujo capilar y una medida de lo tortuosos que son los caminos de flujo dentro del suelo.

Una herramienta más precisa para predecir la filtración

Partiendo de estas ideas, los autores propusieron un nuevo modelo de predicción que calcula la conductividad hidráulica a partir del espectro T2 de RMN tratando por separado los poros medianos y grandes y teniendo en cuenta las rutas sinuosas que debe seguir el agua. Cuando probaron este modelo frente a mediciones de laboratorio, superó a varias fórmulas basadas en RMN ampliamente usadas, especialmente para suelos dominados por poros pequeños y medianos. Para los ingenieros, la conclusión es clara: dos arcillas que parecen similares en un ensayo de laboratorio estándar pueden comportarse de forma muy distinta en el subsuelo, y la RMN ofrece una herramienta potente para ver los canales internos que controlan la filtración. Al predecir mejor cómo se moverá el agua a través de la arcilla limosa alrededor de túneles y excavaciones profundas, este método puede ayudar a diseñar proyectos subterráneos más seguros y coste-efectivos.

Cita: Zhao, X., Chen, C. & Wang, X. Permeability of silty clay and its prediction model based on NMR T₂ double cutoff value. Sci Rep 16, 11810 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41616-x

Palabras clave: arcilla limosa, permeabilidad del suelo, filtración de aguas subterráneas, resonancia magnética nuclear, construcción subterránea