Un modelo constitutivo de daño para la lutita carbonosa con una única grieta bajo ciclos de secado‑humedecimiento y compresión triaxial

Por qué importan las rocas agrietadas en los taludes

Muchas carreteras, líneas férreas y presas en regiones montañosas están excavadas en taludes formados por una roca oscura y frágil llamada lutita carbonosa. Cuando esta roca está cruzada por grietas y se somete repetidamente a ciclos de secado y humedecimiento —como ocurre con las lluvias estacionales— se debilita gradualmente. Ese debilitamiento oculto puede preparar el escenario para desplomes y deslizamientos. Este estudio desarrolla una formulación matemática para describir cómo esa lutita agrietada pierde resistencia con el tiempo bajo variaciones de humedad y presión confinante, ayudando a los ingenieros a predecir mejor la estabilidad a largo plazo de los taludes.

Una roca que respira agua

La lutita carbonosa es frecuente en obras de ingeniería y es conocida por su sensibilidad al agua. Al secarse y volver a humedecerse repetidamente, sus poros internos se dilatan y conectan, y las grietas existentes pueden crecer. Los autores señalan que este ciclo reduce de forma sostenida la resistencia y la rigidez de la roca, lo que a su vez disminuye el margen de seguridad de taludes y obras subterráneas. Investigaciones previas habían estudiado cómo los ciclos seco‑húmedo dañan las rocas y cómo las fisuras o juntas las debilitan, pero no existía una descripción única que integrara todas las influencias clave a la vez: el ciclo de humedad, la orientación de la grieta y la presión de confinamiento del macizo rocoso.

Ensayando lutita agrietada en condiciones realistas

Para abordar esta laguna, los investigadores realizaron primero una serie de ensayos de laboratorio con bloques de lutita carbonosa, algunos intactos y otros con una única grieta artificial practicada a distintos ángulos. Estas muestras se sometieron a diferentes números de ciclos de secado‑humedecimiento y luego se comprimieron bajo varias presiones de confinamiento que simulan el peso de la roca suprayacente. A partir de las curvas esfuerzo‑deformación resultantes —gráficas que muestran cuánto se deforman las muestras conforme aumenta la carga— observaron patrones claros. Más ciclos de secado‑humedecimiento desplazaron las curvas hacia abajo, indicando una roca más débil, mientras que mayor presión de confinamiento las desplazó hacia arriba, mostrando un efecto de endurecimiento y mayor ductilidad. El ángulo de la grieta controló la facilidad de falla de la muestra, siendo la mayor debilidad observada con una grieta a 45 grados.

Construyendo un mapa del daño dentro de la roca

Con estas observaciones experimentales, el equipo construyó un modelo de daño por etapas que separa tres contribuciones: daño microscópico por secado‑humedecimiento, daño macroscópico debido a la grieta preexistente y daño adicional que se desarrolla durante la carga. Cada tipo de daño se expresa mediante cambios en la rigidez de la roca y se combinan en una única medida de daño “acoplado”. De forma crucial, dividieron la respuesta de la roca en dos etapas. La primera es una etapa de compactación, en la que se cierran poros y microfisuras y la roca se endurece. La segunda es una etapa de propagación del daño, donde se forman y conectan nuevas microfisuras, conduciendo finalmente a la falla. Este enfoque segmentado permite que el modelo siga la curva esfuerzo‑deformación completa, incluyendo la compactación no lineal inicial que modelos anteriores habían ignorado.

Cinco pasos en el camino hacia la falla

Cuando aplicaron su modelo a los datos experimentales, las curvas predichas coincidieron estrechamente con las medidas, especialmente en la evolución del daño. El modelo muestra que el daño en la roca progresa en cinco etapas, formando una trayectoria en forma de S: una fase inicial estable, un inicio suave del daño, una fase de aceleración rápida, una fase de desaceleración conforme la roca se aproxima a su límite de resistencia y, finalmente, una fase terminal en la que la roca ha fallado en gran medida. Aumentar el número de ciclos de secado‑humedecimiento desplaza esta S hacia la izquierda, lo que significa que la roca alcanza daño severo a deformaciones menores. Mayor presión de confinamiento la desplaza hacia la derecha, retrasando la falla y permitiendo más deformación antes del colapso. El ángulo de la grieta controla cuánta lesión inicial tiene la roca y cómo se distribuye direccionalmente el daño, alcanzando la máxima severidad cuando la grieta está inclinada aproximadamente 45 grados.

Qué significa esto para taludes y túneles

En términos prácticos, el estudio proporciona una regla cuantitativa de “meteorización y rotura” para la lutita agrietada: el humedecimiento y secado repetidos actúan como un acelerador oculto del daño, la presión de confinamiento funciona como un cinturón de contención y la orientación de una grieta principal fija la ruta preferente de falla. Al capturar las tres influencias en un único modelo que reproduce el comportamiento real esfuerzo‑deformación, los ingenieros disponen de una herramienta para prever cómo se deteriorarán taludes y excavaciones en lutita a lo largo de años de estaciones y cargas variables. Esto puede orientar diseños más seguros, un mejor seguimiento y refuerzos oportunos antes de que pequeños cambios invisibles dentro de la roca se conviertan en grandes desastres visibles.

Cita: Li, Y., Wang, Y., Wang, R. et al. A damage constitutive model of carbonaceous shale containing a single crack under drying-weting cycles and triaxial compression. Sci Rep 16, 12427 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41783-x

Palabras clave: estabilidad de taludes rocosos, ciclos de secado–humedecimiento, lutita agrietada, modelado de daño en rocas, compresión triaxial