Estudio sobre la energía de las rocas y la falla microscópica bajo distintos estados de esfuerzo

Por qué las rocas profundas importan para la seguridad de los túneles

A medida que las ciudades se excavan cada vez más en profundidad para metros, embalses y almacenamiento de energía, las rocas que rodean esos espacios subterráneos deben resistir enormes fuerzas de forma segura. Cuando esa roca falla de forma inesperada, el resultado puede ser reventones de roca, derrumbes y retrasos costosos. Este estudio examina un tipo de roca frecuente —el mármol— para ver cómo almacena, utiliza y libera repentinamente energía bajo distintas condiciones de compresión, desde presiones suaves hasta los intensos esfuerzos tridimensionales que se encuentran a kilómetros bajo tierra.

Cómo se aprieta el mármol en el mundo real

En profundidad, la roca está comprimida desde todos los lados, no solo desde arriba. Para reproducir esto, los investigadores realizaron dos tipos de ensayos de laboratorio en bloques de mármol cuidadosamente preparados. En ensayos triaxiales “convencionales”, la roca se comprimía más en una dirección mientras la presión lateral se mantenía igual. En ensayos triaxiales “reales”, las tres direcciones de presión se controlaron de forma independiente, reproduciendo mejor los patrones de esfuerzo desiguales que rodean túneles y cavernas reales. Paralelamente a estos experimentos, el equipo construyó modelos por ordenador detallados en los que el mármol se representó como innumerables pequeñas partículas unidas entre sí, lo que les permitió observar cómo aparecen y se propagan las grietas microscópicas dentro de la roca.

De poros diminutos a la fractura repentina

Los ensayos mostraron que el mármol sometido a compresión atraviesa una secuencia clara de etapas. Al principio se cierran pequeños poros y defectos, y la roca se deforma de forma elástica —vuelve a su forma si se elimina la carga. A medida que aumenta la carga aparece deformación permanente y, finalmente, la roca alcanza una resistencia máxima y falla. Con baja presión confinante, la falla es abrupta y frágil, dominada por grietas que se abren por tracción y parten la probeta a lo largo. Al aumentar la compresión lateral, tanto la resistencia como la ductilidad crecen: la roca soporta más carga y se deforma más antes de romperse, y la caída de resistencia tras el pico se vuelve más suave. Las simulaciones numéricas reprodujeron estos comportamientos, confirmando que los parámetros microscópicos elegidos capturaban la respuesta del mármol real.

Energía entrante, energía almacenada, energía liberada

Para entender por qué cambia el modo de falla, los autores siguieron cómo el trabajo mecánico aplicado a la roca se convierte en distintas formas de energía. Durante la carga inicial, la mayor parte de la energía de entrada se almacena como energía elástica y en los pequeños enlaces entre partículas. Cerca de la falla, la energía almacenada se convierte rápidamente en nuevas superficies de grieta, calentamiento por fricción y disipación a medida que las partículas se deslizan y separan. Con bajo confinamiento, esta liberación es brusca y repentina, coincidiendo con la fractura frágil. Un confinamiento mayor aumenta mucho la energía que el mármol puede almacenar y desplaza más energía hacia canales de fricción y amortiguación a medida que se forman zonas de corte. El resultado es una transición desde la fracturación dominada por tracción a un modo mixto y, finalmente, a una falla más conducida por corte y de tipo plástico que absorbe energía durante un intervalo más largo.

El papel oculto de la compresión lateral intermedia

Un foco clave del estudio es el esfuerzo “intermedio” —la compresión lateral que no es ni la mayor ni la menor. Los ensayos triaxiales reales y las simulaciones revelaron que este esfuerzo tiene una influencia no lineal y de doble filo. Un aumento moderado lo hace más resistente: fortalece la roca, retrasa el punto donde la disipación de energía alcanza su pico y fomenta bandas localizadas de corte en lugar de una fragmentación frágil generalizada. Pero si este esfuerzo intermedio se vuelve demasiado alto en comparación con el esfuerzo más bajo, el sistema vuelve a volverse inestable. La liberación de energía se hace más abrupta, aparecen nuevas zonas tensionales y el comportamiento general alterna entre frágil, dominado por corte y de nuevo hacia un estilo más frágil de falla.

Qué significa esto para la seguridad subterránea

Visto a través del prisma de la energía, el estudio muestra que la forma en que falla el mármol está gobernada no solo por la intensidad de la compresión, sino por el equilibrio entre las tres direcciones de esfuerzo y por las vías disponibles para almacenar y disipar energía. En formaciones profundas de mármol, una mayor presión circundante puede ser estabilizadora, permitiendo que las rocas absorban más energía antes de fallar, pero solo hasta cierto punto. Más allá de ese límite, ciertas combinaciones de esfuerzos pueden desencadenar grietas súbitas y violentas. Estas conclusiones proporcionan a los ingenieros una base más física para juzgar cuándo túneles y cavernas profundas en mármol se acercan a condiciones peligrosas, y apuntan hacia futuras herramientas de monitoreo que sigan los cambios energéticos, no solo los esfuerzos, para anticipar la inestabilidad.

Cita: Xie, L., Li, B., Sun, J. et al. Study on rock energy and microscopic failure under different stress states. Sci Rep 16, 12286 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41844-1

Palabras clave: mecánica de rocas, excavación subterránea, mármol, disipación de energía, esfuerzo triaxial