Investigación experimental sobre la rigidez dinámica por corte y las características de la relación de amortiguamiento de los suelos marinos en la bahía de Lingdingyang, China

Por qué importa el fondo marino para grandes obras costeras

Cuando imaginamos grandes cruces marítimos como el puente Hong Kong–Zhuhai–Macao, solemos fijarnos en torres, cables y tráfico. Pero la verdadera historia comienza bajo la línea de agua, donde capas de fangos blandos, arenas y arcillas sostienen silenciosamente toda la estructura y también transmiten las ondas sísmicas. Este estudio plantea una cuestión práctica con importantes implicaciones de seguridad y coste: ¿cómo se comportan estos suelos submarinos en la bahía de Lingdingyang cuando se agitan, y pueden los ingenieros predecir ese comportamiento sin recurrir a perforaciones y ensayos interminables y caros?

Mirando bajo el puente

Los investigadores examinaron el lecho marino debajo y alrededor del puente de cruce de mar en el mar de China Meridional, una zona con actividad sísmica moderada pero periódica. El fondo marino allí está lejos de ser uniforme. Consta de fangos superficiales blandos, capas más gruesas de arcillas marinas mezcladas con arena y capas arenosas más profundas, todas depositadas durante miles de años por ríos y mareas. Dado que estas capas controlan cómo se propaga el movimiento hacia las cimentaciones del puente, el equipo primero cartografió la velocidad a la que viajan las ondas de corte —vibraciones laterales similares a las de los terremotos— a distintas profundidades y tipos de suelo utilizando instrumentos bajados en sondeos offshore.

Encontrar mejores formas de predecir la velocidad de propagación

A los ingenieros les gusta describir la rigidez del suelo mediante la velocidad de onda de corte, una magnitud que suele aumentar con la profundidad a medida que el suelo se comprime más. Trabajos anteriores en tierra propusieron fórmulas sencillas que relacionan la profundidad con esta velocidad de ondas, y estas fórmulas se usan ampliamente en los códigos de diseño. Al comparar esas fórmulas con cientos de mediciones procedentes de 24 sondeos, los autores encontraron que funcionan razonablemente bien para las capas arenosas bajo la bahía: una ecuación curva, cuadrática, que usa solo la profundidad ofrece predicciones precisas para arena gruesa, arena fina y arena limosa. Pero el mismo enfoque falla para materiales cohesivos como las limos arcillosos y las mezclas de arcilla y arena, cuyo comportamiento también está determinado por la cohesión de los granos, la química del agua y la estructura microscópica.

Añadir el peso del suelo al modelo

Para resolver esto, el equipo propuso un nuevo método predictivo para suelos marinos cohesivos que combina la profundidad con la densidad húmeda natural del suelo —esencialmente cuán pesada es una unidad de volumen de sedimento in situ. Normalizando la velocidad de onda de corte por la densidad y ajustando una relación lineal sencilla con la profundidad, crearon una ecuación que captura cómo las arcillas más rígidas y densas en mayores profundidades transmiten ondas más rápido que las arcillas más blandas y ligeras cerca de la superficie. Las pruebas mostraron que este modelo de dos factores reduce sustancialmente los errores de predicción en comparación con las fórmulas existentes, no solo en la bahía de Lingdingyang sino también al verificarse con datos independientes de la bahía de Bohai. Para la ingeniería práctica, esto significa que se necesitan menos ensayos offshore para construir una imagen fiable de la velocidad de propagación del movimiento a través del lecho marino.

Cómo responden los suelos marinos blandos al agitado

La velocidad de onda por sí sola, sin embargo, solo cuenta parte de la historia. El fondo marino también se comporta de manera no lineal: bajo deformaciones pequeñas retorna casi de forma elástica, pero bajo sacudidas más fuertes se ablanda y absorbe más energía. Para explorar este comportamiento, los investigadores tomaron testigos cuidadosamente preservados de distintos suelos marinos a varias profundidades y los sometieron a ensayos en una columna resonante, que torsiona las muestras a amplitudes controladas. A partir de estos ensayos calcularon el módulo dinámico de corte (una medida de la rigidez durante la vibración) y la razón de amortiguamiento (cuánta energía se pierde en cada ciclo). En todos los tipos de suelo observaron un patrón común: al aumentar la deformación, la rigidez disminuye y el amortiguamiento aumenta, con los suelos marinos de Lingdingyang mostrando en general rigidez baja y amortiguamiento relativamente alto en comparación con muchos suelos terrestres.

La profundidad cambia el equilibrio entre blandura y resistencia

El equipo se preguntó luego cómo cambian estas propiedades con la profundidad de enterramiento. Hallaron que tanto los datos de campo como las medidas de laboratorio coinciden: la rigidez máxima a pequeñas deformaciones aumenta de forma continua a medida que los suelos se encuentran más profundos bajo el lecho marino, mientras que el amortiguamiento tiende a disminuir. En otras palabras, las capas profundas son más compactas y absorben menos energía. Usando una descripción matemática ampliamente adoptada de la no linealidad del suelo (el modelo de Davidenkov), descubrieron que los parámetros básicos que definen la forma de la curva permanecen casi constantes con la profundidad para cada tipo de suelo, pero la deformación característica que marca el inicio de la no linealidad fuerte crece de forma lineal conforme los suelos se profundizan. Esto significa que los sedimentos más profundos pueden tolerar amplitudes de sacudida mayores antes de comenzar a ablandarse notablemente, una tendencia que los autores capturaron con fórmulas sencillas dependientes de la profundidad y un conjunto de parámetros recomendados para distintas arenas y arcillas.

Qué significa esto para estructuras offshore más seguras

Para los no especialistas, la principal conclusión es que la resistencia y la capacidad de “absorber impactos” de los suelos marinos bajo grandes proyectos offshore pueden ahora predecirse con mayor fiabilidad mediante mediciones relativamente sencillas de profundidad y densidad. Las capas arenosas siguen una versión refinada de las fórmulas de profundidad anteriores, mientras que las arcillas requieren la nueva relación de dos factores introducida aquí. Junto con descripciones dependientes de la profundidad de cómo cambian la rigidez y el amortiguamiento durante la sacudida, estas herramientas ayudan a los ingenieros a construir modelos informáticos más precisos de cómo puentes, túneles y aerogeneradores anclados al lecho marino responderán a terremotos y oleaje, mejorando la seguridad y reduciendo la necesidad de costosas campañas de ensayo offshore.

Cita: Wu, Y., Qin, B., Fu, Y. et al. Experimental investigation of dynamic shear stiffness and damping ratio characteristics of marine soils in Lingdingyang Bay, China. Sci Rep 16, 13118 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42997-9

Palabras clave: ingeniería geotécnica marina, velocidad de onda de corte, sedimentos del fondo marino, comportamiento dinámico del suelo, respuesta del sitio ante terremotos