Los suelos expansivos son, generalmente, arcillas con alta plasticidad y presencia de minerales activos como la montmorillonita o esmectita, que experimentan importantes cambios de volumen en función de las variaciones de humedad. Cuando estos suelos absorben agua, las partículas arcillosas incorporan moléculas de agua en su estructura interna, produciendo un aumento de volumen o hinchamiento; por el contrario, cuando pierden humedad, el suelo se contrae y se retrae. Este comportamiento cíclico, asociado normalmente a cambios estacionales, lluvias, sequías o variaciones del nivel freático, puede generar movimientos diferenciales del terreno y tensiones significativas sobre las cimentaciones. En el caso de pilotes y cimentaciones profundas, el hinchamiento del terreno puede provocar esfuerzos de tracción y rozamientos ascendentes sobre el fuste, mientras que la retracción puede provocar rozamiento negativo y asientos. Debido a ello, los suelos expansivos representan uno de los problemas geotécnicos más complejos en el diseño de cimentaciones, especialmente en estructuras sensibles a deformaciones y movimientos diferenciales.

Para el diseño de cimentaciones profundas en suelos expansivos es fundamental caracterizar no solo la resistencia geotécnica del terreno, sino también su capacidad de experimentar cambios volumétricos y transmitir esfuerzos al pilote debido a las variaciones de humedad. Entre los parámetros más importantes se encuentran los índices de plasticidad y límite líquido, que permiten identificar el potencial expansivo del suelo, así como la mineralogía de las arcillas presentes. Resulta igualmente esencial determinar la presión de hinchamiento, el hinchamiento libre y la profundidad de la zona activa, es decir, la franja del terreno afectada por cambios estacionales de humedad. Desde el punto de vista resistente, deben conocerse la resistencia al corte sin drenaje (c_u), tanto en estado natural como tras saturación, la resistencia al corte en tensiones efectivas y las propiedades de deformabilidad del terreno. También es importante evaluar la variación de humedad y succión con la profundidad, ya que condicionan la evolución del fenómeno expansivo. Finalmente, en el diseño del pilote debe analizarse la interacción suelo–fuste, especialmente el rozamiento ascendente por hinchamiento y el rozamiento negativo por retracción, así como la capacidad resistente del tramo “anclado” o empotrado en estratos no expansivos.

Uno de los aspectos más difíciles de todo el problema de los suelos expansivos es la definición de la zona activa, que nunca es exacta, porque depende del clima, del tipo de arcilla, de la permeabilidad del terreno, de la vegetación, de la topografía, de la presencia de agua y del estado inicial de humedad del suelo. En términos geotécnicos, la zona activa se define como la profundidad máxima a la que se producen variaciones significativas de humedad estacional capaces de generar cambios volumétricos en el terreno. Dicho de otra forma, es la franja del terreno donde el suelo «vive» los ciclos de humectación y desecación y, por tanto, donde pueden desarrollarse fenómenos de hinchamiento y retracción.

En la práctica se adopta una profundidad razonable porque el fenómeno presenta una gran variabilidad temporal y espacial. En España, la mayoría de las recomendaciones técnicas suelen situar la zona activa entre aproximadamente 2 y 4 m, siendo muy frecuente adoptar valores del orden de 3 m. En zonas especialmente secas, con arcillas muy activas o presencia de vegetación importante, puede alcanzar profundidades mayores. Pero en otras regiones del mundo los valores pueden ser considerablemente superiores, como en Texas y el centro-sur de Estados Unidos se pueden alcanzar los 10 m.

Por ello, en proyectos importantes, no es recomendable adoptar un valor genérico sin un estudio específico de humedad y succión, ya que la profundidad de la zona activa controla directamente la longitud del pilote sometida a rozamiento ascendente y, por tanto, la magnitud de las fuerzas de levantamiento que pueden desarrollarse sobre la cimentación.

Aunque el fenómeno expansivo del terreno está asociado a la generación de presión de hinchamiento, en el cálculo de pilotes y cimentaciones profundas no se utiliza directamente dicha presión como acción sobre el fuste, sino la resistencia al corte sin drenaje del suelo (c_u). Esto se debe a que el mecanismo de interacción suelo–pilote es fundamentalmente un problema de transmisión de esfuerzos tangenciales en la interfaz, es decir, de rozamiento lateral, y no de presión normal directa. El suelo expansivo, al hidratarse, desarrolla presiones laterales contra el pilote, pero la carga que realmente puede transmitir al fuste queda limitada por su capacidad resistente al corte. En consecuencia, el esfuerzo máximo movilizable en la interfaz suelo–pilote está controlado por la resistencia cortante del terreno y no por la magnitud total de la presión de hinchamiento. Por ello, en la práctica geotécnica se emplean formulaciones del tipo:

donde frepresenta la tensión tangencial transmitida al pilote (en hinchamiento o retracción) y alfa el coeficiente de adherencia entre suelo y fuste. De este modo, la presión de hinchamiento actúa como origen del fenómeno, mientras que la resistencia al corte sin drenaje define el límite real de carga que el terreno puede transferir al pilote.

Los resultados experimentales obtenidos a partir de pilotes instrumentados muestran que las fuerzas inducidas por el hinchamiento y la retracción pueden ser muy significativas, incluso en ausencia de cargas estructurales importantes, y que el mecanismo dominante es el desarrollo de esfuerzos tangenciales a lo largo del fuste. En condiciones de hinchamiento, los valores de alfa obtenidos experimentalmente se sitúan aproximadamente en torno a 0,5 cuando se emplea la resistencia no drenada del suelo en estado natural, mientras que pueden alcanzar valores próximos a 1,0 cuando se considera la resistencia tras inundación o saturación (La humectación puede reducir la resistencia del suelo por pérdida de succión y cambios en su estructura). Para los fenómenos de retracción y rozamiento negativo, los resultados indican igualmente valores cercanos a 1,0 llegando incluso a observarse esfuerzos más elevados que en los procesos de hinchamiento.

Los estudios e investigaciones recientes (“Uplift Load Monitoring for Two Bored Piles in Shrink-swell Soil” – Briaud & Sfeir (2025)) ponen de manifiesto que la retracción del terreno puede resultar tan crítica o incluso más que el propio hinchamiento, especialmente debido a los ciclos repetidos de humedad y sequedad. Algo que siempre hemos tenido en mente y con este estudio parece que se confirma. En consecuencia, recomiendan adoptar enfoques conservadores en el diseño, considerar explícitamente la zona activa de variación de humedad y evaluar el comportamiento resistente del suelo en condiciones saturadas, ya que el estado hídrico inicial del terreno condiciona de forma decisiva las fuerzas transmitidas al pilote.

Para profundizar puedes consultar estas referencias:

Briaud J.-L., and Sfeir J. (2025). «Uplift Load Monitoring for Two Bored Piles in Shrink-swell Soil«.  International Journal of Geoengineering Case Histories, Volume 8, Issue 3, p. 55-70, doi: 10.4417/IJGCH-08-03-04 

Yunlong Liu & Sai K. Vanapalli (2015). “Estimation  of  uplift  shaft  friction  for  a  single  pile  in  expansive  soil  using  the  mechanics  of  unsaturated soils “ GeoQuébec 2015. https://www.cgsconferences.ca/en/GEO2015/GEO2015_proceedings.html