EVOLUCIÓN DE LAS CIMENTACIONES DE EDIFICACIONES EN LA CIUDAD DE MÉXICO

E. Santoyo*; E. Ovando**; J. A. Segovia***

RESUMEN.- La ciudad de México y su antecesora la destruida Tenochtitlán suman hoy 673 años de desarrollo urbano continuo, sobre un subsuelo arcilloso tan blando que alguien lo calificó como un “fango estructurado”, donde el reto de cimentar estructuras empezó con los grandes templos aztecas y ahora se plantea en los más recientes edificios. Este dilatado proceso ha dejado una notable experiencia, que primero fue un arte y hoy es un conocimiento geotécnico. En este trabajo se ilustra esa experiencia a través de casos de cimentaciones de importantes monumentos y conocidos edificios de la ciudad. En todos los casos se muestra que su comportamiento se ha visto profundamente afectado desde mediados del siglo pasado por el grave problema del hundimiento regional, provocado por la extracción de agua del subsuelo. Este fenómeno ha causado el descenso del centro histórico en casi 8 metros, y además, induce asentamientos diferenciales que inclinan y distorsionan a muchas estructuras, entre ellas valiosos monumentos del Patrimonio Cultural. Este comportamiento del subsuelo se podría decir que ha impulsado a los técnicos en dos corrientes: la simplista, que soslaya el problema y supone que los problemas futuros serán menores y la comprometida, que se empeña en buscar soluciones ingeniosas, aunque no siempre tienen la eficacia deseable. En este trabajo se describen esas soluciones, las cuales se encausan en los siguientes criterios: a) diseñar nuevas cimentaciones con pilotes o pilas apoyados en estratos profundos, exentos del problema de hundimientos diferenciales; b) recurrir a la subexcavación de cimentaciones para corregir los asentamientos diferenciales; c) recimentar estructuras mediante pilotes con mecanismos de control que permitan uniformizar los futuros hundimientos; y d) endurecer diferencialmente a las arcillas blandas, técnica que apenas se está iniciando, pero que sin duda permitirá reducir la importancia de los daños inducidos por los asentamientos diferenciales.

1.- INTRODUCCIÓN La ciudad de México y su antecesora Tenochtitlán suman 673 años de desarrollo urbano, en un valle de subsuelo arcilloso tan blando que alguien lo calificó como un “fango estructurado”. En ese prolongado período las muchas generaciones de constructores aprendieron por ensaye y error una notable tecnología de cimentaciones, proceso que hoy puede ser conceptualmente comprendido en sus cinco principales períodos de evolución: a) El azteca, en el que se construyeron notables y enormes templos sobre grandes plataformas apoyadas sobre pilotes someros, así como grandes rellenos artificiales para la zona habitacional y una red de calzadas de acceso a la ciudad, sobre terraplentes y bordos de control de las aguas. * Ingeniero civil. ** Ingeniero civil. *** Ingeniero civil.

b) El colonial, en la que intuitivamente se aprovecharon las zonas preconsolidadas por las construcciones aztecas y sobre sus restos se montaron las iglesias cristianas y las mansiones de los conquistadores. c) El independiente a republicano, período con reducido empeño constructor por las luchas internas, las invasiones norteamericana y francesa de 1846 y 1862 y finalmente la Reforma del Estado de 1873. Por todas estas convulsiones la construcción fue una actividad muy limitada. d) El porfirista, en el que se activó intensamente la construcción a partir de 1877, se desarrollaron zonas habitacionales, numerosos edificios públicos y privados, teatros, instalaciones ferrocarrileras y portuarias; todos con gran influencia europea. e) El contemporáneo, posterior a la revolución de 1910, que en el campo de las cimentaciones se podría definir, a partir de la década de los años 30, con la construcción de muchos edificios altos. En este lapso ocurrieron los sismos de 1957 y de 1985; tales daños causaron a la ciudad, que después de ambos se modificó la normatividad para incrementar la seguridad en el diseño y construcción de las cimentaciones. La última modificación es de 1993 y ahora se acepta que los reglamentos deben revisarse permanentemente.

En este escrito se resume la experiencia geotécnica de la ciudad de México, a través de los más ilustrativos casos de cimentaciones de cada una de las cinco etapas antes mencionadas. Las dos últimas condicionadas, desde mediados del siglo pasado, por el grave problema del hundimiento regional provocado por la extracción de agua del subsuelo, fenómeno que ha causado el descenso del centro histórico en casi 8 metros y que induce asentamientos diferenciales que inclinan y distorsionan a muchas estructuras, entre ellas valiosos monumentos del Patrimonio Cultural. 2.- CARACTERÍSTICAS DEL SUBSUELO LACUSTRE La ciudad de México se ubica en un valle del altiplano, las montañas y serranías que lo circundan son todas de origen volcánico con puertos entre 2.250 y 3.500 msnm. Hay numerosos picos, uno de 5.465 m. El área del valle es de 9.500 km2 y la planicie interior de 4.500 km2, de la que sobresalen dos serranías de volcanes recientes. La geología se ilustra en la Fig. 1 mediante un diagrama geológico elaborado por Federico Mooser (1998), donde se advierten los lagos de aguas dulces y salobres, los cuales en la época diluvial se unieron en un gran lago de más de 80 por 50 km.

Figura 1. Geomorfología del Valle de México según F. Mooser. La ciudad tiene una elevación media de 2.240 m, su base es un relleno aluvial y lacustre de 200 a 300 m de espesor, en la parte superior de estos rellenos se encuentran las Formaciones de Arcillas Lacustres, la más superficial o Primera, de unos 30 m de espesor, es la más blanda y deformable, Abajo de la Capa Dura se encuentra la Segunda Formación menos blanda y más abajo se tienen al menos otras dos Formaciones Arcillosas de mayor consistencia. El manto acuífero con aguas potables se encuentra de 100 a 3OO m de profundidad. La estratigrafía de los primeros 60 m del subsuelo se presenta en la Fig. 2, en ella se aprecian los estratos más característicos del subsuelo.

Figura 2. Corte estratigráfico oriente-poniente de la Ciudad de México 3.- DEFORMABIUDAD Y HUNDIMIENTO REGIONAL

Deformabilidad natural de las arcillas. Las arcillas en su condición original están normalmente consolidadas, tienen un contenido de agua típico de 350 a 500 % y relaciones de vacíos de 8 a 9; esto les da una deformabilidad tan grande que pueden reducir su espesor hasta en más del 30 %, lo cual conduce a que en conjunto las dos formaciones arcillosas potencialmente puedan experimentar asentamientos totales del orden de 20 m. Hundimiento regional medido. A partir de la segunda mitad del siglo pasado se empezaron a advertir los efectos de los hundimientos, como inundaciones locales. A principios de siglo las nivelaciones topográficas confirmaron que la ciudad se hundía. Para ese entonces la explotación de pozos profundos para la extracción de agua creció para satisfacer la demanda. La evolución de los hundimientos con el tiempo se ilustra en la Fig. 3; en ella se advierte que a la velocidad del hundimiento a finales de la década de los cincuenta, el centro de la ciudad se hundía entre 30 y 40 cm/año y por ello se decreta la veda para la explotación de nuevos pozos. Las velocidades de hundimiento disminuyeron temporalmente, sin embargo, a principios de la década de los años ochenta vuelven a abrirse nuevos pozos, esta vez en las márgenes del lago, y se reanuda intensamente el hundimiento. Hoy el hundimiento acumulado medio en el centro histórico es de unos 8 m.

Figura 3. Asentamiento regional en la torre poniente.

Hundimientos futuros. La evaluación de los hundimientos que todavía se podrán presentar en el centro histórico permiten predecir que se podrán desarrollar hundimientos de 3,5 a 5 m en los próximos 70 años. Estos asentamientos siempre causan deformaciones

diferenciales en las estructuras, lo cual implica que numerosos edificios tendrán crecientes problemas de comportamiento y de seguridad (Tamez 1992). 4.- SIGLO XV. PERÍODO AZTECA La Tenochtitlán de los aztecas fue fundada en 1325 en una pequeña isla del lago somero; en sus casi 200 años de vida creció hasta tener más de 100.000 habitantes gracias a los grandes rellenos que se realizaron para ampliar el tamaño de la isla y también para sobreelevarla, con el propósito de protegerla de las frecuentes inundaciones. La profunda religiosidad de los aztecas les impulsó a levantar sus notables templos de geometría piramidal, para los cuales adoptaron dos modelos estructurales. Unos eran simples montículos de adobes de lodo, otros tenían en su interior una retícula de muros de piedra, que conminaban a los rellenos de arcilla compactada. En ambos casos las caras externas se recubrían con piedras para dar forma arquitectónica, las cuales se unían con excelentes morteros de cal y arenas puzolánicas. Finalmente el exterior del templo lo cubrían con estuco decorado con murales policromos. 4.1- TEMPLO MAYOR El recinto religioso de Tenochtitlán estaba rodeado por un terraplén-muralla o Coatepantli que tenia unos 300 por 350m. En su interior había por lo menos 5 grandes templos, el más importante era el dedicado a Huitzilopochtli y Tláloc, llegó a tener en la base 100 por 80 m y posiblemente 36 de altura. A esta estructura hoy se le conoce como el Templo Mayor, de su exploración se sabe que tiene siete etapas constructivas superpuestas, consecuencia de la tradición azteca de construir nuevos templos sobre plataformas de relleno y montados a los que ya existían, Fig. 4 (Marquina, 1964 y Matos, 1982). Se podría especular que la deformación por consolidación de las arcillas obligó a los aztecas a reforzar sus pirámides mediante los muros mencionados, aún así, los asentamientos afectaban su geometría y funcionalidad (Mazari et al, 1984). Así a la tradición religiosa de engrandecer los templos cada 52 años, se unía la necesidad práctica de repararlos.

Figura 4. Templo Mayor.

Las exploraciones del Templo Mayor han permitido observar las estacas de cimentación que se hincaron para eliminar la deformabilidad del fango del lago. De unos 3 m de longitud, las estacas trasmitían las cargas de la estructura a la Costra Superficial que subyace al fango del lago. 4.2- ASPECTOS GEOTÉCNICOS La construcción de templos aztecas fue posible en virtud de que se trató de un proceso gradual, en el que la arcilla se consolidó bajo el peso del relleno inicial de la plataforma y de cada una de las siete etapas de carga; consecuentemente la resistencia al corte de la arcilla aumentó hasta ser capaz de sostener el peso final del Templo Mayor, de más de 500 kPa. La suma de los hundimientos, verdadera penetración del relleno y estructuras en la arcilla, se estima en cerca de 15 m (Mazari et al, 1984). 5.- SIGLOS XVI A XVIII. PERÍODO COLONIAL La ciudad colonial se fundó sobre los restos de la azteca. Las construcciones más importantes fueron los grandes templos cristianos, que como regla general se construyeron sobre los terrenos previamente ocupados por los templos prehispánicos, que fueron demolidos y en varios casos aprovechados como cimientos. También fue usual que los materiales recuperados fueran aplicados en las nuevas construcciones (Mazari y Santoyo, 1997). En este período las inundaciones causaron grandes daños a las construcciones; la de

1629 prácticamente destruyó a la ciudad. Sin embargo, cuando terminó en 1634, la ciudad fue reconstruida en el mismo sitio. Dos de las más interesantes estructuras coloniales, desde el punto de vista geotécnico, son el templo de San Agustín y la Catedral, ambas concebidas por el alarife Claudio de Arciniega, con ingeniosas cimentaciones. 5.1- TEMPLO DE SAN AGUSTÍN 5.1.1.- Información geotécnica San Agustín fue un convento de grandes dimensiones, cuya construcción comenzó probablemente en 1540 en una zona pantanoso donde existía un cementerio azteca. En la actualidad sólo quedan la nave principal, la capilla anexa y la sacristía, las dos primeras se transformaron en 1890 en la Biblioteca Nacional. Cimentación del Templo. Esta constituida por una retícula de trabes de mampostería aligeradas con arcos, sobre estacas de madera, Fig. 5. Las de menor dimensión se ubican en el eje longitudinal y bajo la nave central tienen arcos muy rebajados que unen las pilastras transversalmente, por lo que concentra las cargas en cada una de ellas. La retícula de arcos de cimentación tiene una altura que va de 3 m en la parte nororiente a 4 m en la parte surponiente. Los muros que cierran las capillas laterales funcionan como contrafuertes interiores y se apoyan sobre 'zapatas' de mampostería, al igual que los muros perimetrales. Las crónicas mencionan que el templo sufrió desplomes y un incendio, lo que obligó a su reconstrucción, la geometría de la cimentación permite inferir que también se recimentó.

Figura 5. Isométrico tentativo de la cimentación de la ex-Biblioteca Nacional.

Deformaciones de la estructura. Las inclinaciones de las pilastras del Templo de 17,5 m de altura en la dirección norte-sur varían del 0,2 al 2% y en la dirección este-oeste del 3 al 5,4%. Por su parte, el centro de la cúpula está desplazado del centro de pilastras 1,31 m hacia el poniente y 0,31 m hacia el sur, equivalente a un desplomo del 3,4%; por lo que respecta al centro de la cúpula de la capilla ha tenido un movimiento de 0,85 m hacía el poniente y de 0,20 m hacia el sur, equivalente al 3.3% del desplomo.

Velocidades de asentamientos diferenciales. Las menores se registran al oriente del Templo y crecen hacia el poniente, hasta alcanzar en la esquina surponiente de la Capilla una velocidad de deformación de 14.7 mm/año. En la Fig. 6. Se muestran los hundimientos diferenciales acumulados y se anotan las velocidades de deformación anual, consecuentes del hundimiento regional registrado en el sitio de 10 cm/año.

Figura 6. Curvas de igual velocidad de hundimiento diferencial en mm/año para el periodo 09-sept-78 al 20-sept-95.

Hundimientos futuros para el período 1996-2016. La predicción de asentamientos para la disminución piezométrica futura, permite afirmar que el muro oriente del Templo descenderá en promedio 0,6 m mientras que el muro Poniente de la Capilla lo hará 1,6 m. Por su parte, el extremo norponiente del jardín se asentará del orden de 2,10 m. 5.1.2.- Diagnóstico geotécnico Estos asentamientos provocarán incrementos en los desplomos de las pilastras a valores cercanos al 5,0%, con el consecuente incremento de fisuras en la estructura y sobre todo la disminución de la seguridad del edificio, por ello se hace necesario adoptar alguna acción que al menos reduzca la magnitud de estas intolerables deformaciones. Se han estudiado dos alternativas posibles, la instalación de 240 pilotes de control, y la que se ha decidido adoptar, que consiste de endurecer su subsuelo con la técnica que se expondrá más adelante.

5.2.- CATEDRAL METROPOUTANA 5.2.1.- Información geotécnica La Catedral se construyó a partir de 1573 sobre los restos de varias estructuras aztecas, Fig. 7. Se trata de un templo de cinco naves: la central está limitada por 16 columnas y dividida por el coro en dos tramos; a sus lados corren las dos procesionales a lo largo del templo, entre las columnas y las capillas; finalmente, la nave de capillas está definida por los muros del perímetro y por gruesos muros perpendiculares. La gran cúpula central gravita en cuatro columnas. Las dos grandes torres alcanzan 60 m de altura. Las dimensiones generales del templo son: ancho 60,6 m y longitud 122,26 m. El peso total de la estructura es de 1.270 MN y la presión que transmite al subsuelo del orden de 172 kPa. La descripción detallada sobre la Catedral se encuentra en la referencia Tamez et al. (1992).

Figura 7. Templos y estructuras aztecas bajo la Catedral y Sagrario. Asentamientos durante la construcción. La preconsolidación no uniforme inducida al subsuelo por las estructuras aztecas, es la causa de los asentamientos diferenciales que la Catedral ha sufrido desde el inicio de su construcción. Estas deforrnaciones inicialmente se compensaron modificando la altura de las columnas y muros hasta en 85 cm, para nivelar el arranque de las bóvedas. Se recurrió también a artificios arquitectónicos para disimular el efecto visual de los asentamientos, como fue darle a las cornisas alturas variables y utilizar, en las dos torres, bloques acuñados de cantera que gradualmente disminuyen de espesor. Corte estratigráfico ilustrativo. El subsuelo bajo la Catedral es complejo, en la Fig. 8 se advierte que en la zona entre ambos templos presenta mayor resistencia, como consecuencia de la mayor concentración de cargas: de los templos aztecas, del relleno

arqueológico y de los dos pesados templos coloniales. En cambio hacia ambos lados del corte se observa que la resistencia es casi la mitad de la primera. Esta variación ha provocado que la Catedral se incline manifiestamente hacia el poniente y el Sagrario lo haga hacia el oriente.

Figura 8. Estratigrafía del sitio y desniveles en la superficie. Deformaciones en el subsuelo. Con información de sondeos de cono eléctrico se definió el contacto del relleno con la costra natural, superficie originalmente plana que por la consolidación inducida por las pirámides aztecas que se construyeron en el área, sufrió depresiones de hasta 10 m de profundidad que se ilustran en la Fig. 9.

Figura 9. Superficie de contacto entre el relleno artificial y la costra superficial natural.

Niveles piezométricos en el año de 1990. Las variaciones de los niveles piezométricos con la profundidad se muestran en la Fig. 10; se observa que entre 0 y 20 m de profundidad existe una tendencia hacia la hidrostaticidad, que a partir de los 26.7 m comienza a registrarse pérdida de presión, del orden de 180 kPa; en la Capa Dura a los 37,0 m, así como en los depósitos profundos a los 50,5 m el abatimiento es de 120 kPa. En la misma figura se muestran dos predicciones de la posible condición piezométrica a largo plazo.

Figura 10. Predicciones del abatimiento piezométrico. Configuración de hundimientos diferenciales. Los asentamientos diferenciales acumulados desde 1573, al inicio de la construcción, hasta 1907 y finales de 1989, se presentan en la Fig. 11. En la segunda se advierte que el hundimiento diferencial máximo de 2,40 m entre el ábside y la torre poniente.

Figura 11. Evolución histórica de asentamientos diferenciales. Distribución de los asentamientos. En la Fig. 12. se aprecian los asentamientos medidos en los bancos de nivel profundo instalados en el atrio poniente de la Catedral y la contribución en porcentaje de los principales estratos compresibles: la Formación Arcillosa Superior aporta el 54%, la Inferior el 15% y las Arcillas Limosas Profundas del tercer lago el 31%.

Figura 12. Distribución de hundimientos medidos en octubre de 1991.

5.2.2.- Diagnóstico geotécnico Nivelaciones topográficas de precisión en la Catedral y en el Sagrario realizadas ente el 7 de enero y el 2 de septiembre de 1991, definen la configuración de las velocidades de hundimiento, Fig. 13. La torre poniente se hundía 17 mm cada año, respecto a la parte central de la nave, la esquina sur oriente del Sagrario se hundía cada año 16 mm, respecto a su parte central y el museo descendía 27 mm respecto al altar mayor.

Figura 13. Configuración de velocidades anuales, mm/año mediciones del 7 Ene 91 (N20) al 2 Sep 91 (N28).

Predicción de asentamientos diferenciales futuros. En la Fig. 14 se muestra la predicción del asentamiento diferencial futuro, considerando que no existirá recarga de los acuíferos. Definiendo el punto C-3 como referencia cero, el diferencial acumulado en la torre poniente llegaría a 3,2 m o 4,2 m en el oriente, para cada predicción; por su parte, para el Sagrario, el diferencial medio entre la zona central y las esquinas sería de 1,2 m.

Figura 14. Hundimientos futuros en cm. Alternativas de solución estudiadas. De los resultados anteriores, se concluyó que las distorsiones que tenían las estructuras, sumadas a las que provocará el hundimiento regional, hubieran generado una condición de esfuerzos que pondría en riesgo la estabilidad de los templos. Se analizó enfrentar esas deformaciones futuras mediante la instalación de 1.500 pilotes de punta a la Capa Dura o 240 pilas también de punta a los Depósitos Profundos, pero la imposibilidad constructiva de realizarlas llevó a proponer la subexcavación para reducir los diferenciales acumulados a 1991 y hacer tolerables los futuros diferenciales. 5.2.3.- Proceso de subexcavación La subexcavación tiene como objetivo corregir los desniveles y desplomos, haciendo descender las partes altas respecto a las bajas, mediante la extracción lenta y controlada del suelo en que se apoya la cimentación. Esto se logra haciendo perforaciones radiales de pequeño diámetro, ejecutadas desde lumbreras que permiten el acceso a la frontera superior de la Formación Arcillosa Superior, ubicadas a profundidades de 15 a 22 m. Lumbreras de acceso. En la Fig. 15 se observa la distribución de lumbreras para realizar la subexcavación, el volumen de suelo extraído en las 30 lumbreras fue de 4.200 m3.

Figura 15. Lumbreras para la subexcavación. Corrección geométrica alcanzada. En la Fig. 16 se observan los asentamientos correctivos inducidos a finales de junio de 1998 en la Catedral y Sagrario Metropolitanos; como indicadores generales se advierten una corrección de 98 cm en la Catedral y de 30 cm en el Sagrario. Es interesante mencionar que esta configuración de asentamientos es muy semejante a la meta estructural.

Figura 16. Configuración de hundimientos correctivos logrados a la conclusión de la subexcavación, junio de 1998.

Plomada de referencia. La imposibilidad de que los visitantes adviertan a simple vista las correcciones inducidas por la subexcavación, hizo conveniente instalar una plomada indicadora de los movimientos de la cúpula central, Fig. 17. En esa figura se tiene que a junio de 1998 se han recuperada 31 cm de desplomo.

Figura 17. Reconstrucción de la trayectoria del desplomo de la cúpula.

5.2.4.- Futuro de la catedral Las correcciones logradas con la subexcavación después de casi cuatro años y medio desde su inicio permitieron alcanzar las metas estructurales propuestas. Al detenerse la extracción de suelo, el hundimiento regional reanudará la generación de hundimientos diferenciales nocivos. Originalmente se había considerado que la subexcavación debería utilizarse periódicamente para reducir los nuevos hundimientos que aparecieran después de más de 25 años. A mediados de 1997 se inició una investigación experimental de la inyección de morteros para reducir la compresibilidad de las arcillas, complementada con estudios teóricos así como pruebas de campo y laboratorio. En diciembre de 1997 se inició una prueba de

inyección en el atrio sur de la Catedral, cuyos resultados satisfactorios han justificado realizar una primera campaña de inyección del subsuelo, para injertar una estructura de refuerzo al subsuelo integrada por núcleos cilíndricos reductores de la deformabilidad, complementados con láminas laterales inyectadas en incrementos graduales. Figs. 18 y 19.

Figura 18. Ubicación de los núcleos en el subsuelo.

Figura 19. Núcleo con láminas laterales de mortero inyectado.

En la Fig. 20 se muestra la meta de inyección que ha sido propuesta, la cual se logrará en tres campañas de inyección, que serán controladas mediante el Método Observacional, para confirmar paso a paso los beneficios del tratamiento del subsuelo.

Figura 20. Propuesta de endurecimiento del subsuelo de la Catedral y Sagrario Metropolitanos. 6.- MEDIADOS DEL SIGLO XIX. PERÍODO INDEPENDIENTE A REPUBLICANO. Entre 1840 y 1888 la construcción de edificios fue muy limitada, sin embargo, es el período en el que se inicia el diseño racional de las cimentaciones con el liderazgo de los arquitectos Lorenzo de la Hidalga y Javier Cavalari, así como del Ing. Gonzalo Garita (Katsman, 1993). Los tres comprendieron que una carga de 50 kPa era la capacidad máxima del subsuelo de la ciudad e impulsaron soluciones de cimentación mediante losas que ampliaran el área de contacto y redujeran los esfuerzos a valores tolerables. Arq. Lorenzo de la Hidalga. Fue un activo constructor de origen español que en 1843 levantó en la calle de Bolívar el Teatro Santa Anna y que después cambió de nombre a Teatro Nacional. La cimentación fue una ingeniosa capa de arena que sustituyó la parte superior del subsuelo y que colocó en áreas reducidas confinadas con madera, basó su diseño en el ángulo de distribución de los esfuerzos y por ello logró una ampliación en la distribución de la carga (Téllez Pizarro, 1899). En su tiempo fue muy discutida su solución, pero el edificio permaneció en buenas condiciones hasta que fue demolido 60 años después.

Debe aclararse que el sitio estuvo previamente consolidado por el convento de los Betlehemitas. De la Hidalga diseñó y construyó la cimentación piloteada o zócalo de lo que iba a ser la Columna de la Independencia en la Plaza Mayor, por lo que después el nombre popular de dicha plaza cambió a Zócalo. Arq. Javier Cavalari. Vino de Italia en 1857 y permaneció en el país durante 7 años para enseñar procedimientos de construcción en la Academia de San Carlos (Téllez Pizarro, 1899). Tuvo dos importantes contribuciones técnicas: a) se empeñó en realizar nivelaciones topográficas para demostrar que la ciudad se hundía por consolidación del suelo y b) divulgó el empleo de la mezcla terciada de cal viva, ladrillo triturado y tierra para la construcción de plataformas de cimentación, que incluso se podían fabricar bajo agua. Ing. Gonzalo Garita. Fue un ingeniero militar que diseñó importantes cimentaciones, entre ellas dos edificios comerciales del centro histórico, El Centro Mercantil y el Palacio de Hierro, para los cuales utilizó zapatas de mampostería con dalas de hormigón reforzado con rieles de ferrocarril. La cimentación de la casa Boker, mediante una losa de hormigón reforzado con perfiles de acero. fue un trabajo pionero en 1898 de lo que se conocía como el método de cimentación Chicago, Fig. 21. Más tarde colaboró con el Arq. Rivas Mercado para diseñar la segunda cimentación de la Columna de la Independencia.

Figura 21. Cimentación tipo steel grillage, dibujo copiado de un informe de Adamo Boari.

7.- FINALES DEL XIX Y TERCIO DEL XX. PERÍODO PORFIRISTA En ese lapso la ingeniería de cimentaciones tuvo fracasos, que terminaron por transformarse en importantes aportes técnicos. De los muchos e interesantes casos de cimentaciones realizadas desde finales del siglo pasado se describen dos casos que son particularmente ilustrativos: el del Teatro Nacional, conocido ahora como Palacio de Bellas Artes y el de la columna de la independencia.

7.1.- COLUMNA DE LA INDEPENDENCIA 7.1.1.- Antecedentes En 1899 se asignó al Arq. Antonio Rivas Mercado el diseño y dirección de la construcción de este monumento; la cimentación fue una losa de hormigón reforzada con una doble parrilla de perfiles de acero, cuyas dimensiones en planta fueron 21 por 21 m, posiblemente de 1,6 m de espesor. El conjunto cimentación y estructura pesaba 50 MN (con la aclaración que “se le restó” 0,6 MN, a fin de calcular el trabajo de flexión del hormigón), lo que conduce a un esfuerzo en el contacto de casi 100 kPa, valor que duplicaba el esfuerzo que se consideraba máximo permisible en ese tiempo (Sánchez Mejorada de Gil, 1990). El trabajo de construcción de la cimentación y del pedestal se llevó a cabo entre marzo de 1903 y enero de 1906. Cuando la Columna estaba casi a la mitad de su altura, 20,5 m, se inclinó 2º (3,5%). Por ello se encargó a un grupo de ingenieros encabezado por Gonzalo Garita evaluar el problema. Su recomendación fue desmontar la Columna, demoler la losa cimentación e implementar una nueva solución (Blair, 1997). En julio de 1907 se inició el desmontaje de los bloques de mármol de la Columna, después se demolió la base de hormigón reforzado con explosivos. Cimentación definitiva. Consta de unos 4.654 pilotes de madera con cabeza de hormigón y una ataguía perimetral de acero. Posterior a la demolición se realizó una excavación circular de 46 m de diámetro y 3,5 m de profundidad; dentro de ella se hincó la tablestaca formando un círculo de 44 m de diámetro, empleando para ello 474 piezas de acero de 8,0 m de altura, 30 cm de ancho, las cuales se hincaron 50 cm por debajo del nivel de excavación, con lo que sus puntas quedaron a 12 m de profundidad del nivel de la calle, Fig. 22.

Figura 22. Columna de la independencia. Pilotes de madera. Son de ciprés americano importado de 30 cm de diámetro sin corteza, el primer tramo de cada pilote tenía 7 m y los demás 3,5 m en promedio; se unieron con juntas de pasador. Para cada pilote se registró la profundidad de hincado, el número de golpes del martillo de 2.000 libras (9 kN), la longitud de cada pieza, las alturas de caída del martillo, las penetraciones valuadas en pulgadas y las resistencias dinámicas en toneladas. Una vez que cada pilote de madera alcanzaba la resistencia necesaria, se extraían el último o los dos últimos tramos, para sustituirlos con pilotes cortos de hormigón, de 30 cm de diámetro y un metro de longitud.

Longitud de pilotes. En los registros de construcción se consigna que con dos máquinas se hincaron: 98.043 km de pilotes de madera y 9.477 km de hormigón (Boletín Oficial 1909). Bloque de hormigón. Para ligar a los pilotes se colocó un cilindro de hormigón de 44 m de diámetro y 0,42 m de altura; para ello se terraplenó el espacio libre entre los pilotes, hasta 2 cm abajo del nivel de las cabezas, tendiéndose enseguida dos capas de hormigón apisonado de 0,10 m de espesor; a ese nivel aproximadamente se doblaron las extremidades de las diferentes barras de fierro y después se completó el cilindro. Sólido de repartición depresiones. Establecido el bloque de tapa de los pilotes de hormigón, se formó el sólido de repartición de presiones de hormigón, reforzado con una retícula de perfiles de acero, que consiste en: a) Un cilindro recto de base circular de 44 m de diámetro y 1 m de altura. b) Un tronco de cono recto, de base inferior igual a las de dicho cilindro y cuya base superior tiene 21,2 m de diámetro y de altura 0,95 m. e) Un segundo cono de tronco recto, de base inferior igual a la última de las citadas, de 1,55 m de altura y cuya base superior tiene 19,6 m de diámetro. 7.1.2.- Seguridad de la cimentación Se evaluó la seguridad de la cimentación, para la geometría definitiva y los valores de cargas y las condiciones de esfuerzo que resultan de ellas. Aplicando los criterios convencionales para pilotes de 23 m trabajando apoyados de punta en la Capa Dura, e incluyendo el efecto de la fricción negativa en el perímetro envolvente de los pilotes, conducen a un Factor de Seguridad de 36; este valor resulta absurdo, porque el exceso de pilotes transforma al suelo en un sólido reforzado que se apoya en la Capa Dura. Considerando que el conjunto de pilotes transmita una carga de 250 kPa y que la capacidad de carga de las arcillas inferiores a la Capa Dura es del orden de 1.000 kPa, el factor se reduce a un valor de 4. 7.1.3.- Comportamiento del monumento Como consecuencia del desplante de los pilotes en al Capa Dura y de su elevada densidad, con separación entre ellos de 61 cm, se eliminó por completo la aportación que la deformabilidad de la Formación Arcillosa Superior pudiera aportar al monumento. Por ello el hundimiento regional se manifiesta en toda su magnitud, aunque sufre las deformaciones que ocurren en los estratos más profundos. Esta condición origina que el monumento tenga menor asentamiento que todos los edificios que lo circundan y por ello parece emerger y crecer lo cual se disimula con un jardín en talud, que también incremento el peso sobre la cimentación. Actualmente el talud tiene 2,16 m de altura y sin duda seguirá creciendo. A pesar de todo esto, la seguridad del monumento seguirá siendo confiable. 7.2.- PALACIO DE BELLAS ARTES 7.2.1.- Antecedentes Lo que se podría denominar como el segundo Teatro Nacional, actual Palacio de Bellas Artes se construyó en el sitio que ocupaba el convento de Santa Isabel. Apenas concluida la plataforma de cimentación, se empezaron a advertir hundimientos diferenciales y la

alarma que esto suscitó condujo a una serie de decisiones técnicas para endurecer el subsuelo (Jiménez et al 1994). Proyecto e inicio de la construcción. Adamo Boari entregó el 12 de marzo de 1904 su proyecto. El diseño de la estructura y cimentación fue responsabilidad del Ing William H. Birkmire; infelizmente su informe estructural del Teatro no se ha localizado, sólo se conoce el arreglo de las vigas de acero de la cimentación. En cuanto a la carga que transmite al suelo es de 100 kPa y de 120 kPa en la zona del escenario. En noviembre de 1904 se inició la construcción, las excavaciones a 2,4 m en la parte sur y 3,5 en la parte norte, se destruyeron los cimientos de lo que fue la torre del convento en el lado sureste del edificio, durante la excavación no se encontró el nivel freático. Instalación de la tablestaca metálica. Para resolver el problema de los hundimientos se consultó a W. Birkmire, quien recurrió al Ing. John O'Rourke (destacado constructor). Ambos recomendaron dar estanqueidad al sitio, mediante una ataguía perimetral de acero de 7,6 m, separada unos 3 m de la losa de cimentación. Entre la ataguía de acero y la losa de cimentación, O'Rourke propuso una liga estructural de celdas de hormigón armado, que no se realizó. En la Fig. 23 se muestra dicha tablestaca y el pozo artesiano de 270 m de profundidad, cuya tapa sirvió de referencia topográfica para evaluar el hundimiento regional y su profundidad de influencia. La figura también muestra el análisis simplificado que hizo Boari para estimar que el Teatro se hundiría 1.461 m.

Figura 23. Dibujo original de Adamo Boari elaborado en Junio de 1915. 7.2.2.- Campañas de inyección Como la tablestaca no tuvo ningún efecto apreciable y los hundimientos diferenciales seguían acumulándose, se optó por inyectar morteros en el subsuelo, con el objetivo de endurecerlo. Inyecciones entre 1910 y 1913. En la Fig. 24, copiada de una original de Boari de abril de 1911, en donde se advierte que hubo 48 puntos de inyección, lo cual difiere de los 39 qe se cita en varios de los documentos.

Figura 24. Campañas de inyección 1910, 12 y 13. Inyección experimental de 1921. Se inició en abril de 1919 y concluyó en agosto de 1921, se le puede considerar una investigación experimental de Barocio y Álvarez. Realizaron pruebas de inyección en dos sitios, del lado oriente y del poniente, entre 3,5 y 12 m de profundidad, se aplicaron presiones de hasta 120 lg/pulg2; llama la atención que para demostrar la influencia del trabajo recurrieron a pruebas de penetración dinámica hincando pilotes de madera con una masa de 6,7 kN con altura de caída de 3,0 m. Campaña de inyección de 1924-25. En el exterior a la ataguía se inyectó un total de 3.499 m3 de mortero, aunque se desconoce cuanto se inyectó en el interior. Considerando que conservaran la misma relación entre las áreas exterior e interior, el volumen de mortero pudo ser del oreden de 1.900 m3, Fig. 25.

Figura 25. Campaña de inyección 1924-25. Características de la inyección. La relación del volumen inyectado, corregido por la pérdida de volumen del mortero al volumen del suelo modificado es del orden de 5,6%. La

relación entre el peso del mortero inyectado y el edificio de 874,5 MN, resulta del 15%, magnitud que indudablemente genera algún incremento en los hundimientos, considerando que los esfuerzos aplicados aumentaron en 8 kPa. 7.2.3.- Hundimientos medidos. Asentamientos medidos. En la Fig. 26 se ha integrado la información recopilada hasta el año de 1925, antes de que se incrementaran nuevamente las cargas que se aplican al suelo, para la etapa constructiva final. En esa figura se destaca que en 1909 la columna suroriente Nº 14 tenía la menor velocidad de hundimiento, de 15,7 cm/año, mientras que la norponiente Nº 191 lo hacía a 42,9 cm/año; el diferencial de 27,2 cm/año causó la alarma que motivó la decisión de inyectar el subsuelo del Teatro (Santoyo, 1997).

Figura 26. Evolución de los hundimientos del Teatro Nacional. En el comportamiento observado, con las mediciones del año de 1925, se advierte que la evolución de los hundimientos se modificó a consecuencia de las inyecciones, porque las columnas del lado poniente del Teatro dejaron de hundirse a mayor velocidad que las del lado oriente; lo más notable es la respuesta de la columna Nº 13 que inicialmente se hundía a gran velocidad pero posteriormente lo hizo igual que las demás. Esta figura demuestra que la inyección del subsuelo generó un efecto no considerado inicialmente, pues indujo un comportamiento uniforme, que resultó muy favorable para la

estructura, aunque no detuvo los asentamientos totales. No todos lo ingenieros y arquitectos de esa época lo comprendieron, pero hoy debemos admitirlo como un logro notable. 8.- SIGLO XX. PERÍODO CONTEMPORÁNEO La ciudad de México alcanzó en 1900 una población de un millón de personas, después creció explosivamente hasta tener ahora 20 millones de habitantes, incluyendo los del área metropolitana. Esta población requiere de un abastecimiento de agua de casi 70 m3/s, de los cuales se extraen del subsuelo unos 43 m3/s, explotación que mantiene activo el fenómeno del hundimiento regional, que debe ser tomado en cuenta para el diseño de las cimentaciones actuales. De estas se describen los casos de los edificios de La Lotería Nacional y de la Torre Latino Americana. La Lotería Nacional fue el primer caso de una cimentación compensada, porque se desplaza en la masa de suelo como si fuera un barco. Fue diseñada por el Ing. José A. Cuevas a principios de los años 30, seguramente como alternativa a todos lo problemas que se habían tenido en muchos edificios. La Torre Latinoamericana fue diseñada por el Dr. Leonardo Zeevaert al principio de los años 50, e inaugurada en 1956. Por muchos años fue el edificio más alto de la ciudad con 43 pisos y torre para radio y televisión. En los últimos años se han construido edificio que superan en altura, el más elevado es la Torre Mayor, actualmente en construcción, proyectado para tener 55 pisos. 8.1.- EDIFICIO DE LA LOTERÍA NACIONAL 8.1.1.- Antecedentes Es una estructura formada por una torre con dos sótanos, planta baja, dieciséis pisos y azotea, además de un auditorio con planta baja y dos sótanos Figs. 27 y 28 (Cuevas, 1936). Los sismos de septiembre de 1985 le causaron algunas fisuras en columnas y trabes.

Figura 27. Estratigrafía bajo la Lotería Nacional.

Figura 28. Estructura de cimentación de la Lotería Nacional.

Condiciones de compensación. En la zona de la Torre varía de 120 a 133 kPa, debido a que existen diferentes niveles de excavación; en cambio bajo el Auditorio la presión media es

de 116 kPa, aunque existe un lastre permanente de agua en el cajón inferior que aplica 39 kPa. La faja central tiene una compensación media de 37 kPa. Con los datos anteriores se obtiene en la Torre 6 kPa de sobrecompensación y en el Auditorio 25 kPa, lo cual provocó expansiones durante la construcción de 0,4 a 1,0 m. Asentamientos por recompresión. La carga de recompresión en la torre representa el 95% de la descarga por excavación, por lo que los asentamientos estimados son de 115 cm al centro de la Torre y de 96 cm en los extremos. El asentamiento diferencial es de 19 cm y ocasiona una distorsión angular de 0,54%, lo que se traduce en una inclinación del edifico de 35 cm. Las inclinaciones medidas fueron de 32 y 40 cm, lo que indica que las inclinaciones actuales de la Torre se generaron principalmente por efecto de recompresión durante la construcción del edifico. Fig. 29.

Figura 29. Curvas de igual expansión y desplomes. 8.1.2.- Revisión de la seguridad El esfuerzo inducido por el efecto sísmico en el borde de la cimentación, para el potencial momento máximo de volteo de 577,6 MN-m, es de 47 kPa. Por su parte la capacidad de carga estimada para una cohesión media de 27 kPa, es de 220 kPa, lo que genera un factor de seguridad FS de 4,6 en la orilla más desfavorable. En cuanto a la inclinación de la Torre no representa problema de inseguridad estructural y la funcionalidad es satisfactoria. 8.2.- LA TORRE LATINOAMERICANA 8.2.1.- Antecedentes La cimentación es la combinación de: a) un cajón estructural de planta casi cuadrada de 33,4 m de lado y 13,5 m de profundidad, y b) un conjunto de 361 pilotes de punta apoyados en la Capa Dura a 33,5 m de profundidad. Fig. 30.

Figura 30. Torre La Latino Americana. Este cajón sólo tiene funcionalidad estructural, a diferencia de los cajones actuales que aprovechan para estacionamiento de vehículos. Los pilotes son del tipo Bottom Button,constituidos por una punta precolada de concreto de alta resistencia, la cual fue hincada con un tuvo de acero de diámetro interior de 35 cm y pared de 1,9 cm. Las funtas y fundas fueron hincadas con un martillo de 15,000 libras pie/golpe, considerando que se había llegado al manto resistente cuando el rebote correspondió a una penetración de 6 mm por cada 5 golpes del martillo. Los pilotes se colocaron desde una excavación de 2,5 m. La tablestaca perimetral dio seguridad a la excavación, que en su tiempo fue la de mayor profundidad, fue de madera tipo Wakefield, con puntas forradas con lámina de cobre. Se diseñó para seguridad de los edificios colindantes y por su impermeabilidad permitió introducir en cuatro pozos el agua que se extraía por medio de bombas en el interior de la ataguía, a las capas del subsuelo del exterior de la excavación. 8.2.2.- Evaluación de la seguridad de la cimentación En el diseño de la cimentación de la Torre Latinoamericana se aplicó el “principio de sustitución de masas” (más conocido como flotación), considerando que el cajón se desplanta a 13,50 m de profundidad, aunque los pilotes fueron calculados para soportar la carga total. De la información publicada sobre esta estructura (Zeevaert 1957 y Cuevas Barajas, 1962), se consignan los siguientes datos generales: Peso total del edificio, incluyendo la cimentación = 241 MN. Carga total que transmite la losa del cajón de cimentación = 241 kPa.

Subpresión 0,1 Mpa x 1,000 m2 = 100 MN. Fricción (negativa) en los muros = 15 MN. Peso de los 361 pilotes = 22 MN. Fatiga en la punta de los pilotes = 345 kPa. Con esta información Cuevas Barajas concluye que el factor de seguridad de los pilotes, trabajando de punta, es de 2,9 y que en los suelos de la Segunda Formación Arcillosa el factor de seguridad es de 2,16. También agrega los siguientes comentarios.

a) Es característica importante de este tipo de pilotes, la baja fatiga que transmiten al terreno debido a la forma de la cabeza y que tiene valores de 340 kPa para cargas de 0,5 MN.

b) La capacidad de carga del manto resistente, según fue comprobada con el estudio de las propiedades de dicho manto es del orden de 1000 kPa se tiene un factor de seguridad de 3 aproximadamente para garantizar que la punta no penetre en el manto resistente.

8.2.3.- Comentarios La información publicada sobre la seguridad de la cimentación es la correspondiente a las condiciones estáticas, el comportamiento satisfactorio de la Torre durante los sismos de 1957 y 1985, demuestran que también su diseño sísmico es confiable. Finalmente, es importante anotar dos aspectos geotécnicos importantes en la operación de la torre.

- Bajo la losa de cimentación se inyecta agua con presión de 100 kPa y gasto de 13 m3/día, para asegurar la permanencia de la componente de flotación.

- Es interesante aclarar que la reglamentación del criterio actual para evaluar la fricción negativa conduce a valores mucho mayores, hoy se considerarían hasta 170 MN. Esta diferencia reduciría el factor de seguridad de 2,16 a 1,3 considerando además, la eventual suspensión en la inyección de agua.

- La losa de la planta baja esta equipada con un sistema mecánico para ajustar su posición, porque al estar apoyada la cimentación en pilotes de punta, al paso de los años debería sobresalir y requerir de escalones de acceso, aunque la emersión ha sido menor a la que cabría esperar. Lo anterior se explica considerando la consolidación de la Segunda Formación Arcillosa bajo la punta de los pilotes y la compresión de las lentes deformables intercaladas en la Capa Dura. Tampoco puede descartarse la probable penetración de las puntas de los pilotes en la Capa Dura.

Al día de hoy, y debido a los cambios que ha sufrido el reglamento, el diseño de la Torre seguramente conduciría a una cimentación con pilotes apoyados en los Depósitos Profundos. 9.- COMENTARIOS Y CONCLUSIONES Se han descrito los casos de las cimentaciones de estructuras que mejor ilustran el proceso evolutivo de las cimentaciones en la zona de subsuelo arcilloso blando de la Ciudad de

México. Es también el resultado de un proceso de aprendizaje, que de tradiciones que se fueron sumando hasta los años 30, se trasformó en conocimiento científico, con el desarrollo de la Mecánica de Suelos. Cada período aportó conocimiento como brevemente se describe: En el azteca se empezó a construir y después se hizo necesario corregir. Se puede inferir que los constructores prehispánicos entendieron la esencia del Método Observacional, para ser capaces de levantar su notable Templo Mayor con carga de unas 450 kPa. Se podría interpretar que su aprendizaje geotécnico les llevó a entender intuitivamente la utilidad de: a) los pilotes cortos, para evitar la deformabilidad del fango del lago; b) de los rellenos y plataformas, para ampliar el área de transmisión de las cargas; y c) más que nada que, la construcción debería ser lenta para facilitar la consolidación y endurecimiento de las arcillas. En la Colonia se aprovechó extensamente la preconsolidación de las arcillas, pues de otra manera no hubiera sido posible construir los enormes y pesados templos, como la Catedral que trasmite cargas de 170 kPa. También se hincaron pilotes cortos en grandes cantidades y se hicieron cimentaciones con retículas de madera. En el período entre la independencia y la república se inició del diseño racional de las cimentaciones, se entendió que era inadmisible aplicar cargas mayores de 50 kPa, porque se producían grandes asentamientos. En este tiempo se impulsaron las cimentaciones formadas por losas, primero de arena compactada, después de mezcla terciada y, finalmente, de concreto reforzado. El edificio Boker tiene la primer cimentación de losa de concreto reforzado, para cargas del orden de 80 kPa. También se cimentó sobre cascarones de mortero y en zapatas con dalas de concreto reforzado. Durante el Porfiriato se construyeron notables edificios con los más novedosos diseños, para lo cual se convocó a concursar a nacionales y extranjeros. Los retos de cimentación fueron inmensos, se corrió el peligro de fracasar, porque las cargas típicas llegaron a ser de 120 kPa. En este tiempo se inició con todo éxito el empleo de pilotes profundos apoyados en la Capa Dura. El caso de la inyección del subsuelo del Palacio de Bellas Artes, hasta ahora entendido, sin duda que inspirará muchas aplicaciones. La época contemporánea se identifica a partir de la construcción del edificio de la Lotería Nacional y de La Torre Latinoamericana, casos cimeros de la ingeniería de cimentaciones. El primero totalmente compensado y el segundo con su cajón y pilotes apoyados en la Capa Dura, abrieron la opción de construir grandes edificios apoyados en esta capa y en los Depósitos Profundos. Varios edificios se han levantado sobre cimentaciones de este' tipo y actualmente están otros en construcción, en los cuales las excavaciones profundas se estabilizan con muros colados en el lugar o Milán y se ganan grandes espacios para estacionamiento de vehículos.

10. REFERENCIAS

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