25Años - Tgc · 2019-02-01 · de Pisa. El grupo de expertos internacionales se complementó con los Doctores Gholamreza Mesri de la Universidad de Illinois, Pietro de Porchelinis

Catedral y Sagrar iode la Ciudad de México

Mexico city’s Cathedral and Sagrar io Church

Corrección Geométr ica y Endurecimiento del SubsueloGeometr ical Correction and Soil Hardening

Enrique Santoyo VillaEfraín Ovando Shelley

CONACULTADIRECCIÓN GENERAL DESITIOS Y MONUMENTOSDEL PATRIMONIO CULTURAL

25 Años

1989-2002Seis Años DespuésSix Years After2008

Impreso en México, 2008Printed in Mexico, 2008

Autores: Enrique Santoyo Villa y Efraín Ovando Shelley

COPYRIGHT MÉXICO 2008TGC IngenieríaTGC GeotecniaAdolfo Prieto No. 1238Col. del Valle03100 México D.F.Tel. [email protected]

Éste es un resumen del informegeotécnico final de los trabajosrealizados en el subsuelo de laCatedral.

Aclaración:

This is a sumary of the final reportof the work performed in theCathedral´s subsoil.

Note:

Luis M. Zúñiga M.Rubén Torres O.

Diseño gráfico y editorial:

Ilustración de portada: Antonio Calderón Echevarría

Prohibida la reproducción parcial o total por ningunmedio sin la autorización escrita de TGC Ingenieria,TGC Geotecnia.

Partial or total reproduction by any means is forbiddenwith out the written consent of TGC Ingeniería,TGC Geotencia

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F.

Vista Nocturna de la CupulaCentral de la Catedral

Contenido

Introducción

Las Estructuras y sus Cimentaciones

Intervenciones en las Cimentaciones

Características del Subsuelo

Hundimiento Regional

Diagnóstico Geotécnico

Soluciones Estudiadas

Subexcavación en la Catedral y en el Sagrario

Corrección Geométrica Alcanzada

Subexcavación en la Torre Inclinada de Pisa

Revalidación de la Inyección de Mortero

Endurecimiento del subsuelo

Comportamiento observado

Comentarios Finales

Difusión Geotécnica del Proyecto

Aspectos Arqueológicos

Cronología General de la Catedral y del Sagrario

Alarifes, maestros mayores, arquitectos e ingenieros

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

A.

B.

C.

Introduction

Description of Foundations

Interventions in the Foundations

Characteristics of the Subsoil

Regional Subsidence

Geotechnical Diagnosis

Solutions Analyzed

Underexcavation at the Cathedral and the Sagrario

Geometrical Correction Achieved

Underexcavation at the Leaning Tower of Pisa

Assessment of Mortar Grouting

Hardening of the Subsoil

Observed Behavior

Final Remarks

Geotechnical Dissemination of the Project

Archaeological Aspects

General Chronological Account of the Cathedral andof the Sagrario ChurchMasons, master builders, architects and engineers

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

A.

B.

C.

Contents

Catedral y Sagrar io de la Ciudad de MéxicoMexico city’s Cathedral and Sagrar io

Corrección Geométrica y Endurecimiento del SubsueloGeometrical Correction and Soil Hardening

1989-2002

Catedral y Sagrar io de la Ciudad de MéxicoMexico city’s Cathedral and Sagrar io Church

INTRODUCCIÓN

CONACULTA

INTRODUCTION

La construcción de la Catedral de México sobre suelos extraordinariamente blandos fue un reto formidable en 1573, año en que comienza la obra. Sus creadores aprovecharon la experiencia que los aztecas habían obtenido con laedificación del Templo Mayor en donde las etapas constructivas superpuestas obedecían a la tradición mesoamericanade sobreponer pirámides nuevas sobre las antiguas durante las fiestas del Fuego Nuevo pero también satisfacían la necesidad práctica de sobreponer etapas constructivas a sus edificaciones con el fin implícito de ocultar lasdeformaciones que se producían en ellas. El alarife Claudio de Arciniega concibió una cimentación notable para laCatedral pero aún así, los hundimientos que se produjeron durante el levantamiento del templo obligaron a los otros maestros constructores que lo sucedieron, a integrar ingenios arquitectónicos para disimular los desajustes. En 1630Juan Gómez de Trasmonte levantó las bóvedas y el crucero. A Luis Gómez de Trasmonte se le encomendó en 1656 construir la cúpula central. Tuvo dudas sobre la capacidad de carga de las columnas del crucero y propusoensancharlas pero no se realizó esa ampliación. Lorenzo Rodríguez construyó el Sagrario a partir de 1749 y adoptó elmismo sistema de cimentación, aunque con menor calidad. La construcción de las torres la inició en 1780 Damián Ortizde Castro quien decidió reparar la capilla de San Miguel, hoy de los Ángeles, para que ésta sostuviera a la torreponiente. La Catedral se concluyó en 1813 bajo la dirección de Manuel Tolsá, quien armonizó el edificio y embelleció lacúpula. El dilatado proceso de construcción tomó 240 años.

La Catedral y el Sagrario se conservan hasta el presente gracias a las reparaciones y trabajos de conservación yrestauración de las que ha sido objeto a lo largo de más de 300 años. La complejidad de las intervenciones ha ido enaumento con el paso del tiempo debido al daño estructural acumulado, al desplome y a la creciente velocidad con la queaumentan los hundimientos diferenciales. Han pasado más de seis años desde la conclusión del proyecto para laCorrección Geométrica de la Catedral y el Sagrario Metropolitanos y del Endurecimiento del Subsuelo y es muysatisfactorio afirmar que los dos procedimientos empleados consecutivamente, la subexcavación y el endurecimientoselectivo del subsuelo, mejoraron muy favorablemente el comportamiento del conjunto religioso, según se ha podidoverificar con mediciones de campo cuyos últimos resultados se muestran en este documento.

El alto grado de dificultad de los trabajos en la Catedral ameritó que las autoridades consultaran a Colegios yAcademias de Arquitectos e Ingenieros e incluso en noviembre de 1992 se conformó una Comisión Internacional de Consultores para revisar el proyecto de subexcavación la cual fue encabezada por el Dr. Michelle Jamiolkowsky,Presidente del Comité para la Salvaguarda de la Torre de Pisa; en esa comisión participaron los Doctores John Burland,del Imperial College de Londres y Giorgio Macchi de la Universidad de Pavía, ambos miembros del Comité de la Torrede Pisa. El grupo de expertos internacionales se complementó con los Doctores Gholamreza Mesri de la Universidadde Illinois, Pietro de Porchelinis de Cimentaciones Especiales Rodio y Miha Tmazevic del Instituto de Pruebas deEslovenia; durante las juntas de trabajo los acompañaron distinguidos técnicos mexicanos encabezados por el Dr.Emilio Rosenblueth, junto con los Doctores Daniel Reséndiz, GabrielAuvinet, Miguel Romo, LuisArnal y JesúsAguirre;así como los Ingenieros Neftalí Rodríguez, Oscar de Buen, Juan Manuel Orozco y Juan Schmitter. Después deexaminar minuciosamente la documentación técnica del proyecto e inspeccionar los trabajos realizados en la Catedraly en el templo de San Antonio Abad, aprobaron el proyecto y recomendaron aceptar la subexcavación y aplicar laversión geotécnica del Método Observacional para verificar en cada etapa los beneficios del proceso.

Posteriormente, en agosto de 1998 se constituyó la Segunda Comisión de Consultores, encabezada por el Dr. DanielReséndiz y con la participación de los Doctores GabrielAuvinet, Manuel Mendoza y Sergio Covarrubias y los IngenierosOscar de Buen, y Neftalí Rodríguez. El objetivo fue revisar la información recopilada sobre la inyección de morteros delPalacio de BellasArtes, las pruebas de inyección del ex-lago Texcoco y los resultados de la inyección experimental en elatrio poniente de la Catedral. Esta Comisión aprobó la inyección de morteros para el endurecimiento del subsuelo, locual es de suma importancia, porque esta técnica preventiva podrá hacer innecesaria la aplicación de otra etapa de subexcavación; la otra gran ventaja de la inyección es que se podrá aplicar en el futuro con facilidad y a costo razonable.

Reconocimientos. Se extienden agradecimientos alArq. Sergio Zaldívar, Director del Proyecto desde 1989 a 2000 y alDr. Xavier Cortés Rocha que lo dirigió después. También se agradece su apoyo a los miembros del Comité Técnico:Doctores Fernando López Carmona, Roberto Meli, Enrique Tamez, a los Ingenieros Enrique Santoyo, Hilario Prieto y alDr. Jorge Díaz Padilla, Secretario del Comité. Así como: al Dr. Efraín Ovando Shelley y a los ingenieros RobertoSánchez yArturo RamírezAbraham.

Constructing Mexico City's Metropolitan Cathedral on extraordinarily soft soil was a formidable challenge back in 1573,when the building was started. Its creators took advantage of the experience gained by theAztecs during construction oftheir Major Temple. In the case of theAztecs, to the Mesoamerican tradition of superimposing new pyramids over the oldones during the festivities of the New Fire, they incorporated the practical need of adding successive construction stagesto their buildings with the implicit purpose of concealing damage produce by differential settlements. Master builderClaudio de Arciniega conceived an outstanding foundation for the Cathedral but even so settlements occurred during the construction of the massive building compelled the succeeding architects to incorporate architectural ingenuity to mask misalignments. In 1630, Juan Gómez de Trasmonte erected the vaults and the transept. Luis Gómez deTrasmonte was appointed in 1656 to build the main dome. He was uncertain about the load bearing capacity of thetransept columns and his suggestion of enlarging them was not followed. Lorenzo Rodríguez constructed the Sagrario(parish church) starting in 1749 and he adopted a similar foundation system, but with a lesser quality. Damián Ortiz deCastro decided to repair the San Miguel chapel so it could bear the weight of the western bell tower and also beganconstructing the campaniles in 1780. Manuel Tolsá completed the Cathedral in 1813 after harmonizing the building andembellishing the dome. The long-lasting construction process took 240 years.

The Cathedral and the Sagrario church have survived up to now thanks to restorations that have taken place over morethan 300 years. Interventions have been increasingly complex due to the accumulation of structural damage andinclination, and the exposure to ever higher differential settlement rates. It is more than seven years now since the end ofthe Project for the Geometrical Correction of the Cathedral and the Sagrario Church and for hardening its subsoil. It isvery satisfactory to be able to state that, as verified with field measurements, the behavior of the religious compleximproved very favorably after the successive application of underexcavation and selective soil hardening.

Authorities responsible of the project decided to consult architectural and engineering learned societies in view of thehigh degree of difficulty of the work described here and an international committee for overlooking the underexcavationproject was created, headed by Prof. Michele Jamiolkowsky, president of Committee for the Safeguard of the Tower ofPisa. Prof. John B. Burland from Imperial College, London, and Prof. Giorgio Macchi from the University of Pavia, bothmembers of the committee for the Italian tower joined the team, together with Prof. Gholamreza Mesri from University ofIllinois, Dr. Pietro de Porchelinis from Cimentaciones Especiales Rodio and Dr. Miha Tomazevic from the Institute ofTests in Eslovenia. Distinguished Mexican experts, Dr. Emilio Rosenblueth and Dr. Daniel Reséndiz, were alsomembers of the committee, together with doctors Gabriel Auvinet, Miguel Romo, Luis Arnal and Jesús AguirreCárdenas; other expert engineers joined the committee: Neftalí Rodríguez, Òscar de Buen. Juan Manuel Orozco andJuan Scmitter. After a thorough critical review of technical documents which included a close examination of the resultsobtained with underexcavation trials performed at the San Antonio Abad Church and after inspecting the work beingdone at the Cathedral, the international committee approved the project and recommended that underexcavation beapplied, using the geotechnical version of the Observational Method to control and verify each step in the process.

Thereafater, in August 1998, a second committee was formed, headed by Dr. Daniel Reséndiz. Other participatingmembers were Dr. Gabriel Auvinet, Dr. Sergio Covarrubias and Dr. Manuel Mendoza, geotechnical consultants, as wellas Mr. Oscar de Buen and Mr. Neftalí Rodríguez, structural engineers. The Second Committee's task was to examineinformation about the injection of mortars at the Palace of Fine Arts as well as the results of mortar injection trials atformer Texcoco Lake and at the Cathedral's west atrium. The Committee approved mortar injections for hardeningselectively the subsoil. This was a most important decision because the use of this technique may very possibly avoidthe need to perform another underexcavation stage in the future; another advantage is that injection of mortars can bereapplied in the future at a very reasonable cost.

Acknowledgements. Sergio Zaldívar, architect, headed the project since it began in 1989 until 2000; Dr. Xavier CortésRocha took over the direction of the project afterwards. Member of the Technical Committee that overlooked thedevelopment of the project are duly acknowledged: Dr. Fernando López Carmona, Dr. Roberto Meli, Dr. Enrique Tamez,Ing. Enrique Santoyo Villa, Ing. Hilario Prieto. Dr. Jorge Díaz Padilla acted as secretary for the committee and asconsultants, Dr. Efraín Ovando Shelley, Ing. Roberto Sánchez and Ing.Arturo RamírezAbraham.

CONACULTA

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

Jun

Nov

May

Oct Oct

Nov

Jun

Jul

SepNovJan

Jun

Sep

Sep

Aug

MayJul

Nov-Dec

Oct

Feb

2001

2002

Injection of the curia’s officeNovJan Jan

Monitoring the behaviour

Monitoring the behaviour

Jan

Selectivehardening

(1.4 effectiveyears)

The vaults of the Cathedral evidence damagesApril

Development of the geotechnical study

April

JanFeb

Drawing up of the detailedproject for the Cathedral

Experimental underexcavation ofat San Antonio Abad

Dec

Construction of theshafts (2.1 years)

AugExperimental underexcavation

Consultants meet for the first time

Aug

Underexcavationprocess

(4.5 years) Execution of thefield works(7.6 years)

34,220 m ofunderexcavated

soil

AprilUnderexcavation is interrupted

Electrinic instrumentation is placed

3585 nuclei, 5,189 mof injected mortar

Injection test at Texcoco Lake

Injection test at the west atrium

Consultants meet for the second time

Subsoil grouting (1 year)

Monitoring of the behavior (8 months)

Grouting of the western bell tower

Grouting of the northwest corner

Cronología de los Trabajos GeotécnicosChronology of the Geothechnical Works1.

La traza de la Catedral data de 1573, sobre un planode Claudio de Arciniega. A principios del siglo XVIIconstruye las bóvedas Juan Miguel de Agüero. Lastorres de José Damián Ortiz de Castro fueronconcluidas en 1791.

Manuel Tolsá termina la obra en 1813, incorporandobalaustradas y remates. El Sagrario es obra deLorenzo Rodríguez; se inició en 1749 paraconcluirse en 1767.

The layout of the Cathedral dates back to 1573 and itis based on a plan made by Claudio de Arciniega. Atthe beginning of the 17th century, Juan Miguel deAgüero erects the vaults. The bell towers designedby Damián Ortiz de Castro were completed in 1791.

Manuel Tolsá finished the works in 1813,incorporating balaustrades and pinnacles. TheSagrario church is the work of Lorenzo Rodríguez; itwas started in 1749 and completed in 1767.

Catedral y Sagrario de laCiudad de México

Mexico City´s MetropolitanCathedral and Sagrario Church

Museo Nacional de Arquitectura

INBAInstituto NacionaldeBellas Artes

Dibujo de Mayolo Ramírez Ruiz, (1985-1986)Art rendering by Mayolo Ramírez Ruiz (1985-1986)

Se advierte daño en las bóvedas de CatedralAbril

Elaboración del estudio geotécnico

AbrilMay

Ene

Elaboración del proyectoejecutivo de Catedral

Subexcavación experimentalen San Antonio Abad

Oct

Construcción delas lumbreras

(2.1 años efectivos)

Realización de lostrabajos de campo(7.6 años efectivos)

Nov

AgoSubexcavación experimental

AbrilSuspensión de la subexcavación

Prueba de inyección en Texcoco

Prueba de inyección en el atrio ponienteSep

Jun

Sep

Inyección para el endurecimientodel subsuelo

34,220 mde sueloextraído

1ª Reunión de consultores

Ago 2ª Reunión de consultores

Inyección en la Torre Poniente

Inyección en la esquina nororiente

Observación del comportamiento

May

Nov-Dic

Colocación de la instrumentación electrónicaFeb

Inyección en la oficina de la CuriaNovEne



Ene

Proceso delendurecimiento

(1.4 añosefectivos)

Proceso desubexcavación

(4.5 añosefectivos)

3585 núcleos con 5189 mde mortero inyectado

Jun

Nov

Feb

Oct

Dic

JunAgo

Jul

NovEne

Sep

Jul

Oct

Ene

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

A partir de junio de 1989 se inició la exploración delsubsuelo pero antes se empezó por recopilar lainformación geotécnica de la zona. Destacan lostrabajos realizados por el Dr. Leonardo Zeevaert en1943 para el Pasaje Catedral, los asentamientos de laCatedral calculados por los profesores Raúl Marsal yMarcos Mazari de 1953 a 1955 así como los sondeospara las líneas del Metro, ejecutados entre 1967 y1983. Con esa base se programó la ejecución de 21sondeos de exploración con cono eléctrico yposteriormente se realizaron otros 24 que se explicanen el Capítulo 4.

Una vez definida la estratigrafía y zonificado elsubsuelo, se llevaron a cabo dos sondeos profundos para la extracción de muestras inalteradas, utilizandomuestreadores acordes a las características de cadaestrato. Las muestras permitieron determinar suspropiedades mecánicas, con énfasis en sudeformabilidad. Los sondeos practicados tambiénpermitieron definir las configuraciones de lassuperficies de contactos estratigráficos que sirvieronpara las decisiones técnicas; las más significativasfueron entre el relleno y la costra superficial y entre lacostra superficial y la arcilla, la cual profundiza entre 9y 22 m debajo de la superficie actual.

Mediciones del nivel freático y piezométricas. Laconfiguración del nivel freático es variable, está másalta hacia norte y se abate al suroriente; el colectorSemiprofundo que pasa frente a la Catedral influye eneste nivel. En 1940 se demostró que había flujo deagua de oriente a poniente y el gradiente actualseñala que se mantiene ese flujo. Otro dato relevantees que el nivel freático en 1953 estaba a 2.8 m yactualmente se localiza a 7.2 m. En cuanto a lapiezometría, se observó que hasta unos 20 m deprofundidad existe una tendencia hacia el equilibriohidrostático y a partir de los 26.7 m se registra pérdidade presión.

Mediciones topográficas y estructurales. Serealizó una intensa campaña de mediciones paradeterminar las dimensiones e inclinaciones de loselementos estructurales; las alturas diferenciales delas columnas y la configuración del piso de feligresía fueron las más ilustrativas, junto con loslevantamientos topográficos del piso de feligresíarealizados en 1907, 1927 y 1936.

Predicciones del comportamiento futuro. Ladeformabilidad de las arcillas, junto con las pérdidasde presión del agua intersticial que podrán ocurrirpermitió predecir los hundimientos futuros, lo cual se describe en el Capítulo 6. Se pudo establecer que elincremento de los desplomes pondrían a la Catedralen riesgo de sufrir daños severos ante un sismo de laintensidad de los ocurridos en 1985; el elemento más

.

vulnerable sería la torre poniente con su inclinación de2.7 % en dirección casi oeste.

Soluciones estudiadas. En el Capítulo 7 sedescriben las técnicas que se consideró se hubieranpodido aplicar para atender la problemática de laCatedral y Sagrario; de su evaluación resultó que lasubexcavación de las cimentaciones de la Catedral ySagrario ofrecía las mejores perspectivas.

Subexcavación. En 1962, el ingeniero italianoFernando Terracina propuso practicar horadacionespara corregir la inclinación de la Torre de Pisa. No vioculminado su objetivo, pero su propuesta sedesarrolló y aplicó en numerosos edificios de laciudad de México e incluso se acuñó el tecnicismo desubexcavación. Para demostrar su viabilidad en laCatedral Metropolitana se experimentó primero en la iglesia de San Antonio Abad, entre mayo de 1990 yfebrero de 1991. Este método tiene por objetoacelerar el descenso de las zonas duras del subsuelocon respecto a las blandas, lo cual se lograextrayendo, de manera controlada, a través deperforaciones horizontales o inclinadas, el suelo enque se apoya la cimentación. Los trabajospreparatorios para la subexcavación en la Catedral seiniciaron en octubre de 1991 y la subexcavación seejecutó entre agosto de 1993 y junio de 1998. La metaque se fijó fue disminuir los hundimientosdiferenciales que se habían acumulado a lo largo delúltimo siglo.

Endurecimiento del subsuelo. Desde el inicio delproyecto se tenía conciencia de que el hundimientoregional actuaría nuevamente cuando se terminaranlos trabajos de subexcavación y que, por tanto, estosúltimos se tendrían que repetir con el paso de losaños. Para alejar ese momento, se analizaron varias opciones preventivas. Se evalúo recurrir ainyecciones de lechadas de cemento a alta presión(jet grout) o al empleo de usar columnas de arena; sinembargo, el caso histórico del Palacio de Bellas Artesresultó decisivo para optar por el endurecimiento delas arcillas mediante la inyección de mortero porfracturamiento hidráulico. Para demostrar suviabilidad se llevó a cabo un programa de pruebas decampo en las arcillas del antiguo lago de Texcoco. El éxito de las mismas justificó ejecutar un tramoexperimental en el atrio poniente de la Catedral y porsus resultados se decidió elaborar el proyecto deendurecimiento del subsuelo de los dos templos. LaFig. 1 ilustra la cronología de todos los trabajosgeotécnicos.

Exploration of the subsoil began in 1989 andpreliminary work started by gathering information fromprevious geotechnical studies in the zone, mostnotably a 1943 study by Leonardo Zeevaert for acommercial gallery (pasaje Catedral) and a report ofsettlements recorded in the vicinity by R. Marsal andM. Mazari (1953-1955), as well as results fromgeotechnical soundings performed for theconstruction of the subway between 1967 and 1983.On the basis of that information, the exploratoryprogram initially included 21 CPT soundings; 24additional CPT tests were performed later, asexplained in Chapter 4.

Once the stratigraphical characteristics at the sitewere known, two deep continuous boreholes wereperformed to extract high quality samples. Thesamplers used were changed as required, accordingto the characteristics of the soils found. The samples were then tested to determine their mechanicalproperties with emphasis on their deformability.Results from soundings were also used to define theshape of stratigraphical contact surfaces, a conceptthat aided decision making during the process. Themost significant of these surfaces were the contactsbetween the upper fills and the natural desiccatedcrust as well as the contact between that same crustand the first clay formation which is located between 9and 22 m deep.

Phreatic level and piezometric measurements.Phreatic levels in the zone are variable: higher in thenorth and lower in the south, due to the influence of aneighboring sewage collector. Measurements done in1940 showed that water flowed west to east andpresent gradients demonstrate that water is stillflowing that way. Another relevant piece of informationis that the phreatic level was 2.8 m deep in 1953 and that it now stands at a depth of 7.2 m. Pore pressuresfollow a nearly hydrostatic distribution down to about20 m and that pore pressure depletion becomessignificant below 26.7 m.

Topograhical and structural measurements. Thedimensions and inclinations of structural elementswere determined within a thorough campaign ofmeasurements from which differences in columnheights were noted and the configuration of theparishioners' floor level was obtained. Data fromtopographical surveys performed in 1907, 1927 and1936 were also recovered.

Predictions of future behavior. Future settlementswere estimated taking into account the deformabilityof clayey soils as well as estimates of expected porepressure depletion rates, as explained in Chapter 6. Itwas established that increments in tilts could bringabout severe damage to the Cathedral, should an

earthquake similar to the 1985 event occur again. Themost vulnerable element was the west tower whichhad tilted 2.7 % towards the west at the onset of thisproject.

Solutions studied. Chapter 7 presents a descriptionof the solutions that were analyzed to solve theproblems in the Cathedral and the Sagrario Church.As a result of those analyses, it was determined thatunderexcavation of the foundations was the bestoption.

Underexcavation. Fernando Terracina, an Italianengineer suggested in 1962 to perform smallboreholes to correct the inclination of the Tower ofPisa. His project was never carried out but hisproposal was developed and applied in numerousbuildings in Mexico City where the termunderexcavation was first coined. A large scaleexperiment was performed at the San Antonio AbadChurch between May 1990 and February 1991 toshow its feasibility as a solution for the MetropolitanCathedral. The method accelerates the descent ofhard areas with respect to softer ones by performinghorizontal or slightly inclined borings from whichmaterial is extracted under controlled conditions fromthe soil that supports the foundations. Preparatorywork in the Cathedral began in October 1991 andunderexcavation was performed between August1993 and June 1998. The goal was to reducedifferential settlements that had accumulated over thelast century.

Subsoil hardeninng. Responsible engineers wereconscious from the onset of the project that regionalsubsidence would act again at the end ofunderexcavation and that the latter would have to berepeated with the passing of time. Several preventiveoptions were analyzed to lengthen that moment. Highpressure injection of cement mortars (jet grout) andsand columns were evaluated but the case of mortarinjections with hydraulic fracturing turned out to bedecisive when studying the case of the Palace of FineArts (Palacio de las Bellas Artes). Field trials werecarried out successfully to prove its feasibility which inturn justified the execution of test injections in theCathedral's west atrium from which a project followedto harden the subsoil of both temples. Fig. 1 is thechronology of all the geotechnical work.

A

A

La Catedral y los templos aztecas que la subyacenThe Cathedral and the underlying Aztec temples

A

ActualAt present

1500(Ahuizótl)

1420-1447(Chimalpopoca, Izcóatl, Moctezuma I)N :

El punto A es el mismoen las diferentes fechas

ota

Note:Point A is the samealong the vertical

Dimensiones y pesos de Catedral y SagrarioDimensions and weights of the Cathedral and the Sagrario

Incrementos de dimensiones de fustes y muros durantela construcción

Enlargement of column shafts and walls during construction

0 10 20 30 m

N

Peso / Weight: 30,000 t2Presión / Pressure: 13.2 t/m

Peso / Weight: 127,000 t2Presión / Pressure: 16.6 t/m

1 2 3 4 5

Escala gráficaGraphic scale

1

85 cm

.0 0

- .0 5

-1.0 mF

E

D

B

A

12

11

10

C

9

8

7

6

5

3

4

2

.0m

0 0fe

ncia en el l n

Re re

p i to

al mn

de l co ua

N PedraplénRock fill

70 m

Línea 2 del MetroLine 2 of the Metro

2.5 m

Planta / Plan view

Vista lateral / Side view

PilotesPiles

PedraplénRock fill

3.5 m

3.5 m

60.0 m

ContratrabesInverted beams

CriptasCrypts

2.1 m

PedraplénRock fill

EstaconesShort wood piles

Vista frontal / Front view

N

Contratrabes:Ancho 2.5 mPeralte 3.5 m

Colector semiprofundo 5 de MayoSemi-deep “5 de Mayo” sewage collector

10.6 a 15.9 m

1.0 m2.0 m

PedraplénRock fill

PirámidePyramid

Pilotes de maderaWood piles

CriptasCrypts

140 m

CONACULTA Descr ipción de las CimentacionesDescr iption of the Foundations2.

0. 00 mRef rr d to th

p i th

e e

e l n

f h c lu

o t e o mns

Inverted beams:Width: 2.5 mHeight: 3.5 m

La Catedral Metropolitana fue construida sobre partedel terreno del Centro Ceremonial Azteca y bajo sucimentación quedaron restos de algunas de lasestructuras de ese monumento prehispánico, Fig. 2.La Catedral consta de cinco naves: la central, que estálimitada por 16 columnas y dividida por el coro; las dosprocesionales, que corren a lo largo del templo, y lasdos laterales de capillas, que están confinadas por losmuros perimetrales y perpendiculares. La cúpulacentral de 65 m de altura gravita sobre cuatrocolumnas. Las dos enormes y pesadas torres decampanario tienen 60 m de altura. El templo tiene126.67 m de longitud y 60.40 de ancho, la altura mediaen la nave central es de unos 25 m, su peso total es de127,000 t y la presión media que transmite al subsuelo

2es de unas 16.6 t/m . El Sagrario es un templo conplanta de cruz griega, cuyos muros en las cuatroesquinas soportan las bóvedas y constituyen elsoporte de la bóveda; su cúpula descansa sobre lascuatro columnas centrales. Ocupa un área de 47.7 m por lado, su peso es de aproximadamente 30,000 t y lapresión media que transmite al subsuelo es del orden

2de 13.2 t/m .

Etapas de la construcción de la Catedral. Laconstrucción de la Catedral Metropolitana se inició en1573, partiendo del ábside, bajo la dirección del alarifeClaudio de Arciniega, quien había participado en lasobras de la iglesia de SanAgustín y por ello conocía losproblemas del subsuelo. Se continuó con las bóvedas,que se concluyeron hacia 1667; la portada quedóterminada en 1675. Damián Ortiz de Castro finalizó lastorres en 1792. Manuel Tolsá le dio perfil a la cúpula,vinculó todo el conjunto con balaustradas y pináculos que lo singularizan y completó la obra de Catedral en 1813.

La superficie del terreno se reforzó mediante la hinca de unos 22,500 pilotes cortos de madera y encima deellos se colocó una plataforma de mampostería queocupa 140 m de largo y 70 de ancho. Estasdimensiones son mayores que las que finalmenteocupó la Catedral pues originalmente se habíaconcebido como un templo de siete naves y cuatrotorres, una en cada esquina. El espesor de estepedraplén, que en promedio es de unos 90 cm,aumenta hacia el sur lo cual evidencia que losprimeros constructores lo engrosaron en esa zonapara compensar los hundimientos diferenciales quecomenzaron a manifestarse desde las primerasetapas de su construcción. Sobre la plataforma seconstruyó una retícula de contratrabes, también demampostería, de 3.5 m de alto, 2.5 m de ancho y hasta127 m de largo, que recibe a los muros, pilastras ycolumnas, como se ilustra en la Fig. 2. El planosuperior del pedraplén coincidía con el nivel de laPlaza Mayor y por encima de éste se elevaba 3.5 m laretícula de contratrabes. La Catedral se sobreelevó,

The Metropolitan Cathedral was built on part of theland covered originally by the Aztec CeremonialPrecinct. Remains of structures corresponding to thispre-Hispanic site can still be seen under itsfoundation, Fig. 2. The Cathedral has five naves: thecentral one bounded by 16 columns and divided by thechoir; the two processional aisles running along thelength of the church; and the two lateral ones occupiedby chapels, that are in turn confined by the peripheraland perpendicular walls. The great central dome, 65 mhigh, is supported by four columns. The two huge andheavy towers are 60 m in height. The church is 60.40m wide, about 25 m high along the central nave and126.67 m long with a total weight of 12,700 kN and anaverage contact pressure of about 166 kPa.

The adjacent Sagrario is a church with a Greek crosslayout whose walls at the four corners provide supportto the vault; its dome rests on four columns. It covers asquare area of 47.7 m by side, weighs about 3,000 kNand the average contact pressure is about 132 kPa,Fig. 2.

Construction stages of the Cathedral. Constructionof the Metropolitan Cathedral started in 1573 at theapse, under the direction of Master Builder Claudio deArciniega, who had participated in the building of SanAgustín Church and thus knew of the problemsbrought about by the underlying soft clays. The vaultswere erected next and were completed around 1667and the façade in 1675. Damián Ortiz de Castrofinalized the towers in 1791 whereas Manuel Tolsáprofiled the dome and joined the complex with abalustrade and pinnacles as a characteristicarchitectural feature. He completed the building in1813.

The subsoil was initially reinforced by driving about22,500 wooden stakes, 3 to 4 m in length. On top ofthem a masonry platform was built over an area of 140by 70 m. This area is larger than the one actuallyoccupied by the Cathedral because it was originallyconceived as a seven nave temple with four towers,one in each corner. The platform is 90 cm thick onaverage but it is thicker towards the south whichsuggests that the first builders added thickness at thatparticular zone to compensate differential settlementsthat became apparent since the earliest stages of itsconstruction. A grid of inverted beams was built on topof the platform with masonry as well, 3.5 m in height,2.5 m wide and as much as 127 m long, to receive thewalls, pilasters and columns, as illustrated in Fig. 2.The top part of the platform had the same level as thePlaza Mayor (Main Square) and the grid of beams was3.5 m above this elevation which clearly indicates thatMaster Builder Arciniega expected large-magnitudesettlements to occur.

porque el alarife Arciniega seguramente ya esperabaque se presentaran hundimientos de gran magnitud.

Alrededor de la Catedral se construyeron otrosedificios religiosos. El más notable es la iglesia delSagrario, construida directamente sobre la pirámidedel dios sol, Tonatiuh. Para la construcción delSagrario, Lorenzo Rodríguez utilizó el mismo métodode cimentación que en la Catedral, reforzando alsuelo con estacones de madera pero de menordiámetro. Encima de ellos también se construyó unpedraplén de mampostería de baja calidad. ElSagrario se desplantó parcialmente sobre elpedraplén de la Catedral y su muro poniente escomún a ambas estructuras. La construcción delSagrario se llevó a cabo entre 1749 y 1768.Posteriormente se construyó al norponiente la Curia yla Capilla de las Ánimas y muchos años después alnororiente se levantó el Seminario, demolido en 1938.

Asentamientos durante la construcción. Lacompresibilidad diferencial de los estratos de arcilladel subsuelo, originada por la consolidación inducidapor los templos y estructuras aztecas preexistentesen el sitio, causó asentamientos diferenciales desdeel inicio de la construcción. Estas deformacionesacarrearon desajuste estructural, el cual secompensó durante la construcción modificando laaltura de las columnas y muros para nivelar elarranque de las bóvedas. Se recurrió también aartificios arquitectónicos para disimular el efectovisual de los asentamientos, como darle a las cornisasalturas variables y utilizar en las dos torres bloques decantera que gradualmente disminuyen de espesor. Elanálisis de los detalles geométricos del monumentopermitió demostrar que durante la construcción de la Catedral, antes de completar las bóvedas, la columnaC-9 acumuló un hundimiento diferencial máximo de85 cm con respecto al plinto de la pilastra C-3 quelimita al ábside de planta poligonal.

Entorno de la Catedral. En 1968 se construyó, a 16 m de profundidad, el Colector Semiprofundo 5 deMayo, que corre a lo largo de las fachadas sur de laCatedral y del Sagrario. Como se mencionó antes, lasmediciones piezométricas demuestran que este túneldrena parte del agua del subsuelo, sobre todo de lazona suroriente del Sagrario. También en 1968 seinició la construcción de la Línea 2 del Metro, quefunciona igualmente como otro dren en los lados nortey oriente de los templos.

Other religious buildings were built around theCathedral. The most remarkable structure is theparish church known as the Sagrario, built on top ofthe pyramid of the Aztec sun god, Tonatiuh. For theconstruction of the Sagrario, Lorenzo Rodríguez usedthe same foundation system as in the Cathedral,reinforcing the soil with short woodpiles having asmaller diameter. On top of them a masonry platform was built but with lesser quality materials. TheSagrario was partially founded on the Cathedral'sfoundation platform and its western wall is common toboth structures. The construction of the Sagrariostretched from 1749 to 1768. The Bishopric was built later, as well as All Souls Chapel (Capilla de lasÁnimas) and the Seminary which was demolished in1938.

Settlements during construction. Consolidation ofthe subsoil induced by Aztec temples and structurespre-existing at the site produced differentials incompressibility of the subsoil clay strata which in turn,caused differential settlements since the beginning ofthe construction. These deformations brought aboutstructural misalignment that was compensated asconstruction progressed by modifying the heights ofcolumns and walls in order to level the springing of thevaults. Architectural contrivances as the introductionof variable heights in the cornices and wedgedquarried blocks at the two towers were used todisguise some of the visual effects of settlements.After analyzing the geometrical details of themonument it was demonstrated that duringconstruction of the Cathedral, and prior to thecompletion of the vaults, column C-9 accumulated amaximum differential settlement of 85 cm with respectto the plinth of pilaster C-3 in the polygon that formsthe apse.

Cathedral surroundings. In 1968 the semi-deepsewage collector "5 de Mayo" was built at a depth of 16m along the southern facade of the Cathedral and ofthe adjoining Sagrario. It has been inferred fromPiezometric measurements that the collector ispermeable and that water seeps into it from thesubsoil, particularly at the southeastern zone of theSagrario. Construction of Line 2 of the subway system(Metro) also started in 1968 and its cut-and-covertunnel also acts as a drain at the north and east sidesof both churches.

CONACULTA Intervenciones en las CimentacionesModifications to the Foundation3.

Segunda intervención 1972 (Ing. M. Gonzalez Flores)Second modification (ing. M. González Flores)

Primera intervención 1940 (Arq. M. Ortiz Monasterio)First modification (Arq. M. Ortiz Monasterio)

NorteNorth

SurSouth

Pilote largo / Long pile

Pilote que penetróPenetrating pile Pilote corto

Short pile

Interpretación esquemática del estado de los pilotes de controlSchematic interpretation of the status of the control piles

Pilote de puntaPoint-bearing piles

Capa Dura / Hard layer

30

40

50

20

10

FAS

FAI

CostraSuperficialSuperficialCrust

RellenoFill

Pro

fund

idad

/,m

Dep

th

0PedraplénRock fill

NÚMERO TOTAL DE PILOTES / 390TOTAL NUMBER OF PILES =

N

0 10 20 30 mEscala gráficaGraphic scale

Ubicación definitiva de los pilotes de controlFinal location of the control piles

Celdas demadera

defromables

Woodendeformable cells

LosaSlab

Marco decontrol

Reactionframe

PilotePile

Pilote de control tipo PICOSAControl pile of the PICOSA type

NOTAS:

- También existen verticales

- Estas viguetas se el

A, B, 6 y 7 y E, F, 6 y 7

elementosde concreto reforzadoque funcionan como

estribos

instalarón en espacio entre los ejes

NOTES:

- Vertical reinforcement elements operate as stirrups

- These beams were installed at the space between axesA, B, 6 y 7 and E, F, 6 7

Nivel sótanoBasement level

Control

ArcillaClay

Arena Sand

ArcillaClay

ArcillaClay

Limo arenosoSandy silt

Pilote ensegmentosde 1 m delongitud

Pile drivenin 1-m longsegments

Acero de refuerzo en paqueteBundled reinforcing steel

Mortero / MortarTraslape o soldaduraOverlapping or welding

Tubo de láminaSteel sheet pipe

Acero de refuerzoen el hueco centralReinforcing steelat the central hole

1.0 m

1.0 m

C C

Corte / Crosssection C-C’ Segmentos

de pilotesPile

segments

0.4 y 0.45 m

LosaSlab

2.5 m

CriptasCrypts

Trabesremachadas

Boltedbeaams

Plataformade asientoSupporting

platformSección / Cross section A-A’

0.30 m

3.5 m

Propuesta de refuerzode las contratrabes de mampostería

Proposal for the reinforcementof the inverted masonry foundation beams

Trabe remachadaBolted beam



Losa de concretoarmado de 0.30 mde espesor0.30-m thick reinforcedconcrete slab

A A

NÚMERO TOTAL DE PILOTES /280TOTAL NUMBER OF PILES =

Proyecto de la recimentación (Reproducido del planoNo. 30 del de la SPN )estudio de 1972

Underpinning project (reproduced from drawingNo. 30 of the study made by the SPN in 1972)

Losa de refuerzode la cimentación

ejes A, B, 6 y 7

(1940)

Foundationreinforcing slab

A, B, 6 y 7

Losa de refuerzode la cimentaciónejes E, F, 6 y 7

(1940)

Foundation reinforcingslab E, F, 6 y 7

Junta en la losade feligresíaJoint at the slab ofthe parish (1940)

6

7

A BE F

0.4-0.45 m

En 1929, la Comisión Técnica y de Conservación de laCatedral encomendó a los arquitectos Manuel OrtizMonasterio y Manuel Cortina García hacer unaevaluación estructural de la Catedral, porque loshundimientos le habían generado alarmantes daños; la primera medida que tomaron fue demoler en 1938 el Seminario para descargar la zona oriente.

Pr imera intervención en la Catedral . Losarquitectos Ortiz Monasterio y Cortina Garcíadecidieron vaciar la tierra de relleno de las celdas de laretícula de contratrabes de la Catedral, con lo cual la presión media de contacto disminuyó de 14.3 a 10.8

2t/m , lo que representó un decremento del 25 %. Elproyecto incluyó recubrir las contratrabes demampostería con concreto reforzado. Años despuésse decidió aprovechar los espacios abiertos en lacimentación para instalar ahí criptas, lo cual obligó aconformar los pasillos de acceso y para ello seabrieron vanos en las contratrabes, las cuales fueronreforzadas en los pasos con viguetas de acero.También se proyectó que el piso de las criptas fuerauna losa de concreto de unos 50 cm de espesor que sólo se construyó en los lados oriente y poniente delcrucero, Fig. 3. Finalmente, se sustituyó el piso demadera del nivel de feligresía por una losa deconcreto armado en la que se dejó una junta a lo largodel eje de columnas del lado poniente.

Primera intervención en el Sagrario. En la décadade 1940 se intentó recimentar el Sagrario mediantepilotes de madera de 25 cm de diámetro. Asimismo,se reforzó el piso de feligresía con una losa deconcreto apoyada en una retícula de trabes de acero.Posteriormente, entre 1960 y 1964 se intentó otroprocedimiento de recimentación con pilotes deconcreto hincados en tramos de un metro. En lasceldas bajo el Sagrario se pueden ver muchas puntasde los pilotes que no pudieron ser hincados.

Segunda intervención en la Catedral y el Sagrario.En 1972, la Secretaría del Patrimonio Nacionalencomendó al Ing. Manuel González Flores estudiarel hundimiento de la Catedral. Recomendó lainstalación de pilotes de control para “reducir eltrabajo de la cimentación en un 25 % y ajustar eldescenso de los edificios respecto al terrenocircundante y uniformar los hundimientosdiferenciales dentro de las mismas estructuras”.Propuso colocar 280 pilotes en la Catedral,distribuidos con mayor densidad en la parte sur. Parael Sagrario no precisó cuántos pilotes se requerían.Pero las dificultades para instalarlos le obligaron acolocarlos donde fue posible e incrementar su númeroa 390 en la Catedral. Por su parte, en el Sagrarioinstaló 129 pilotes, Fig. 3.

Clasificación de los pilotes de la recimentación. Laexcelente bitácora de obra del hincado de pilotespermitió clasificarlos en confiables e ineficaces; losprimeros son los que están desplantados sobre laPrimera Capa Dura, condición indispensable paratrabajar como pilotes de control. Los segundos son decuatro tipos: a) los cortos, porque no se apoyan en esaCapa y por ello trabajan como pilotes de fricción; b) loslargos, inclinados o rotos, porque su longitud esmayor que la profundidad de la Capa Dura; c) losinnecesarios porque se ubicaron donde no hacen faltay d) los pilotes largos y de fricción instalados en elexterior y que factiblemente desde ahí atravesaron laPrimera Capa Dura debido a la técnica de perforaciónprevia que se utilizó en el atrio. El análisis estadísticodel conjunto de pilotes realizado en 1989 demuestraque sólo el 27 % de los pilotes de la Catedral se lespuede definir como confiables y para el Sagrario sereduce al 11 %.

Comentarios. Los trabajos descritos en los párrafosanteriores tienen en común que fueron concebidos sinconocimiento confiable de las características ycomportamiento del subsuelo. En la primeraintervención, la extracción de la tierra para uniformar los asentamientos resultó muy limitada pues laexpansión de la arcilla subyacente, pronto quedócompensada por el hundimiento regional; más aún, elpeso de las criptas es casi equivalente al de la tierraretirada y además se debilitaron las contratrabes.

En cuanto a los pilotes de control, partiendo de queúnicamente son confiables 103 pilotes de la Catedraly 14 del Sagrario y aceptando que soportaran cadauno 100 t de, se dispone de una capacidad de carga total del orden de 11,700 t que, comparada con el pesoaproximado del conjunto de 157,000 t, resulta ser sólodel 7.5 %, que corresponde a un tercio de la hipótesisinicial, lo cual es insuficiente para modificar elcomportamiento de las cimentaciones de los templos.

Es conveniente aclarar que los pilotes de control hansido útiles para recimentar edificios modernos cuyarigidez es indispensable para permitir las acciones delmantenimiento de estos pilotes, que implica hacerdescender los marcos de soporte y el eventual recortede los pilotes. Pero en el caso de la Catedral ySagrario sus grandes dimensiones y flexibilidadestructural, hacen que la idoneidad de estos pilotespara controlar del hundimiento diferencial a largoplazo resulta imperceptible.

In 1929, the Technical and Conservation Commissionfor the Cathedral appointed architects Manuel OrtizMonasterio and Manuel Cortina García to make astructural evaluation of the Cathedral becausesettlements had caused alarming damages. As a firstmeasure, it was decided to demolish the seminary, tounload the east zone.

First intervention in the Cathedral. Architects Ortiz Monasterio and Cortina García decided to empty theearth fills from the cells of the inverted beam gridsupporting the Cathedral with which the averagecontact pressure decreased from 143 kPa to 108 kPa,i.e. a reduction of 25 %. The project also consideredthe reinforcement of the masonry inverted beam gridwith reinforced concrete. A few years later crypts wereinstalled in the empty cells and gaps were openedthrough the beams to form access aisles. Themasonry elements were reinforced with structuralsteel beams that were supported by a concrete slabwith an approximated thickness of 50 cm (Fig. 3) thatwas only built at the east and west sides of thetransept. Finally, the wooden floor at the parish levelwas replaced by a reinforced concrete slab with aconstruction joint left along the western side columnaxis.

First intervention at the Sagrario church. Anattempt to underpin the Sagrario Church took place inthe forties, with 25-cm diameter woodpiles. Inaddition, the parish floor was reinforced with aconcrete slab supported by a grid of steel beams.Subsequently, between 1960 and 1964 anotherunderpinning system was tried at the using concretepiles driven in one meter lengths. Many of the top partsof such piles can be observed at the cells under theSagrario; it is evident that a large amount of themcould not be driven.

Second intervention in the Cathedral and theSagrario. In 1972, the Secretaría del PatrimonioNacional (SPN) commissioned Mr. Manuel GonzálezFlores to study settlements in the Cathedral. Herecommended the installation of control piles to“reduce load demands on the foundation in about 25%, to adjust the descent of the building with respect itssurroundings and to achieve a uniform distribution ofsettlements”. His proposal was to install 280 piles inthe Cathedral, mainly in its southern part (Fig. 3) and he did not specify the exact number of piles needed inthe Sagrario. Practical difficulties forced him to install them where possible and, hence to increase itsnumber to 390 at the Cathedral; 129 piles wereinstalled at the Sagrario.

Classification of the foundation piles. The pileswere classified as reliable and as inefficient on thebasis of data reported in the project logbook. The

former have their tips properly supported by the FirstHard Layer. The latter may be separated into fourgroups: a) short piles whose tips do not reach the FirstHard Layer and work as friction piles; b) long, inclinedor broken piles were those whose reported lengthswere larger than the depth required to reach the First Hard Layer; c) those installed where they were notactually required, unnecessary piles; d) long frictionpiles installed in the outer edge that, given thetechnique used to drive them, may have punctured theFirst Hard Layer from the atria. A statistical analysismade in 1989 concluded that only 27 % of the piles areproperly supported by the First Hard Layer, and at theSagrario only 11 % of the piles fulfill such condition.

Comments. Work described in the former paragraphswas conceived without having a proper knowledge of the characteristics of the subsoil and its behavior. Inthe first intervention the benefits of removing soil touniform settlements turned out to be quite limitedbecause regional settlement soon compensated itand, the weight of the soil removed was nearly thesame as the weight of the crypts; furthermore, inbuilding the crypts, the inverted beams wereweakened.

Regarding the control piles, assuming that only 103 ofthose installed at the Cathedral and 14 of those placedin the Sagrario are reliable and considering that theirindividual bearing capacity was 100 t, it follows that atotal bearing capacity of only 11,700 t is available, athird of the capacity originally expected and only 7.5 %of the total weight of the complex, 157,000 t, which is obviously insufficient to modify the behavior of thefoundation of each of the churches.

Control piles have proven to be useful forunderpinning rigid modern buildings that can allowcontinued maintenance operation for these pileswhich imply the temporary removal of the reactionframes and eventually, the trimming of the pile caps.The large dimensions and structural flexibility of theCathedral and the Sagrario contribute to deeming asimperceptible the capabilities of control piles forcontrolling settlements in the long term.

qc

NAFSCEFASFAI

Nivel Freático / Phreatic levelSondeo de cono eléctrico / CPT soundingFormación Arcillosa Superior / Upper Clay FormationFormación Arcillosa Inferior / Lower clay Formation

2Resistencia de punta / Point-penetration resistance (kg/cm )

Nota:-Los tres sondeos de cono eléctrico realizados frentea la Catedral, muestran un perfil estratigráfico en el cualal centro se presenta mayor resistencia del suelo y menorhacia ambos lados. Esta situación ha provocado que laCatedral se incline hacia el poniente y el Sagrario haciael oriente.

Note:-The three CPT soundings advanced in front of the Cathedalevidence a stratigraphical profile with a higher penetration resistance at the center and lower toward both sides. Thissituation has made the Cathedral to lean to the west and theSagrario to the east.

Estratigrafía ilustrativa del sitio y desniveles de la superficieIllustrative stratigraphy of the site and differential settlement at the surface

Presión de poro, u /2Pore-Water pressure, u (kg/cm )

SCE-1

Tubo de observaciònObservation pipe

Mediciones en la EP-1 /Measurements at EP-1

Predicción 1 /Prediction 1

Predicción 2 /Prediction 2

EstratigrafíaStratigraphy

CONDICIONES PIEZOMÉTRICASPIEZOMETRIC CONDITIONS

0

10

20

30

Relleno / Fill

Costra superficialSuperficial crust

FAS

FAI

Capa dura / Hard layer

DepósitosProfundos

Deepdeposits

40

50

60

Pro

fund

idad

,m

0 50 1001 1 12 2 23 3 34 4 45 5 5

D

C

AA A

B

b caNAF

Presión hidrostática(Mayo 90)

Presiónhidrostáticade referencia

+ +++ +++ +++ +++ +

Predicciones del abatimiento piezométricoPredictions of the piezometric drawdown

Superficie superior de las arcillas FAS, deformada por el peso de las antiguas pirámides y de la CatedralTop surface of the FAS clays as deformed by theweight of the old pyramids and of the Cathedral

N

Elevación /Elevation2214 msnm

Elevación / Elevation2224 msnm

Elevación /Elevation

2215 msnm

El suelo blando se hunde más que el suelo duroThe soft soil subsides more than the hard soil

El abatimiento piezométrico producepresiones adicionales en el sueloThe piezometric drawdown inducesadditional pressures in the subsoil

FAS: Formación Arcillosa Superior Upper Clay FormationFAI: Formación Arcillosa Inferior Lower Clay Formation

Zona /Zone 1 Suelo blando / Soft soilZona / Zone 2 Suelo intermedio / Intermediate soilZona / Zone 3 Suelo duro por la precarga de las pirámides / Hard soil due to the preloading of the pyramids

Zona /Zone 1 Zona /

Zone 2 Zona /Zone 3

FAS

FAI

Pirámide / PyramidRelleno / Fill102030

405060

Curva de igual resistencia media con2el cono eléctrico, en kg/cm

Equal penetration resistance contour from2CPT tests, in kg/cm

Zona de baja resistencia /Zone of low penetration resistance

10

Resistencia media en laFormación Arcillosa Superior

Average penetration resistanceat the Upper Clay Formation

N

0 10 20 30


191817

161514

14

31

15

12

11

10

12

11 12

11

1011

12

13

11 12

105 6 7 8 9

98

13

16

16

17

15 14

13

1514

13

1121

10

2113

5 6 7 8 9

10

9

8

76

5

567

89

10

Simbología / Symbols

CONACULTA Características del SubsueloSubsoil Characteristics4.

PonienteWest

OrienteEast

H=0.70 m

H=1.25 m0 0 0

20 20 20

NAF

40 40 40

6060 60Depósitosprofundos

Capa Dura

o t a up rf ci lC s r s e i a

Relleno

FAI

FAS

Pro

fund

idad

/Dep

th,m

0 0 050 50 50SCE-2 qc

qc qcSCE-1 SCE-6100 100 100

CeldainstrumentadaInstrumentedcell

Cono eléctricoElectric cone

ßpÎ¬ ±¯

qc

Deepdeposits

Hard layer

e ia uSup rfic l cr st

Fill

msnm: Metros sobre nivel del mar

La información geológica, geotécnica e histórica delsitio permitio ratificar que la Catedral está sobre la islanatural que habitaron los aztecas, la cual era sólo unapequeña elevación sobre el lago, y que hubo unmanantial denominado por los aztecas Toxpálatl, elcual se hallaba en lo que hoy es el atrio poniente de laCatedral. El programa de exploración geotécnicamencionado en el Capítulo 1 permitió conocerdetalladamente la estratigrafía bajo la Catedral y elSagrario y para determinar las propiedades delsubsuelo, principalmente su compresibilidad. En laetapa de estudios previos, en 1989, se ejecutaron 21sondeos verticales con cono eléctrico y dos demuestreo inalterado continuo. Para la construcción delas 32 lumbreras se efectuaron otros 29 sondeos decono eléctrico.

El cono eléctrico es un dispositivo que se hinca dentrodel terreno con una velocidad de penetraciónconstante. Arriba de su punta cónica se coloca unacelda electrónica con la que mide la resistencia delsuelo a la penetración de la punta. Esta oposicióndepende de dos factores: a) la resistencia del suelo alesfuerzo cortante y b) la compresibilidad del suelo. Laresistencia medida con el cono eléctrico secorrelaciona con ambos parámetros.

Corte estratigráfico ilustrativo. Los tres sondeos decono eléctrico realizados frente a la Catedral y elSagrario permitieron elaborar el corte estratigráficoque se muestra en la Fig. 4. En esta ilustración seadvierte que en la colindancia entre ambos templos elsuelo presenta mayor resistencia ya que es el puntoque ha recibido la mayor carga de templos aztecas, derelleno arqueológico, del templo de Tonatiuh y de las dos pesadas estructuras coloniales. En cambio, haciaambos extremos del corte se observa que laresistencia se reduce a casi la mitad. Esta situación haprovocado que la parte sur de la Catedral se inclinehacia el poniente y el Sagrario, hacia el oriente; estepatrón de deformaciones explica las grietas históricasde lado poniente de la Catedral y de lado oriente delSagrario. En la misma figura también se muestran losespesores y profundidades de los estratos mássignificativos de la secuencia de suelos del sitio.

Deformaciones en el subsuelo. Con la información de los sondeos de cono eléctrico se pudo definir laprofundidad del contacto entre la costra natural y lasarcillas blandas, superficie originalmente plana que,debido a la consolidación inducida por las pirámidesaztecas, sufrió depresiones de hasta 10 m, las cualesse observan en la . 4. Por eso, antes de laconstrucción de los templos coloniales, el sitio seniveló con rellenos para configurar un nuevo planoinicial. Las pruebas de laboratorio (pruebas deconsolidación unidimensional) demostraron que lascargas aplicadas por las antiguas construcciones

prehispánicas fueron en algunas zonas eliminadas yen otras, incrementadas posteriormente por el pesode la Catedral y del Sagrario. Esta compleja historiade cargas dio origen a la heterogeneidad en lascondiciones y propiedades del subsuelo que sedetectó con los ensayes de campo y de laboratorio.

Mediciones de la presión de agua en el suelo en1990. Para completar el conocimiento de lascondiciones del subsuelo del sitio, se midieron laspresiones del agua intersticial a diferentesprofundidades y para ello se instaló la estaciónpiezométrica EP-1 localizada en el atrio sur de laCatedral, con siete celdas hasta 63 m de profundidad.En la Fig. 4 se observa que entre 0 y 20 m deprofundidad existe una tendencia hacia la condiciónhidrostática; a partir de esta última profundidadcomienza a registrarse pérdida de presión de poro del

2orden de 1.8 kg/cm en la Primera Capa Dura a 38 m2de profundidad y de 2.0 kg/cm en los Depósitos

Profundos a 53 m de profundidad.

Estimaciones de la presión de agua en el futuro.Considerando que la extracción de agua del subsueloinevitablemente continuará indefinidamente y que porello la distribución de presiones en el agua intersticialmedidas en la estación piezométrica EP-1descenderán lentamente, se puede inferir que seformará un manto de agua colgado, alimentado por lainfiltración de lluvia y por fugas de tuberías de agua ydrenaje. Aceptando como válidas estas hipótesis, sepueden definir dos predicciones de la variaciónpiezométrica que condicionarán el hundimiento quesufrirán la Catedral y Sagrario, Fig. 4.

Predicción 1. Es factible imaginar un nivel colgado de"agua atrapada" entre 6 y 25 m de profundidad y unadistribución hidrostática por debajo de éste. Estaconjetura implica un abatimiento de la presión

2hidráulica con un valor menor de 1.8 kg/cm en laFormaciónArcillosa Superior.

Predicción 2. Se podría también considerar que seformarán dos niveles de agua colgados, uno entre 6 y13 m y otro entre 16 y 38 m. Este pronóstico implicaque la presión hidrostática tenga abatimientos en

2esas profundidades de 0.8 y 1.8 g/cm ,respectivamente. Además, partir de los 45 m deprofundidad, se tendría una distribución hidrostática.

Geological, geotechnical and historical information of the site ratified that that the Cathedral was erected ona natural islet which was only a small promontory witha spring known to the Aztecs as Toxpálatl, that existedunder what is presently the west atrium. Thegeotechnical exploratory program mentioned inChapter 1 was carried out to define in detail theunderlying stratigraphy of the Cathedral and theSagrario and to determine the subsoil properties,particularly, the compressibility of the materials.Preliminary studies performed in 1989 included 21cone penetration tests (CPT tests) as well as twoborings with continuous undisturbed sampling. In thecourse of the construction of 32 shafts in 1993, 29additional CPT tests were made.

In a CPT test a conical tip is driven into the ground at aconstant penetration rate. An electronic cell is fittedabove the tip to measure soil penetration resistance.This resistance depends on two factors: a) theshearing strength of the soil itself and b) soilcompressibility. Tip penetration resistance iscorrelated to both factors.

I l l u s t r at i v e s t r at i g r ap h i c al p r o f i l e . Thestratigraphical profile shown in Fig. 4 was producedfrom the results of three CPT borings performed infront of the Cathedral and of the Sagrario. As seenthere, the soil at the boundary between both churchesis stronger because it corresponds to the zone thathas received the heaviest load transmitted by theAztec temples, by an archaeological fill, and by the twoheavy Colonial structures. Towards both ends of theprofile penetration resistance reduces almost by ahalf. This condition induced the tilting of the southern part of the Cathedral towards the west whereas theSagrario is inclined to the east. This deformationpattern explains the formation of historical fissures at the west side of the Cathedral and at the east of theSagrario. The same figure also shows the thicknessand depth of the most relevant strata found in the soilsequence at the site.

Subsoil deformations. The depth of the contactbetween the natural shallow crust and the soft clayswas defined from information derived from the CPTtests. That surface was originally flat but as a result ofthe consolidation induced by the Aztec pyramids itunderwent depressions as deep as 10 m, as sown Fig.4. This is why the site was leveled with artificial fills toshape a new initial plane before the construction of theColonial churches.

Laboratory tests (one-dimensional consolidationtests) demonstrated that the loads applied by theformer pre-Hispanic constructions were removed atsome parts, although in other areas they weresubsequently increased by the weight of the Cathedral

and of the Sagrario. This complex load history broughtabout the heterogeneity in the conditions andproperties of the subsoil that was detected in the fieldand laboratory tests, as illustrated schematically inFig. 4.

Pore pressure measurements in 1990. Pore-water pressures at seven depths were measured inpiezometric station EP-1 installed at the southernatrium of the Cathedral, to complement theknowledge of subsoil conditions at the site down to adepth of 63 m. It can be observed in Fig. 4 thatbetween 0 and 20 m in depth, pore pressure is nearlyhydrostatic; beyond this last depth a pressure loss ofabout 180 kPa was noted at the First Hard Layer, 38 mdeep, and of 200 kPa at the Deep Deposits, 53 mdeep.

Estimates of future water pressure trends.Considering that, unavoidably, water extraction fromthe subsoil will continue indefinitely, pore pressuredistribution recorded at piezometric station EP-1 can be expected to slowly decrease in the future and thatpore water may eventually define a hung aquiferformed by the infiltration of rainwater and by seepagefrom potable water and sewage mains. With thesehypotheses two predictions of the piezometricvariation were established, (Fig.4):

Prediction 1. It is feasible to imagine a suspendedbody of "trapped water" located between 6 and 25 m in depth as well as a hydrostatic distributionunderlying the former. This assumption implies adecrease of the hydraulic pressure down to a value of180 kPa at the Upper Clay Formation.

Prediction 2. It can also be assumed that two hungwater levels will be formed, one of them between 6and 13 m in depth and the other from 16 to 38 m. Thisimplies pore pressure drops at such depths of 80 and180 kPa, respectively. Furthermore, beyond a depthof 45 m a hydrostatic distribution may also bereached.

Uno de los mosaicos de referenciacolocados en 1906 en el Centro Histórico.

One of the reference mosaics placed in1906 at the Historic Center.

TICA

CONACULTA Hundimiento RegionalRegional Subsidence5.

Asentamiento regional de la referencia TICA de la CatedralRegional subsidence of Tica reference at the Cathedral

Tangente Inferiordel Calendario Azteca

Lower Tangent ofthe Aztec Calendar

(TICA)

Relleno Artificial / Artificial FillSuelo blando / Soft soil

Costra Superficial Natural / Natural Superficial Crust

Formación Arcillosa SuperiorUpper Clay Formation

Capa Dura / Hard LayerFormación Arcillosa InferiorLower Clay Formation

Depósitos ProfundosDeep Deposits

Arcillas limosas profundasDeep silty clays

Arenas limosas / Silty sands

Limos arenosos / Sandy silts

Limos / Silt

Arenas volcánicas /Volcanics Sand

Tobas volcánicas / Volcanics Tuff

40.0

60.0

80.0

100.4

3.4 cm/año(39%)

MaterialescompresiblesCompressiblematerials

Bancos de nivel profundos exentosde fricción negativa /

Deep bench marks negativefriction free

NAF0

50

100

150

Pro

fund

idad

/Dep

th,m

200

(1)

(5)

HUNDIMIENTOS / SETTLEMENTS

2005 9.2 cm/año

0

(2)

3.9 cm/año(54%)

1.7 cm/año(18%)

3.3 cm/año(46%)

1.3 cm/año(14%)

0

OrienteEast

PonienteWest

1992 7.2 cm/año

2003 8.7 cm/año

2.5 cm/año(29%)

1.3 cm/año(15%)

1.5 cm/año(17%)

(3)

4.9 cm/año(58%)

1.3 cm/año(15%)

(4)

2004 7.8 cm/año

1.6 cm/año(21%)

1.2 cm/año(15%)

3.4 cm/año(44%)

1.6 cm/año(21%)

Distribución de hundimientos anuales entre 1991 y 2007 en la CatedralAnnual settlement distribution between 1991 and 2007

(6)

2006 7.5 cm/año

1.5 cm/año(20%)

1.1 cm/año(15%)

4.1 cm/año(54%)

0.8 cm/año(11%)

(7)

2007 6.1 cm/año

2.0 cm/año(33%)

0.6 cm/año(10%)

2.0 cm/año(33%)

1.5 cm/año(24%)

(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)

El banco de 60 m dejó de funcionar en 1999 Medidos entre marzo 23 de 1991 y mayo 4 de 1992 Medidos entre julio 14 de 2002 y agosto 15 de 2003 Medidos entre agosto 15 de 2003 y julio 20 de 2004 Medidos entre julio 20 de 2004 y septiembre 1 de 2005 Medidos entre septiembre 1 de 2005 y septiembre 27 de 2006 Medidos entre septiembre 27 de 2006 y octubre 26 de 2007

Banco No. 251 Atzacoalco; referencia fundamental para todas las nivelacionestopográficas de la ciudad de México

Atzacoalco bench mark: basic referencefor all topographic levelings in Mexico City.

Referencias topográficas / Topographic references

cm/año = cm/year

2235

2234

2233

Ele

vaci

ón/E

leva

tion,

m

2232

2231

1965

1975

1970

1980

1985

1990

1995

2000

2005

Tiempo, años / Time, years

7.77.5

5.1

Promedio / Average7.1 cm/año

10.5Sep-86

6.4 Sep-901.6

9.216-feb-93 11.111.7

23-Sep-94

04-Sep-9614-Ene-99

9.110.4

12.0

Ene-00


Nivelaciones / Levelings TGCNivelaciones / Levelings HIPLACNivelaciones / Levelings GAVM

2010

8.55.6

Sep-2007

Nota:Los números indican la velocidadde hundimiento en cm/año; losque tienen asterisco (*) son valorespromedio también en cm/añoNote:Numbers indicate the settlement ratein cm/year; asterisks(*) indicateeverage values also expressedin cm/year

1880

1900

1920

1940

1960

1980

2000

2020

Tiempo, años / Time, years

2241

2240

2239

2238

2237

2236

2235

Ele

vaci

ón/E

leva

tion,

m

2234

2233

2232

2231

2.72.2*

1.4 5.6

8.7* 15.7

40.3

28.5*

16.5

7.77.7

7.1*5.1

6.41.6

9.2 11.712.0

9.1 8.5 5.6

El fenómeno del hundimiento regional que daña a laciudad de México se explica de la siguiente manera: elbombeo produce una disminución de la presión deagua dentro del acuífero, el cual tiene dos grandescaracterísticas: a) está constituido por materiales muypermeables como arenas, limos arenosos o gravas, yb) está confinado por arcillas de muy bajapermeabilidad. Al disminuir la presión del agua en elacuífero, también ocurre una disminución gradual de la presión del agua que se encuentra en los poros ointersticios estructurales de los materiales arcillosos.Dependiendo del espesor y de la permeabilidad de laarcilla, un cambio en la presión del agua en el acuíferoproduce cambios diferidos en la presión del agua delos poros de los materiales poco permeables quepueden tardar incluso décadas en alcanzar un nuevoestado de equilibrio. Junto con esta alteración, seestablece un flujo lento descendente de agua, desde la arcilla hasta el acuífero.

Cuando las arcillas están saturadas, como ocurre conbuena aproximación para el caso de la ciudad deMéxico, el volumen de agua que expulsan esproporcional al hundimiento que manifiesta lasuperficie. Los cambios de presión que experimentael agua de los poros de la arcilla incrementan losesfuerzos que actúan efectivamente sobre la fasesólida del suelo. De ahí que ocurra la compresión de ésta y por ello el proceso de bombeo equivale asobrecargar efectivamente al suelo, como respuestaa la disminución de las presiones de poro. Elfenómeno de deformación vertical tiene doscomponentes que se desarrollan simultáneamente: a)la consolidación primaria o salida del agua intersticial,la cual predomina por algunos unos años, y b) ladeformación secundaria, que actúa durante muchasdécadas.

Hundimientos medidos. En 1860, Javier Cavallarihizo la primera nivelación entre lo que creyó era unafloramiento fijo de roca basáltica ubicado en el atrio de la iglesia de Atzacoalco y la Catedral. La segundanivelación también fue de Cavallari y la tercera la hizoen 1892 el Ing. Roberto Gayol, desde el mismoafloramiento de roca a la Tangente Inferior delCalendario Azteca (TICA) que estuvo adosado a latorre poniente de la Catedral. Posteriormente, seconfirmó que el afloramiento de roca era un bloquesuelto y por ello no era confiable. En 1937 seinstalaron otro Bancos de Referencia y desde 1959 seconstruyó el Banco No. 251 como la referencia denivel para los trabajos topográficos en la ciudad deMéxico. La Comisión Nacional de Aguas lo definecomo Monumento Atzacoalco y se localiza a cerca deun kilómetro de distancia al suroeste de la iglesia deese nombre, en la acera poniente de la calle de CaboFinisterre, en un afloramiento confiable de roca, Fig.5.

Los efectos del hundimiento regional en la Catedral sepueden ilustrar con los asentamientos de la referenciahistórica TICA. Como se aprecia en la Fig. 5, estareferencia se hundió más de 8 m durante el siglo XX yaproximadamente 2.7 m en los últimos 35 años. En lagráfica se destacan los valores más significativos dela velocidad del hundimiento anual. Puede notarseque entre 1965 y 1990 el hundimiento siguió una leyaproximadamente lineal con una velocidad de 7.1cm/año. En la nivelación de 1991 esta velocidad seredujo a sólo 1.6 cm/año y posteriormente, porinfluencia de los trabajos de subexcavación, seincrementó temporalmente a 10 cm/año entre 1991 y2000. Entre los años 2006 y 2007 se han medido 7.5 y6.1 cm/año respectivamente.

Distribución de hundimientos en el subsuelo. Enel atrio de la Catedral se instalaron bancos de nivelprofundo a 40, 60, 80 y 100.4 m de profundidad para dos fines: a) verificar el hundimiento regional y b)determinar cómo se distribuyen los hundimientos enel subsuelo. Esos bancos están integrados por unatubería doble concéntrica. La interior es la dereferencia; por ello es continua y se desplanta a laprofundidad elegida. La tubería exterior, conformadapor tramos compresibles, absorbe axialmente lasdeformaciones verticales que sufre el suelo entre lasuperficie y la profundidad de desplante del banco ypor ello este instrumento es insensible a la fricciónnegativa. El tubo interior permanece libre, es decir, noqueda sometido al pandeo que afecta a los bancostradicionales de tubo exterior rígido. Las fuerzas defricción que afectan al tubo interior quedan, de hecho,eliminadas.

En la Fig. 5 se aprecian tanto los valores de losasentamientos medidos en los bancos de nivel comola contribución en porcentaje de los principalesestratos compresibles. En 1991, cuando no se había trabajado en el subsuelo de la Catedral, la FormaciónArcillosa Superior aportaba el 54 %, la Inferior y lasArcillas Limosas Profundas el 46 % y el hundimientoera nulo por abajo de 80 m; esta distribución deasentamientos inquietó porque indica que la viejahipótesis de que el origen del hundimiento regionalera la consolidación de las arcillas de la FormaciónArcillosa Superior está rebasada. Pero la medición de2007causa alarma porque demuestra que laFormación Arcillosa Superior se asienta el 11 % y quedebajo de ella ocurre el 89 % y que el hundimiento queocurre por abajo del banco de 100 m de profundidadcontribuye con 54 %.

Regional subsidence, which induces damages inMexico City, can be explained as follows: groundwaterextraction reduces water pressure within the aquiferwhich has two major characteristics: a) it is constitutedby pervious materials such as sand, sandy silt orgravel; and b) it is confined by low-permeability clays.As water pressure in the aquifer decreases, a gradualreduction of the pressure in the water filling the poresor structural voids of the clays also occurs. Dependingon the thickness and the permeability of the clay, achange in water pressure in the aquifer producesdeferred changes in the pore-water pressure of thelow-permeability materials that may last even decadesbefore reaching a new state of equilibrium. In additionto this change, water will flow downwards very slowlyfrom the clay into the aquifer.

When the clays are saturated, as it is approximatelythe case in Mexico City, the volume of water expelledis proportional to sinking observed at the groundsurface. Pressure changes undergone by the pore-water pressure in the clay increase the stresses actingeffectively in the solid phase of the soil. Thecompression of the latter follows and it is because ofthis that the pumping process is equivalent to aneffective surcharge of the soil, in response to thereduction of pore pressures. Regional subsidence inthe city has two components that developsimultaneously: a) primary consolidation throughwhich interstitial water is expelled from the soil voidsand predominates for some years; and b) secondaryconsolidation, a slower deformation process thatpersists for several decades.

Recorded settlements. In 1860 Javier Cavallariperformed the first leveling between the Cathedral andwhat he thought was a fixed basalt outcrop at theatrium of the Atzacoalco Church. Cavallari also madethe second leveling and the third one was carried out by Roberto Gayol in 1892, from the same rock out cropto the lower tangent of the Aztec Calendar (TICA) thatused to be attached to the Cathedral's west tower. Itwas later established that the outcrop was in fact aloose block and, hence, not a reliable reference.Another benchmark was installed in 1937and a newerone exists since 1959, Benchmark No. 251, whichbecame there after the basic reference fortopographic jobs in Mexico City. The ComisiónNacional de Aguas calls it the Monumento Atzacoalcoand it is located about one kilometer from the church insouthwest direction, in the Cabo Finisterre Street, andon top of a reliable rock outcrop, Fig. 5.

The effects of regional subsidence can be illustratedby analyzing the development of settlements at theTICA historical reference. As shown in Fig. 5, thisreference settled more than 8 m during the 20thcentury, and approximately 2.6 m over the last 35

years. The graph highlights the most significant valuesof yearly settlement rates. Between 1965 and 1990subsidence varied almost linearly, approximately at a rate of 7.1 cm/year. In the leveling made in 1991, thisrate had decreased to only 1.6 cm/year andsubsequent ly, because of the effects ofunderexcavation at the Cathedral, it increased to 10cm/year from 1991 to 2000. Rates of 7.5 and 6.1cm/year have been measured during 2006 and 2007,respectively.

Settlement distribution within the soil. Deep benchmarks, 40, 60, 80 and 100 m deep, were installed inthe Cathedral's atrium with a twofold purpose: a) tomeasure total settlements, and b) to determine thedistribution of settlements within the subsoil. Thesebenchmarks are constructed with twin concentricpipes. The internal one act as a reference mark andtherefore it is continuous and rests at the selecteddepth. The external pipe is compressible and, hence, itabsorbs axially the vertical deformations undergoneby the soil between the surface and the depth of thebenchmark. The inner tube remains free, i.e. it is notaffected by buckling as are conventional bench marksbuilt with rigid outer pipes. Friction forces actingagainst the inner pipe are in fact eliminated.

Settlements measured at the deep benchmarks areshown Fig. 5 as well as the contribution in percentageof the major compressible strata to total settlements.In 1991 before geotechnical work in the Cathedralbegan, the Upper Clay Formation contributed with 54%, the Lower Clay Formation and the deep silty claysof the former third lake, with 46 %; settlements below80 m were nil. At the time those data were disquietingbecause they proved wrong the ancient hypothesisthat considered that the compression of theuppermost clays was the sole contributor to regionalsubsidence. The measurements of 2007 are evenmore alarming because they show that the Upper ClayFormation contributed with 11 %; 89 % took placebelow those clays and 54 % is occurring below 100 m.

CONACULTA Hundimientos Diferenciales Pasados, Presentes y FuturosPast, Present and Future Differential Senttlements6.

Curvas de nivel de hundimientos anuales (mm/año).Mediciones del 7 Enero 1991 al 2 Septiembre 1991

Contours of equal settlement rates (mm/year).Measurements from January 7, 1991 to September 2, 1991

10 20 30 m


0

N

-18-16-14-12-10-8

-6

-2

0.0

-4

-4-6-1

8-

61 -12

-10 -8

-14

0.0

-26

-6 -4

-2

2

20.0

-8

-2

.0 0

2

-2

0.0

-4-6

-8-10-12

2-0.

0

2

-2

0.0

4

20.0

-2-4-6

-16- 41-12-10

-8

-6-4

-12

0.0

-2

Comportamiento inicial / Initial behavior

-25


Curvas de igualhundimiento en cmContours of equalsetlement, in cm

.00C3

57

75

52

25

25

25

25

-25

-25

2- 5-25

-75-1

52-1752- 25

-275-325

-25-74 5

3 5- 7-325

-352

-275

-275

-225

5-22

-75

1-125

-125

-125

-57

-75

5-7

-71 5

Predicción 1 / Prediction 1

Estimación de los asentamientos futurosinducidos por el hundimiento regional, en cm

Estimate of future settlements,in cm, induced by regional subsidence

Predicción 2 / Prediction 2

57 0.0C3

25

-25

5-2

-57

-215 75

-1

-5

275

-22

0 10 20 m

-425

2-4

5

25

75

25

25

25

-25

-25 -2

5

200

-75

2-15

- 753

-375

2- 75-

522

-225-225

-175

5-17

3- 25

-325-75 -1

520 10 20 m


0.0

50

100

150153

Octubre / October 1907Configuración elaborada con datos de la SPN

Contours prepared with data from SPN

Evolución de los asentamientos diferenciales pasados cmEvolution of past differential settlements,

25 Enero / Janury 25, 1989Configuración elaborada con datos de PICOSA

Contours prepared with data from PICOSA

0.0

05

100

150

200

240


-25


Curvas de igualhundimiento en cmContours of equalsetlement, in cm

Curia

Los asentamientos acumulados en la Catedral através de 419 años, desde el inicio de la construcciónhasta finales del año de 1989, generaron unhundimiento diferencial acumulado de 2.42 m entre elábside y la torre poniente, que corresponde a lospuntos de las pilastras B-11 y C-3 en la Fig. 6. Sudesarrollo debe interpretarse como la suma de dosfactores: a) la consolidación provocada por el peso delos templos aztecas preexistentes y de las estructurascoloniales, y b) el hundimiento regional de la ciudad.Este último ha sido determinante en la generación dehundimientos diferenciales durante los últimos 150años; principalmente a él se debe que la torreponiente se haya hundido 87 cm entre 1907 y 1989, talcomo se muestra en la Fig. 6, como se deduce de la diferencia de niveles entre el perno de latón instaladoen 1907, probablemente por el Ing. Roberto Gayol, y el perno correspondiente del plinto de la pilastra C-3del ábside, adoptado como la referencia cero desdeese entonces.

Para verificar la influencia del hundimiento regional enlos diferenciales de asentamiento en las estructuras,se realizaron durante la etapa de estudios previosvarias nivelaciones topográficas de precisión en laCatedral y en el Sagrario. Las nivelacionestopográficas se hicieron en el plano de los plintos delas columnas de la Catedral, sobre los pernos antesmencionados, lo cual permitió dar continuidad a lasnivelaciones de esta superficie que se han venidorealizando desde 1907. En la Fig. 6 se presentan las velocidades de hundimiento anual obtenidas a partirde las mediciones que se efectuaron en el periodocomprendido entre el 7 de enero y el 2 de septiembrede 1991, que fue el lapso del que se dispuso paraefectuar las observaciones antes del comienzo de lostrabajos de subexcavación. Esta figura permiteinterpretar las deformaciones geométricas quesufrieron esos templos en ese tiempo y representa lastendencias de hundimientos que se hubieranmantenido de no haberse efectuado el proyecto desubexcavación de la Catedral. Anualmente, porejemplo, la torre poniente se hundía 12 mm conrespecto a la parte central de la nave, la esquinasuroriente del Sagrario se asentaba 16 mm enrelación con su parte central y el hundimiento de laCuria era de 26 mm, con referencia el perno de lapilastra C-3.

Estimación de los asentamientos iniciales. Losasentamientos que indujeron las pirámides aztecasen la zona donde posteriormente se construirían laCatedral y el Sagrario, se estimaron a partir delespesor probable que tenían los suelos bajo los dostemplos antes de que se construyeran las estructurasprehispánicas. La metodología empleada para definirla condición inicial del subsuelo es la misma queemplearon los profesores Mazari, Marsal y Alberro*

para reconstruir, en 1984, la historia de esfuerzos ydeformaciones del Templo Mayor. Para el caso de laCatedral las cargas estimadas, las áreas sometidas aesfuerzos, los espesores de los materialesdeformables y las compresibilidades que se infiriótenían los suelos en ese entonces, se obtuvierondeformaciones que varían entre 7 y 13 m, las cualesco inc iden razonab lemente b ien con lasprofundidades a las que se detectó el espesor derellenos que se dedujeron a partir de los sondeos decono eléctrico realizados.

Predicción de asentamientos diferencialesfuturos. La predicción de los asentamientos futurosse realizó empleando procedimientos y métodostradicionales de la mecánica de suelos. Estepronóstico, que se llevó a cabo suponiendo que lostemplos se dejarían como estaban en 1989, permitió obtener un panorama de las consecuencias que setendrían de no intervenirlos. Los asentamientosfuturos de la Catedral y del Sagrario, como semencionó en el Capítulo 4, dependen de cómoevolucionarán las presiones del agua de los poros delos materiales arcillosos. Se consideraron las dospredicciones sobre las futuras condicioneshidráulicas en el subsuelo que podrían prevalecer,Fig. 4. La predicción 2 conduce a estimaciones máspesimistas de los hundimientos diferenciales futurospues el diferencial acumulado en la torre ponientehubiera llegado a 3.2 m. Por otra parte, para elSagrario, el diferencial medio entre la zona central ylas esquinas hubiera sido de 1.2 m, manteniendo elpunto C-3 como referencia cero. Las configuracionesde asentamientos calculados se presentan en la Fig. 6, en la cual se aprecia que los hundimientos máximosocurrirían en la torre poniente y los menores, en laparte central del Sagrario.

De los resultados anteriores, se concluyó que depresentarse un sismo como el de 1985, lasdistorsiones que tenían las estructuras, sumadas alas futuras inducidas por el hundimiento regional,hubieran generado una condición de esfuerzos quehabría puesto en gran riesgo la estabilidad de lostemplos, en particular la de la torre poniente. Por ello,se hizo necesario disminuir la magnitud de loshundimientos diferenciales.

* Mazari, M. Marsal, R.J. y Alberro, J. (1984). Losasentamientos del Templo Mayor analizados por lamecánica de suelos. Publicación Interna del Institutode Ingeniería. UNAM.

Accumulated settlements in the Cathedral over 419years, from the beginning of construction until the endof 1989, generated a differential settlement of 2.42 mbetween the apse and the western towercorresponding to the pilasters marked as B-11 and C-3in Fig. 6. Development of deformations should beinterpreted as the sum of two factors: a) consolidationinduced by the weight of the pre-existing Aztectemples and of the subsequent Colonial structure; andb) regional subsidence of the city. The latter has beenthe most important factor for the development ofdifferential settlements during the last 150 years;between 1907 and 1989 it induced a differentialsettlement of 87 cm in the west tower with respect to abrass bolt probably installed by Roberto Gayol in 1907at the plinth of pilaster C-3 at the apse, which has eversince been considered as the zero reference, as seenin Fig. 6.

In order to detect the effect of the regional subsidencein the development of differential settlements at thestructures, several precision topographic surveyswere carried out at the Cathedral and the Sagrarioduring the stage of preliminary studies. Topographiclevelings were performed at the plane of the plinth ofthe columns supporting the Cathedral thereforeallowing continuity in the measurements of thissurface that have been carried out since 1907.

Fig. 6 shows recorded annual settlement ratesobtained from measurements made in the periodcomprised between January 7 and September 2,1991, the time available to execute the surveys beforeunderexcavation. From the figure it is possible to inferthe geometric deformations suffered by both churchesduring that time and it represents the trends that wouldhave been observed, had underexcavation not beencarried out.As an example, the western tower used tosettle 12 mm a year with respect to the central part ofthe nave; the southeastern corner of the Sagrario wassettling 16 mm with respect to its central part, and thevertical deformation of the museum building was of 26mm taking as a the bolt in pilaster C-3.

Estimation of initial settlements. Settlementsinduced by the Aztec pyramids at the zone where theCathedral and the Sagrario were subsequently builtwere estimated assuming the probable thickness thatthe soil strata had under both churches prior to theconstruction of the pre-Hispanic structures. Themethod applied to define the initial subsoil condition issimilar to that used by professors Mazari, Marsal, andAlberro* to reconstruct in 1984 the stress and strainhistory of the subsoil under the Great Aztec Temple.Deformations ranging from 7 to 13 m were obtained forthe estimated loads, loaded areas, the thickness ofdeformable materials, and compressibility parametersat that time. These deformation values agree

reasonably well with those deduced from the results ofCPT tests performed at the site.

Prediction of future differential settlements. Aforecast of long-term settlements was carried outusing traditional soil mechanics procedures andmethods. This prediction was made assuming that thechurches would be left as they were in 1989, providinga panorama of the consequences that would havebeen faced, had they not been treated. As mentionedbefore, future settlements at the Cathedral and theSagrario depend on the evolution of the pore-waterpressures in the clay deposits.

Two hypotheses were assumed for the futurehydraulic conditions likely to prevail in the subsoil, Fig.4. Prediction 2 leads to more pessimistic estimates offuture differential settlements because the differentialcumulative movement at the western bell tower couldhave reached 3.2 m. On the other hand, in the case ofthe Sagrario, the average differential settlementbetween the central zone and the corners could be of1.2 m, retaining point C-3 as the zero reference. Fig. 6presents configurations of estimated futuresettlements and it can be observed that maximumvalues could occur at the western bell tower whereasthe smallest movements would develop at the centralpart of the Sagrario.

From the results presented above, it was concludedthat a large magnitude earthquake such as the onethat occurred in 1985 could induce a stress condition that could be seriously risky to the stability of thechurches, particularly that of the western tower. Henceit was necessary to reduce the magnitude ofdifferential settlements.

* Mazari, M. Marsal, R.J. y Alberro, J. (1984). Losasentamientos del Templo Mayor analizados por lamecánica de suelos. Mexico: Internal Report.Instituto de Ingeniería. UNAM.

CONACULTA Soluciones estudiadasSolutions Analyzed7.

1500 Pilotes de fricción negativa Negative skin friction piles

240 Grandes pilas Large diameter drilled shafts

Otras soluciones analizadasOther solutions analized

Línea 2 del Metro (cajón)Line 2 of the metro “subway” (cut and cover)

0 10 20 30 m

N

Escala gráficaGraphic scale32

31 3029 28

27

26

25

24

2322

21 20 19 18 17

1615

14

13

12

1110987654321

33

34

35

36 37 38

3940

41

42

43

44

45

46Catedral

2Área interior = 17,000 m2Interior area = 17,000 m

Colector semiprofundo / Semi-deep sewage collector

Perímetro de la pantallaflexible /

= 490 m

-7Permeabilidad / = 10 cm/seg

Perimeter of thecut-off wall

Permeability

Pozo de absorciónAbsorption well

Localización de los pozos de absorción y de la pantalla flexibleLocation of the absorption wells and of the cut-off wall

PonienteWest

OrienteEast

Poniente / West Oriente / East

0

20

40

60

80

Pro

fund

idad

/Dep

th,m

NAF

Q1

Q2

Q3

Qb

QI

Relleno artificial / Artificial fill

Capa Dura / Hard layer

Suelo blando / Soft soil PantallaperimetralPeripheralcut-off wall

Formación Arcillosa SuperiorUpper Clay Formation

Formación Arcillosa InferiorLower Clay Formation

Depósitos Profundos / Deep deposits

Arcillas limosas profundas / Deep silty clays3Evaluación del gasto de pérdida (Q = 147 m /día) de agua por el fondot

Evaluation of the flow rates lost at the bottom of the area confined3by the cut-off wall (Q = 147 m /day)t

0.6 m

TorreTower

ß ÕdG ̃ß Ð ³

Corte / Cross section

ß¥•@(î:

La Torre de PisaThe Leaning Tower of Pisa

58.4 mProyección de labase de la TorreProjection ofthe tower base

TrincheraTrench

PerforacionesBorings

Planta / Plan view

0 10 20 m


Esquema para la propuesto por F. Terracina en 1962subexcavaciónUnderexcavation draft proposed by F. Terracina in 1962

Esquina norponiente del Palacio Nacional: sitiode mayor velocidad de hundimiento en el entornoNorthwest corner of the National Palace: Site withthe highest settlement rate in the neighborhood

Cathedral

TrincheraTrench

PerforacionesBorings

Con el propósito de reducir los hundimientosdiferenciales históricos y aminorar los diferencialesfuturos, se plantearon y analizaron las siguientescinco soluciones posibles que se podrían adoptar.

Pilotes apoyados en la Capa Dura. Su objetivo esuniformizar el hundimiento de la estructura junto conla masa de suelo bajo su cimentación, mediante lacolocación de unos 1,500 pilotes para la Catedral que,apoyados de punta en la Primera Capa Dura,soportarían el peso de la Catedral y por fricciónnegativa tomarían el peso total de la tierra bajo sucimentación. Esto daría la rigidez necesaria alconjunto estructura-suelo para tolerar el hundimiento de la Formación Arcillosa Superior. Esta soluciónprovocaría la emersión del templo, como ocurre en laColumna de la Independencia y el Monumento a laRevolución, ambos apoyados sobre pilotes demadera apoyados en la Capa Dura.

Pilas apoyadas en los Depósitos Profundos. Conesta solución, el hundimiento de la estructura seindependizaría de los hundimientos de las dosformaciones arcillosas, las pilas se apoyarían en losDepósitos Profundos y conectarían a la cimentaciónmediante dispositivos mecánicos que permitiríanmover la estructura para corregir los desplomosexistentes e impedir que éstos se incrementaran en elfuturo. Conceptualmente estos elementos seríansimilares a los pilotes de control descritos en elCapítulo 3. Se requieren unas 240 grandes pilas parasoportar el peso de la Catedral y de la fricción negativaque se genera cuando el suelo desciende debido alhundimiento regional.

Subexcavación de las arcillas blandas. Estatécnica se describió brevemente en el Capítulo 1.Para el caso de la Catedral conceptualmenteconsistiría en horadar túneles de 10 cm de diámetroen la arcilla blanda, que por deformación o fallaplástica se cerrarían. Las aperturas y cierressucesivos de las horadaciones induciríanpaulatinamente los hundimientos los correctivoshasta las magnitudes de asentamiento que se fijaríanacorde a las deformaciones estructurales que sedeberían corregir y por ello se le identificó como elproyecto para la Corrección Geométrica de laCatedral y Sagrario.

Restitución de la presión del agua intersticial.Reconociendo que el origen del hundimiento regionales hidrológico, se estudió la recarga artificial de aguasen los estratos permeables del subsuelo. Se analizó labreve experiencia con esta técnica en el PalacioNacional. Para los templos podrían requerirse 46pozos de infiltración de agua a presión y laconstrucción de una pantalla impermeable queconfinaría el perímetro de ambos templos. Se estimó

que se controlaría el 69 % de los hundimientos y quel a s i n y e c c i o n e s d e a g u a c o n t i n u a r a npermanentemente pues, de suspenderse, loshund im ien tos que se hub ie ran ev i t adoirremediablemente se volverían a presentar, Fig. 7.

Recimentación con micropilotes. Se analizó elempleo de los llamados "pali radice" o micropilotes depequeño diámetro en un conjunto de elementosverticales e inclinados y que entrelazados forman un bloque duro para transmitir las cargas a la Capa Durao los Depósitos Profundos. Esta solución requeriríade un enorme número de esos elementos que no eraposible colocar.

Comparación de las soluciones. Las cincoopciones fueron expuestas a los colegios dearquitectos e ingenieros, así como a especialistas enmecánica de suelos. Con las opiniones levantadas seprocedió a evaluarlas calificando los factores másimportantes: objetivos estructurales identificados,seguridad de cada técnica, certidumbre de éxito,interferencia en la funcionalidad de los templos,tiempo de realización, presupuestos de ejecución yprobables imprevistos.

Resultó que la Subexcavación con el objetivo de laCorrección Geométrica de la Catedral y Sagrario fue la que mejor satisfizo la expectativa de intervenciónde esos templos. Sin embargo, varios de losespecialistas consultados externaron dudas sobre laaplicabilidad de esa técnica a las estructuras demampostería, ya que los ejemplos mostrados eran deedificios de estructura de concreto armado.

Subexcavación experimental. Para superar lasincertidumbres y demostrar la viabilidad de la técnicafue necesario realizar una subexcavaciónexperimental en una estructura de mampostería. Paraello se eligió el templo de San Antonio Abad cuyaarquitectura se asemeja a la de Catedral al grado quese podría decir que es un modelo a escala. Seexcavaron tres lumbreras de acceso hasta los suelosarcillosos blandos a 10 m de profundidad y se practicóla subexcavación, induciéndole movimientos decuerpo rígido y de torsión, con los cuales se verificó laprecisión con que se pudieron inducir esosmovimientos. El experimento fue presentado a losmiembros Comisión Internacional de Consultores,inspeccionaron la prueba y aceptaron su validezcomo prueba para proceder a la subexcavación de laCatedral y Sagrario.

The following five possible solutions for correctinghistoric differential settlements and to reduce futuredifferentials were studied:

Piles supported on the Hard Layer. Their aim was touniform settlements of the foundation and the soilmass under the Cathedral by driving 1500 point-bearing piles to the First Hard Layer, capable ofsupporting through negative skin friction thesurrounding ground and the Cathedral itself. Thissolution would increase the stiffness of the soil and thestructure enabling them to tolerate the sinking of theUpper Clay Layer. It would also induce the apparentemergence of the religious structure with respect tothe surrounding ground level, as it occurred, forinstance, at the monuments of the Independence andthe Revolution, both founded on wooden point bearingpiles supported by the First Hard Layer.

Piers supported by the Deep Deposits. With thissolution, the settlement of the structure would notdepend on the sinking of the two clay formations. Piertips would be supported by the Deep Deposits andwould be connected to the foundation by means ofmechanical devices to correct existing tilts and toavoid the accumulation of further tilting in the future.Conceptually, these elements would be similar to the control piles described in Chapter 3; 240 piers areneeded to carry all the weight of the Cathedral anddown drag generated when soil settles due to theregional subsidence.

Underexcavation in soft clays. This technique wasbriefly described in Chapter 1. For the Cathedral itwould mean, conceptually, to excavate 10 cmdiameter tunnels that would close due to plasticdeformation or failure of the soft clays; successiveopening and closure of the tunnels would graduallyinduce corrective settlements until reaching thedeformation targets fixed according to structuralconsiderations. This is why the project was named theGeometrical Correction for the Cathedral and theSagrario Church.

Pore-water recharge. Since the origin of regionalsubsidence is hydrological, the artificial recharge ofwater into permeable subsoil strata was studied. Thebrief experience gained with this technique at theNational Palace was analyzed. For implementing it atthe temples, 46 injection wells would be required, aswell as the construction of an impervious cutoff wallalong the perimeter of both temples. Estimatesshowed that this would control 69 % of the settlementsprovided water injections remained permanently;otherwise settlements would inevitably accumulateagain, Fig. 7.

Underpinning with micropiles. "Pali radice" orinclined and vertical small-diameter micro-piles werealso studied. Intertwined inside the clays, theseelements create hard blocks that transfer loads to thedeeper strata. This solution would require anenormous amount of such elements and therefore,impossible to install.

Comparing the solutions. Analyses of the fiveoptions were presented to associations of architectsand engineers as well as to soil mechanics specialists.The solutions were evaluated on the basis of theopinions gathered thence, with reference to the most important factors: structural goals, interference for theusage of the temples, time of execution, budget, andprobable contingencies.

It was concluded that intervening the temples applyingthe Underexcavation Method was the solution thatbest fulfilled the expectations for achieving theGeometrical Correction for the Cathedral and theSagrario Church. Some of the specialists had doubts about the applicability of that technique to masonrystructures, since the examples they examined wereonly related to reinforced concrete structures.

Experimental underexcavation. Underexcavationtrials in a masonry structure whose architecture issimilar to the Cathedral's and can be considered as ascale model of it, were performed at the temple of SanAntonio Abad. Trials were aimed at overcominguncertainties associated then to the technique and to prove its feasibility. Underexcavation was performedfrom the bottom of three access shafts, 10 m deep; it induced rigid body movements and torsions and it wasalso demonstrated that the process could be preciselycontrolled. The experiment was presented to themembers of the International Consultants Committee who examined the trial and accepted its validity to go on with underexcavation at the Cathedral and theSagrario Church.

Sagrario

LumbreraShaft

SubexcavaciónUnderexcavation

CatedralCathedral

l

Es a a gráf a

c

ic

G aphic scale

r

0 10N 20 30 m

Lumbreras para subexcavación / Shafts for the underexcavation process

Proceso de deformación plástica de lasperforaciones de subexcavación de 10 cmde diámetro.

Process of plastic deformation of 10 cmdiameter borings during underexcavation.

20ºB

B C

C

D

DA

A

Gato hidráulicoHydraulic cylinder

Configuración de metas propuestasContours of proposed target settlements

100 203040

5060

7020

30

40

5060

70

80

a) Dr. Fernando López Carmona’sgeometrical proposal

20

Simbología /

Curvas de igual hundimiento, en cm

Symbols

Contours of equal settlement, in cm

100

50

60

70

80

20

30

40

50

60

70

80

9095

b) Dr. Roberto Meli Piralla’sgeometrical proposal

Es al gráf a

ca

ic

G ap i sl

rh c

ca e

0 10N 20 30 m3334.3 m

3333.4 m3318.1 m

3230.7 m3232.0 m

3143.8 m3153.4 m

3171.4 m

3126.2 m

3161.7 m

3104.20 m

3218.3 m

3331.9 m

3274.7 m

3111.0 m

3Ubicación de suelo extraído por lumbrera (m )3Location of soil extracted at each shaft (m )

3Volumen total de suelo extraido 4220 m3Total volume of extracted soil 4220 m

Profundidad media: 20 mAverage depth: 20 m

Radiaciones desubexcavaciónUnderexcavationradiations

CONACULTA Subexcavación de la Catedral y del Sagrar ioUnderexcavation at the Cathedral and the Sagrar io8.

Se observa una lumbrera de acceso alos suelos blandos.

An access shaft to the soft soils canbe observed.

Se ilustra la estructura preventiva deacero par seguridad de los arcos asícomo el entablillamiento de doscolumnas.

Safety steal structure to protect the arches, as well as splints placed attwo columns.

Las “ventanas” de acceso por las que penetran los tubos subexcavadores hincados a presión.

Access “windows” through which the pressure-driven underexcavating tods are introduced.

20

Simbología /

Curvas de igual hundimiento, en cm

Symbols

Contours of equal settlement, in cm

394.5 m3104.5 m

363.5 m311.3 m 338.5 m

349.7 m

3146.3 m385.2 m357.8 m

372.6 m

3142.2 m3105.7 m

a) Propuesta geométrica delDr. Fernando López Carmona

b) Propuesta geométrica delDr. Roberto Meli Piralla

La aplicación de esta técnica tuvo como objetivoreducir los desniveles y desplomos que han sufridoestos templos debido a los hundimientosdiferenciales; para ello se hizo descender las partesaltas respecto a las bajas, mediante la extracciónlenta y controlada del suelo en que se apoya lacimentación. El procedimiento de ejecución consistede tres labores específicas: a) la construcción de laslumbreras de acceso, b) el abatimiento puntual delnivel freático, y c) la subexcavación o extraccióncontrolada de pequeñas porciones de suelo hastaalcanzar el volumen preestablecido. Las dos primerasacciones son preparatorias y la tercera constituye elprocedimiento geotécnico de corrección.

Trabajos preparatorios. Se empezó por excavar 32lumbreras de acceso, cuyo número y localización sedefinieron aplicando métodos analíticos y numéricos;se profundizaron hasta la parte superior de los suelosblandos de la Formación Arcillosa Superior que unavez horadados se cerrarán por efecto de los esfuerzosverticales, la profundidad de estos pozos está entre14 y 25 m y por seguridad fue necesario revestirloscon un ademe de concreto reforzado. El sistema debombeo se utilizó durante la construcción de laslumbreras para abatir gradualmente el nivel freático yevitar la posibilidad de la falla de fondo; se operólocalmente durante el proceso de extracción del suelopara mantener el nivel de agua bajo la losa del fondode la lumbrera y permitir la subexcavación de la arcilla.En cada lumbrera se instalaron cuatro bombaseyectoras de pequeño diámetro.

Detalles de la subexcavación. La extracción delsuelo se llevó a cabo en la arcilla blanda de la fronterade la FormaciónArcillosa Superior cuya morfología seilustra en la Fig. 4. En cada una de las lumbreras sepracticó un máximo de 50 perforaciones radiales quepenetraron dentro del suelo de 6 a 22 m. En la Fig. 8 seobserva la distribución de lumbreras, un corteilustrativo de una de ellas y otro de las perforaciones de subexcavación así como la forma en que se cierranesas perforaciones para inducir gradualmente losasentamientos requeridos. La extracción se hizodesde el fondo de las lumbreras de acceso hincando apresión tubos de de acero de pared delgadaempujados por un sistema hidroneumático para abrirhoradaciones de 10 cm de diámetro, según ejesinclinados 20°; en ocasiones se recurrió al empleo deherramientas que produjeran remoldeo de lasparedes de los huecos para acelerar su colapso.

Metas de corrección. En la Fig. 8 se presentan lasmetas geométricas que debían alcanzarse con lasubexcavación. Una propuesta fue del Dr. FernandoLópez Carmona y la otra del Dr. Roberto Meli Piralla; ambas en congruencia con las metas estructuralesque identificaron conforme a sus análisis

estructurales, el primero con modelos gráfico-analíticos y el segundo con modelos de elementofinito:

a) Producir un cierre o giro de los muroslaterales para fortalecer el confinamiento del"cinturón de contrarresto" integrado por losmuros del perímetro del templo y los

laterales de las capillas.

b) Hacer descender el ábside de la Catedral de 80 a95 cm, con un movimiento de cuerporígido.

c) Hacer descender el lado norte del Sagrario 3 0cm, con un movimiento de cuerpo rígido.

Para programar estos objetivos fundamentales seelaboró un modelo geométrico de control conprecisión de un milímetro y paso a paso se comparócon mediciones rutinarias de los cambios inducidosen los niveles topográficos del piso de feligresía ytambién con la instrumentación estructural de lasmediciones de convergencia y de las plomadassimples y electrónicas.

Apuntalamiento estructural. La subexcavación sedesarrolló con la asistencia de un complejo sistemade apuntalamiento preventivo a fin de controlarcualquier deformación imprevista y evitar dañosestructurales. Este sistema se operó durante todo elproceso, ajustándolo a los cambios geométricosinducidos, sin llegar a soportar la carga total para laque fue diseñado.

Control de la subexcavación. Durante el transcursode la subexcavación se registró de manerameticulosa el peso de cada porción de suelo extraídoy se calculó su contenido de agua para estimarconfiablemente los volúmenes de subexcavación;también se rescataron muestras inalteradas paradeterminar sus propiedades mecánicas. Laextracción de suelo se inició en agosto de 1993 y se

3concluyó junio de 1998, se extrajeron 4,220 m desuelo en 1,451,000 penetraciones de los tubosextractores. Una vez satisfechos los objetivosestructurales del proyecto, se suspendió lasubexcavación y con ello el conjunto religiosonuevamente quedó expuesto a la acción de loshundimientos diferenciales del subsuelo.

The purpose of applying this technique was to reducedifferential elevations and tilting induced by differentialsettlements. It involves lowering the high parts withrespect to the low points through the slow andcontrolled extraction of soil from the bearing strata.Three specific tasks are necessary to apply themethod: a) the construction of access shafts; b) thepunctual drawdown of the phreatic level; and c)underexcavation or controlled extraction of smallportions of soil until removing a pre-establishedvolume. The two first operations are preliminary; thethird one constitutes the corrective geotechnicalprocedure itself.

Preparatory work. It began by excavating 32 accessshafts whose number and distribution weredetermined applying analytical and numericalmethods. Their bottom, which varied between 14 and25 m, was taken down to top of the Upper ClayFormation. Borings opened in these clays will closedue to the effect of stresses acting around them. Forsecurity reasons, the shafts were lined with reinforcedconcrete. A pumping system was applied during theexcavation to gradually drawdown the phreatic leveland to prevent bottom failure; it operated locallythroughout the whole soil extraction process to keepthe water level below the bottom of the shafts and,hence, to allow underexcavation of the clay. Foursmall diameter point wells were installed inside eachof the shafts.

Underexcavation details. The extracted soil wasfrom the soft clay located at the boundary of the UpperClay Formation, the morphology of which is illustratedin Fig. 4. In each shaft a maximum of 50 radial boringspenetrated into the soil in lengths ranging from 6 to 22m. Fig. 8 shows the layout of the shafts, an illustrativecross section of one of them and a profile of thelengths penetrated with underexcavation, as well as asketch of the closure of the borings to induce therequired settlements. Soil was extracted from thebottom of the shafts driving steel thin walled samplerswith a hydro-pneumatic cylinder. Boreholes 10 cm indiameter were inclined 20º and a remolding tool wassometimes used to accelerate their closure.

Correction targets. Fig. 8 shows the targets to beachieved by applying the underexcavation method.One of them was proposed by Dr. Fernando LópezCarmona, and the other one by Dr. Roberto MeliPiralla who performed, respectively, graphic-analyticand numerical structural analyses. The correctiontargets derived from these analyses are:

a) To close and rotate the lateral walls in order tostrengthen the “confining belt” formed by thewalls along the perimeter of the temple and alongthe sides of the chapels.

b) To lower the Cathedral's apse 80 to 95 cm, ina rigid body movement.

c) To lower the Sagrario's north side 30 cm in a r i g i dbody movement.

A geometrical control model, with a one millimeterprecision, was devised to program these fundamentalgoals. The model was compared step by step withroutine topographical measurements at theparishioners' level and with convergencemeasurements and conventional and electronicplumbs.

Structural bracing. Underexcavation was executedwith the assistance of a complex preventive bracingsystem to control any unexpected deformations and toprevent any structural damages, Fig. 8. This systemoperated during the whole process to adjust it to thegradual changes induced and without ever supportingthe totality of its design load.

Underexcavation control. In the process ofunderexcavation, the weight and the moisture contentof the material extracted were accurately andrigorously monitored; unaltered soil samples werealso retrieved for laboratory testing to obtain theirmechanical properties. Soil extraction began in

3August, 1993, and finished in June, 1998; 4,220 mwere removed in about 1,451,000 extractionoperations. Underexcavation stopped once thestructural targets of the project were achieved and,thus, the religious complex was once again exposedto the action of differential settlements of the subsoil.

CONACULTA Corrección Geométr ica AlcanzadaArchieved Corrective Settlements9.

Geometría de hundimientos corregidosGeometry of corrected settlements

Corrección enagosto 2000Correction asof August 2000

12

11

10

98

7

6

5

43

21

N

A

BC

D

E

F

GH

IJ K

2.4 m

a) Red isométrica dediferenciales y correcciones inducidas

hundimientos

Isometric mesh of differentialsettlements and induced corrections

C-3 - B-10

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

21

A

BC

D

E

F

GH

IJ K

88 cm

b) Red isométrica de correcionesreferidas a un plano horizontalIsometric mesh of correctionsreferred to a horizontal plane Reconstrucción ilustrativa de la

del desplomo de la cúpulatrayectoria

Reconstruction of the pathfollowed by the dome

Notas / Notes:

1. Las curvas de nivel están en cm

2. Las curvas se definieron asignando el valor 0 al punto C-3

Contour lines in cm

Contours were defined assigning the zero value to point C-3

3. La cota del C-3 es 2233.063 msnm

4. Nuevo sistema de coordenadas

Elevation of point C-3 is 2233.063 m above sea level

New coordinate system

a aCorrección diferencial alcanzada (comparación entre las nivelacionas 1 y la 203 )Differential correction between levelings 1 and 203 performed by TGC

(25/oct/91 - 20/sept/99)

A

G

-10

0.0

10

20

30

3040

4050

50 58

60

70

80

H I J K

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

B C D E F

N

Escala gráficaGraphic Scale

0 10 20 m

1573

1664

1847

19071934

82 añ s / earo

ys

3añ

os/ y

ear

34

s

cm

s

31co

rregid

o/ C

rrecte

d

o90

.5cm

x rapo

lados

ext

olated

et

/ra

p

Jun 98m

3.6 c Ene 97

Oct 89Ago 93

Oct 94Jun 94

Torre ponienteWest tower

Salacapitular

La subexcavación logró a finales de junio de 1998el iminar esencia lmente los hundimientosdiferenciales de los últimos 65 años. Cuando terminóel tratamiento, la corrección máxima inducida era de92 cm, entre la torre poniente y el ábside. Sinembargo, tal como puede apreciarse en la Fig. 9,hacia septiembre de 1999 el hundimiento correctivomáximo era de 88 cm, y de 30 cm en el Sagrario. Estadiferencia de 92 a 88 cm, se debe a que se dejó deoperar el sistema de bombeo y los efectos delhundimiento regional volvieron de inmediato amanifestarse y por ello se perdió una parte de loshundimientos correctivos que se habían logrado. Elhundimiento diferencial histórico de referencia entrelos puntos B-11 y C-3 pasó de 242 cm en 1989, a 174cm en junio de 1998. Este hundimiento inducidoprodujo una corrección angular de 26.3' entre esospuntos. La comparación de las Figs. 8 y 9 demuestraque se lograron las metas previstas.

Geometría de hundimientos corregidos. Laconfiguración de los hundimientos corregidos serepresenta mediante las mallas de hundimiento de laFig. 9. En la malla superior se observan losdiferenciales corregidos hasta septiembre de 1999.En la parte inferior de la figura se presenta la mismamalla pero simplificada con los hundimientoscorrectivos referidos a un plano horizontal, es decir,sin los hundimientos diferenciales históricos. En ellase aprecia la forma y la distribución de loshundimientos correctivos que alcanzaron un máximo de 88 cm.

Correcciones en las torres. Las medicionestopográficas hicieron evidentes los desniveles quedesde su origen presentaban la fachada principal dela Catedral y sus torres. En octubre de 1993 se inició lamedición periódica de la verticalidad de ambas torrescon plomadas electrónicas de sensibilidad confiablede 0.1 mm con hilos de acero de una longitud de unos35 m (precisión = 1/35,000 ó 5.9”). En lo que se refierea la influencia de la subexcavación y la de los trabajosde inyección de mortero, la corrección lograda hastaabril de 2000 en las torres poniente y oriente consistióen desplazamientos de 28.7 y 27.9 cm,respectivamente, en dirección nororiente, queequivalen a correcciones de 26.3 y 24.6 % de lastorres poniente y oriente, que al inicio eran de 109 y113 cm, respectivamente.

Plomada indicadora. La imposibilidad de advertir asimple vista las correcciones que se iban realizando, hizo conveniente instalar en la cúpula central de laCatedral una plomada grande que indicara a losvisitantes los movimientos inducidos. En la Fig. 9 sepresenta la reconstrucción de la trayectoria de laplomada a través de los años. Es interesante destacarel cambio en la dirección del giro que provocaron los

hundimientos diferenciales desde finales del siglo XIXpor la extracción de agua del subsuelo. También debeseñalarse que de octubre de 1989 a octubre de 1994,la cúpula se corregía hacia el nororiente;posteriormente, al ajustarse el programa desubexcavación y hasta junio de 1998, girópreponderantemente hacia el norte. Como se apreciaen esa misma figura, la corrección total en eldesplomo de la cúpula central fue de 31 cm, que esequivalente a un giro angular de 25.3'.

Daños estructurales. La subexcavación indujoprimero movimientos para recuperar el confinamientoque los muros proporcionan a la bóveda, lo cual secomprobó porque en la bóveda se midieronl e v a n t a m i e n t o s d e v a r i o s c e n t í m e t r o s .Posteriormente se ajustó la secuencia desubexcavación para lograr el segundo tipo demovimiento, el de cuerpo rígido hacia el noreste. Loshundimientos correctivos inducidos produjeron elcierre de grietas y la reducción de la inclinación de lascolumnas. Sin embargo, aparecieron nuevas grietas yse abrieron otras que ya existían. En algunos puntos también se desprendieron recubrimientos y de unaventana se cayó un sillar. Debe destacarse que losdaños resultaron considerablemente menores a losque se esperaban al inicio de los trabajos.

Vigilancia estructural. Al inicio se llevó con cintas deconvergencia entre columnas y plomadas simples,posteriormente se montaron medidores de distancias,plomadas y sensores de temperatura en un complejosistema electrónico de medición continua; además secontó con acelerómetros en la estructura y en campolibre. También se efectuaron numerosos análisisestructurales de la seguridad de los templos con losque se demostró que durante el transcurso de lacorrección no se puso en riesgo a los templos. Elapuntalamiento, el refuerzo de confinamiento en lascolumnas (entablillado) y los tensores que seinstalaron en la cubierta protegieron a las estructurascontra posibles daños.Asimismo, se instaló una mallade acero en toda la nave central, para proteger a losfeligreses. El aspecto más crítico en cuanto a laseguridad de ambos templos lo constituyen lascolumnas; de ahí que se haya decidido inyectarlaspara lograr mejoras duraderas en sus niveles deseguridad. Dado que los efectos nocivos delhundimiento regional volvieron a manifestarsecuando la subexcavación se suspendió en junio de1998, paulatinamente se comenzó a perder unafracción de las correcciones logradas pero, haciamediados de 2000, los efectos benéficos de lainyección comenzaron a evidenciarse.

Differential settlements accumulated over theprevious 65 years as a result of regional subsidencewere basically eliminated through underexcavation bythe end of June 1998. When the treatment wascompleted, the maximum correction induced was 92cm, between the apse and the southwestern corner.However, as seen in Fig. 9, towards September 1999the maximum corrective settlement reduced to 88 cmand to 30 cm at the Sagrario. This difference from 92 to88 cm is due, as discussed previously, to the fact thatupon the end of underexcavation and the stoppage ofthe pumping operations, the effects of regionalsubsidence returned and, as a result, part of thecorrective settlements that had been achieved waslost. Historical differential settlement between pointsC-3 and B-11 changed from 243 cm in 1989 to 174 cmin June 1998. The angular correction between thesetwo points was 26.3'. Comparison of Figs. 8 and 9shows that underexcavation fulfilled the expectedgoals.

Geomet ry o f cor rec ted set t lements . Theconfiguration of corrective settlements is representedwith meshes as those depicted in Fig. 9. The uppermesh shows cumulative and corrective differentialsettlements as of September 1999. The lower part ofthe figure presents the same corrective settlementsbut referred to a horizontal plane, i.e. withoutconsidering historical differential settlement. Theshape and distribution of the corrective settlementsthat reached a maximum of 88 cm, is also shown.

Corrections in the towers. Topographic surveysevinced differential elevations that were originallypresent in the main façade and the towers. Bothtowers were monitored periodically starting in October1993 using electronic plumbs with a sensitivity of 0.1mm and 35 m long s tee l w i re l i nes(precision=1/35,000 or 5.9”). Regarding the influenceof underexcavation and mortar grouting, thecorrection achieved by April 2000 at the west and easttowers consisted in rotations and displacements of28.7 and 27.9 cm, respectively, along a northeastdirection, equivalent to correcting 26.3 and 24.6 % of pre-existing tilts in the west and east towers, whichwere initially inclined 109 and 113 cm, respectively.

Reference plumb line. The impossibility of seeingwith the naked eye the corrections that were in courseprompted the installation of a large plumb line at theCathedral's central dome, to make its movementsapparent to visitors. Fig. 9 presents the reconstructionof the path followed by the plumb line in the course oftime. It is interesting to point out the change in thedirection of its trajectory induced by differentialsettlements that resulted from the extraction of water from underground aquifers, since the end of the 19thcentury. It should also be mentioned that from October

1989 to October 1994 corrective movements in thedome made it lean towards the northeast;subsequently, after adjusting the underexcavationprogram and up to June 1998, it rotated mostlytowards the north. As seen in the same figure, the totalcorrection of the dome's tilt was 31 cm which isequivalent to a corrective angular rotation of 25.3'.

Structural damages. Underexcavation initiallyinduced movements to recover the confinementprovided to the vault by the walls, which can be provedbecause measurements showed that the vault rose afew centimeters. The underexcavation sequence wasadjusted later to produce a second type of movement,rigid body displacements towards the northeast.Corrective settlements contributed to the closing ofthe cracks and to reducing tilts in columns. However,new cracks developed and others that already existedwidened. Also, an ashlars stone fell off a window andplastering dropped from some points as well.Nonetheless, damages were considerably smallerthan those expected at the beginning of the project.

Structural surveys. At the beginning the condition ofthe structure was recorded and logged by means ofplumb lines and conventional deformation gages;later, a continuous monitoring electronic system wasinstalled, including accelerometers inside the templeand in the free field. Numerous analyses showed thatthe safety conditions of the churches were at no time at all in the course of the project in a situation of risk.The shoring, the confinement reinforcing at thecolumns (splints), and the turnbuckles that wereinstalled at the roof acted as a protection to thestructures against possible damage, as well as a steelnet along the central nave to protect the parishioners.The most critical aspect regarding the safety of bothchurches concentrated on the columns, and it wastherefore decided to grout them to achieve long-lasting improvements in their safety factors. Since theharmful effects of regional subsidence reappearedwhen underexcavation stopped in June 1998, a smallfraction of the corrections already achieved wasgradually lost but, in the mid of year 2000 thebeneficial effects of mortar injections in the subsoilbegan to be evident.

CONACULTA Subexcavación en Proceso de la Torre de PisaUnderexcavation at the Tower of Pisa10.

Refuerzo en el ladosur de la escalera enla zona de cablesReinforcement of thesouth side of thestairs in the zoneof cables

Cable estabilizadorStabilizing cable

Caballete de cargaLoad trestle (A-frame)

Máquina parasubexcavarUnderexcavationdrilling rig

Lastre de plomoLead ballast

Caballete NWNW trestle

Torre de PisaTower of Pisa

Caballete NENE trestle

Planta / Plan view

N

Corrección geométrica de la Torre de Pisa / Geometrical correction of the tower of PisaValores medidos de la deformación y corrección proceso de la Torre de PisaenMeasured values of the deformation and ongoing correction at the Tower of Pisa

d = 58.36 sen 5.56º = 5.65 m

Cd = 58.36 sen 30.5’ = 51.8 cm

d = 58.36 sen 5.4“ = 1.53 mm

z = 5.65 = 1.89 m

z = 1.53 = 0.51 mm

Cz = 51.8 = 17.4 cm

d = Desplomo máximo actual / Actual maximum tiltz = Deformación diferencial máxima histórica Maximum historical differential deformation

C = Corrección vertical / z

C = Corrección horizontal / d

Vertical correctionHorizontal correction

19.5858.36

19.5858.36

19.5858.36

Deformación acumulada / Cumulative deformation = 5º 33.6’

Deformación anual / Annual deformation = 5.4”

Corrección lograda / Achieved correction = 30.5’

Deformación medida en 1993

Las mediciones geotécnicas de 1911 a 1993 (antes de colocar el lastre) demuestran que la torre giró 7’25“ en ese lapso.

3Este giro correctivo se logró con la extracción de 32.5 m de suelo, el cual se interpretar como regresar a la Torre a la inclinación que tenía hace 333 años. Datos del Comité para salvaguarda de la Torre de Pisa. Sin embargo, la gráficahistórica de su inclinación demuestra que se recupero a la posición de hace unos 140 años.

Deformation measured in 1993

Geotechnical measurements from 1911 to 1993 (prior to ballasting) evince that the Tower rotated 7’ 25” during that period.

This corrective rotation can be literally interpreted as taking the Tower back to the inclination it had 333 years ago.However, the historical graph of its leaning demonstrates that the position corresponding to 140 years ago wasactually recovered.

(1)

(3)

(2)

1

d

A

58.36 m

BZ

i = 9.7 %

NOTAS /

= Ángulo de giro

= Inclinación, en porcentaje

= Desviación horizontal

NOTES

Rotation angle

Inclination, in percentage

Horizontal displacement

= 5º 33.6’

0

d=5.65 m

Cd=51 cmVe

rtica

l

i

ßB”+FÆ/J

El hundimiento teórico estimado por la consolidaciónde las arcillas es de 2.8 m, lo que implica que el ladonorte se ha hundido 1.86 m y el lado sur 3.75 m paraalcanzar el diferencial de 1.89 m medido en 1993.

The theoretical settlement estimated after the consolidation of the clay is 2.8 m, therefore implying that the north sidehas settled 1.86 m and the south side, 3.75 m, to reach adifferential of 1.89 m as measured in 1993.

Sur

Z=189 cm

Cz=17 cm

d

Desplomos, Asentamientos y CorreccionesTilts, Setleements and Corretions

Catino

South

a s s liza r s e s nC ble e tabi do e a t n ió / s n t b in le

Ten io s a iliz g cab s

150 t150 tCaballete para tensado estático

y sísmico de los cablesTrestle for static and

seismic stressing of cables

NW

MicropilotesMicropiles

NECatinoCornise

Escalerade caracolStaircase

2ª CornisaCornise

3ª CornisaCornise

7ª CornisaCornise

Lastre 800 t de plomoBallast (800 t)

N S

NM30º

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

-40

-45

Ele

vaci

ón/E

leva

tion,

m

Perforación de subexcavaciónUnderexcavation borings

Dibujo esquemáticoEsquematic drawNivel del marSea level

Arcilla intermedia

Arcilla superior

Limos arenosos y arcillosos

Arena intermedia

98.5 m

Arcilla inferior

Arena inferior

Arena superior

15

Intermediate clay formation

Upper clay formation

Sandy and clayey silts

Intermediate sand

Lower clay formation

Lower sand

Upper sand layer

2

3

Ángulos /

La Torre de Pisa comenzó a inclinarse prácticamentedesde el inicio de su construcción en 1173, casi 500años antes que se emprendiera la edificación de laCatedral de México. Se concluyó el 1466 en casi 250años, en un lapso de tiempo similar al de la Catedral.La patología histórica de la Torre de Pisa se origina porla deformabilidad del subsuelo que, al igual que en elcaso de la Catedral, es heterogéneo. La evolución desu desplomo se ha visto afectada, en ocasiones, porintervenciones poco afortunadas que pretendierondetenerla. Hacia 1990, la velocidad con la que la Torreperdía verticalidad era de 5.4" por año y su inclinacióntotal era de unos 5.5°, equivalente al 9.7 % dedesplomo, Fig. 10. Para ese entonces el extremo surse había hundido 1.89 m con respecto al lado norte.

Características de la Torre y su subsuelo. La Torrees un cilindro hueco de 14,500 t de peso, tiene unos58 m de altura y cerca de 13 m de diámetro exterior.Sus muros, de 4.09 m de espesor, alojan a la escaleraen espiral por la que se llega al campanario; estánhechos de mampostería recubierta con mármol. Entreel segundo y el octavo niveles, su sección transversaldisminuye por la presencia de galerías de columnasde mármol en cada piso. La cimentación es unazapata circular de 19.6 m de diámetro exterior. Estadesplantada sobre un limo arenoso fuertementepreconsolidado, de muy baja plasticidad. Bajo esteestrato se encuentra la arcilla Pancone en la que sedistinguen tres subestratos. Intercalado entre los dosúltimos de éstos se encuentra una capa dura de arenalimosa de unos 2 m de espesor. Toda la secuencia dearcillas blandas abarca espesores del orden de 12 m.Finalmente, a unos 37 m de profundidad, bajo lasarcillas, se encuentran las arenas inferiores de altacompacidad.

Comunicación técnica. Se inició en noviembre de1993, cuando de los miembros de la Comité para laSalvaguarda de la Torre de Pisa evaluaron el proyectode la Catedral. Las semejanzas de los problemas deambos monumentos despertaron interés, y ellomotivó la comunicación técnica y la comparación deambos casos. Al principio, desecharon lasubexcavación como una opción para la Torre, perolas pruebas de campo les llevaron a evaluar suaplicación; para ello invitaron a las reuniones de eseComité en 1995 y 1999 al Arq. Sergio Zaldivar y al Ing.Enrique Santoyo. En 1997 en el Ministerio de Culturase aprobó el proyecto de subexcavación, asistieron elArq. Zaldívar y el Dr. Efraín Ovando.

Subexcavación en la Torre de Pisa. Antes de iniciarlos trabajos el Comité de la Torre decidió hacer unexperimento de subexcavación con objeto de adaptarla tecnología a las condiciones del subsuelo en Pisa ydemostrar la efectividad del método. Los buenosresultados de la primera prueba, les impulsaron a

aplicar un programa de subexcavación preliminar enel lado norte de la Torre y en seguida la subexcavacióndefinitiva que comenzó en septiembre de 1999 ycontinuó hasta mediados de 2001 (en la Catedral serealizó entre 1993 y 1998). Al fin de la intervención selogró reducir la inclinación de la Torre en 30.5', lo queimplica que el lado alto descendió 17.4 cm.Posteriormente la zapata de la Torre se unióestructuralmente al catino, ambas medidasestabilizan al monumento por decenas de años.

Comparaciones entre la Catedral y la Torre dePisa. Los parámetros de velocidad del hundimientodiferencial máximo y desplomos que tenían ambosmonumentos antes de las intervenciones eran: a) en la Catedral, tomando como indicativo el diferencialque había entre el ábside y la torre poniente, era de1.7 cm/año y el incremento de desplomo de esa torreera de 98” anuales y b) para la Torre de Pisa la tasa dehundimiento diferencial era de 0.05 cm/año y sudesplomo aumentaba anualmente en 5.4”.

En la Catedral, los 88 cm de hundimiento correctivologrado significa la eliminación del asentamientoacumulado en los últimos 65 años. En el caso de laTorre la subexcavación redujo 17.4 cm de los 189 cmde hundimiento diferencial acumulado, que equivale ala supresión de los asentamientos ocurridos en losúltimos 140 años, aunque en los medios se dijo quefueron 333 años. El volumen de suelo que se extrajo

3en Pisa fue de 32.5 m y el correspondiente en la3Catedral fue de 4,220 m .

Requerimientos para la conservación de laCatedral y de la Torre de Pisa. Considerando que enla ciudad de México es imposible reducir la extracciónde agua del subsuelo y que después de lasubexcavación la Catedral y en particular su torreponiente se hubiera continuado deformando. De ahíel apremio por buscar otra acción preventiva queenfrentara las causas del problema y no únicamentesus efectos. Por ello se decidió de endurecerselectivamente las arcillas del subsuelo para tratar deuniformar los hundimientos futuros en ambostemplos. Por su parte, la subexcavación de Torre dePisa tendrá efectos mucho más duraderos, pero aún así se decidió unir estructuralmente el Catino a laTorre para ampliar el área de apoyo, lo cual ha sidouna acción estructural muy simple y de la que se hadicho, que ha tenido grandes efectos benéficos.

The Tower started tilting practically since thebeginning of its construction in 1173, almost 500 yearsbefore construction of the Mexico City Cathedralbegan; the tower was finished in 1466, in about 250years, roughly the same construction time as thecathedral. The tower's historic pathology originates ina heterogeneous distribution of deformability within itssubsoil, as in the Cathedral. Evolution of its inclinationhas been affected on certain occasions byunsuccessful corrective measures intended to stop it.In 1990, inclination rate was 5.4 inches per year and itstotal tilt was 5.5 degrees, equivalent to 9.7 % ofdeviation from the vertical. This movement wasinduced by the differential settlement of the base. At that time the southern end had subsided 1.89 m withrespect to the north side, as illustrated in Fig. 10.

Characteristics of the Tower and its subsoil. TheTower is a hollow cylinder weighing 145,000 kN,slightly over 58 m in height and its external diameter isclose to 13 m. Its walls, with a thickness of 4.09 m,accommodate the spiral stairs to reach the campanile;they are made of masonry lined with marble. Betweenthe second and the eighth levels, its cross sectiondecreases by the presence of marble column galleriesat each floor. The foundation is a circular footing withan external diameter of 19.6 m. It is founded over verylow plasticity highly preconsolidated sandy silt. Thisstratum is underlain by the Pancone clay constitutedby three substrata. On top of the last of these anotherdeposit of silty sand of about 2 m in thickness isinterbedded. The whole sequence of soft clays has anapproximate thickness of 12 m. Finally, at about 37 mdeep, under the clays, a lower sand deposit with highrelative density.

Technical communication. It began in November1993 when the members of the Technical Committee for the Safeguard of the Tower of Pisa evaluated theproject for the Cathedral. Similarities of the problems affecting both monuments prompted the discussion,technical communication and comparisons of bothcases. Underexcavation at the tower had been initiallydismissed but results of field trials convinced thecommittee members of underexcavation potentiality.Sergio Zaldívar and Enrique Santoyo were invited tocommittee meetings in 1995 and 1999 to explain theCathedral experience. Zaldívar and Dr. EfraínOvando also attended another meeting in 1997 whenthe Italian Ministry of Culture approved theunderexcavation project.

Underexcavation at the Tower of Pisa. The ItalianCommittee decided to perform an underexcavationtrial to adapt the technology to local subsoil conditionsand to demonstrate the feasibility of using the methodin their case. The good results of the test promptedthem to apply underexcavation at the north side of the

Tower and immediately afterwards to start the finalprogram which started in September 1999 andcontinued until the middle of 2001 (at the Cathedral ittook place between 1993 and 1998). Whenunderexcavation finished, the inclination of the Towerreduced in 30.5' which implied the lowering of the highside 17.4 cm. Later, the foundation ring was widened joining structurally to the so called catino. Thesemeasures ensure that the stability of the Tower fordecades to come.

Comparison between the Cathedral and the Towerof Pisa. Maximum differential settlement and tiltingrates at both monuments before interventions in thembegan were: a) at Cathedral, the indicative figurederives from differentials between the apse and thewest Tower, 1.7 cm/year, and tilts increased at a rate of98” per year; b) in the Tower of Pisa differentialsettlement rate was 0.05 cm/year and inclinationsincreased 5.4” each year.

At the Cathedral the 88 cm of corrective settlementachieved represented the elimination of the verticaldisplacements accumulated over more than 65 years.In the case of the Tower of Pisa, underexcavationreduced 17.4 cm of the total cumulative differentialsettlement, 189 cm that represents the elimination ofthe vertical displacements that accumulated in the last140 years although press reports stated that it was333 years. The volume of soil excavated at the Tower

3 3was 32.5 m whereas 4220 m was the volumeextracted at the Cathedral.

Requirements for the conservation of theCathedral and the Tower of Pisa. In Mexico City it isimpossible to reduce water extraction from the subsoil;hence, after underexcavation, deformations in theCathedral and especially in its western Tower wouldhave continued to accumulate. Consequently, it wascompulsory to analyze other preventive solutions toconfront directly the causes of the problem at theCathedral and not only its effects. As a result, it wasdecided to harden selectively the underlying clays, to achieve in the future nearly uniform settlement rates. In the case of the Tower of Pisa, underexcavation willhave much longer lasting effects but even so, thecross section of the supporting area of its base wasincreased by connecting the catino to the Tower, arather simple structural measure which, as reported,has had large beneficial effects.

Fotografía tomada en diciembre de 1906, cuandoempezó a causar alarma el hundimiento diferencial.Photograph taken in December 1906, when thedifferential settlement started causing alarm

Fotografía tomada en agosto de 1910, cuandose inició la inyección del subsuelo.Photograph taken in august 1910, when thesubsoil grouting started.

Esta fotografía es una vista actual.A recent photograph.

m03 m-

-33 m

-13 m-10 m

Estructura de mortero inyectadoStructure of the grouted mortar

Formación de una lámina de morteroFormation of a mortar sheet

Inclusión rígida con láminas laterales, de mortero inyectadoRigid inclusion with lateral sheets of grouted mortar

Tubo para expansión radialde la inclinación cilíndricade morteroPipe for radial expansionof the mortar core

Lámina vertical de morteroVertical vortar sheet

Funda GeotextilGeotextile sheath

D

L

e

Funda geotextilGeotextile sheath

Tubo de manguitopara inyección lateral

Sleeve pipe forlateral grouting

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Estratigrafía y conjunto de láminasEstratigrapic and assembly of sheets

CONACULTA Validación de la Inyección de Mor teroValidation of Mor tar Grouting11.

lar

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p e Cl y

aForm

tion

Los hundimientos diferenciales del Teatro Nacional,actual Palacio de Bellas Artes, se advirtieron a partirde la construcción de su plataforma de cimentación en1906. Por ello, entre 1910 y 1925 se decidió intervenirel subsuelo mediante campañas de inyección,primero de lechada de cemento y después de morterofluido posiblemente constituido por cal y arena, Fig.11. El objetivo que se perseguía con esas inyeccionesera detener totalmente los hundimientos, lo cual no selogró. Sin embargo, ahora se debe reconocer que conlas inyecciones se alcanzó un gran triunfo puesaunque no se detuvieron los hundimientos porcompleto, se consiguió uniformarlos. Provocaadmiración que en 1881 se hizo lo mismo en laestación del Ferrocarril Mexicano, en Buenavista.Otro éxito de los años 40 fue la inyección de la escuelaFundación Mier y Pesado ubicada en la calzadaGuadalupe.

Desde su inicio, la inyección del subsuelo bajo elTeatro Nacional fue polémica pues muchos dudaronde su efectividad. Fue también mal interpretadaporque se dijo que se estaba impregnando el sueloarcilloso con la lechada de cemento. En esa época,aún no se aceptaba la existencia del fenómeno delhundimiento regional. El caso perdió actualidad, laturbulencia política de esos años redujo el interés porel tema, el teatro quedó inconcluso y hasta 1934 seconcluyó su construcción. La información técnica fuearchivada y sólo predominó el injusto juicio de que "lainyección no había servido". Esa experiencia casiolvidada fue rescatada y sirvió de hipótesis técnicacomo una notable anticipación de lo que se deberíaaplicar para modificar la compresibilidad del subsueloen la Catedral Metropolitana.

Estudios teóricos y experimentales.Amediados de1997 se inició una investigación teórico-experimentalcon objeto de evaluar la inyección de mortero comoreductora de la compresibilidad del subsuelo. Paravalorar esa técnica se llevaron a cabo pruebas deinyección en un sitio del ex-lago de Texcoco,complementadas con ensayes de laboratorio ysimulaciones numéricas del efecto de introducirmorteros fluidos en el subsuelo. Las pruebas decampo se realizaron para determinar los parámetrosde la inyección necesarios para desarrollar elfracturamiento hidráulico de las arcillas de la ciudadde México; se ensayaron distintas combinaciones depresión, volumen, viscosidad y resistencia al corte delos morteros. Aunque el fracturamiento hidráulico dearcillas ha sido motivo de extensas investigacionesteóricas y prácticas en muchos países, no había sidoestudiado formalmente en estas arcillas, aunque haycasos en que había sido aplicado, de manera informaly sin soporte técnico.

Láminas verticales de mortero. Para verificar laformación, longitud y espesor de las láminas demortero de cemento y cal, se excavó una lumbrera de4.2 m de diámetro desplantada hasta la profundidaddel tratamiento, 6.15 m. Sus paredes se estabilizaroncon concreto lanzado y reforzado con mallaelectrosoldada. También se instaló un sistema debombeo eyector en el fondo de la lumbrera.Excavando en incrementos de 50 cm, se pudieronobservar con todo detalle las láminas que alcanzaronlongitudes de 1 a 3 m. En la Fig. 11 se muestra un corteesquemático de la geometría de las láminas demortero que se formaron en esta prueba. Las pruebasdemostraron que la inyección de mortero fluido en laarcilla blanda le produce fisuras y grietas a lo largo deplanos cuya orientación depende del estado deesfuerzos existente dentro del terreno. El mortero asíinyectado penetra en estas grietas formando láminasverticales.

Inclusiones rígidas. En el sitio se ensayó también laformación de lo que se denominó como núcleos demortero y que más recientemente se les conoce comoinclusiones rígidas, las cuales se fabricaron abriendouna perforación de 23 cm de diámetro, estabilizadacon el lodo espontáneo que se generó al batir la arcilladel sitio. Se introdujo una funda de tela poliésterpermeable en el barreno y dentro se vació concretofluido. Con las excavaciones se pudo comprobar laintegridad de la inclusión rígida de mortero, cuyodiámetro medio fue de 29 cm, que implica unaexpansión radial del 26 % del diámetro de perforación.

Estructura de mortero. Estos ensayes permitieronafinar las técnicas para conformar en la masa de suelouna estructura de mortero rígido compuesta porfamilias paralelas de inclusiones rígidas al centro yláminas laterales verticales de mortero, como seilustra en la Fig. 11.

Prueba de inyección en la Catedral. En octubre de 1997 se inició una prueba de inyección en el atriooriente de la Catedral, para considerar si esta técnicapudiera ser aplicable para contrarrestar loshundimientos diferenciales futuros. La presencia delmortero inyectado en la masa arcillosa se verificómediante un sondeo con muestreo inalterado en elque también se comprobó que la orientación de lasláminas de mortero en la zona de tratamiento era laesperada con las predicciones teóricas. Las muestrasde arcilla inyectada, Fig. 12, se obtuvieron con unmuestreador a rotación de 40 cm de diámetro,hincado a 12.5 m de profundidad.

Differential settlements at the former Teatro Nacional,presently the Palace of Fine Arts, were first noticed in1906 when its foundation slab was being constructed.This led to a decision to inject grouts into the softunderlying clays from 1910 to 1925, which wereperformed, first with cement grout and later on withfluid mortar, possibly made with lime and sand, Fig. 11.The objective sought for with those injections was toradically arrest the settlements, although to no avail.However, it should now be acknowledged that a greatsuccess was achieved with grouting because,although the settlements were not stopped, theybecame uniform.

It causes admiration that in the Buenavista RailwayStation the same procedure had been successfullyapplied in 1881. Another success story is the case of the Mier y Pesado Foundation School at the Calzadade Guadalupe whose subsoil was grouted in theforties.

Since the beginning, subsoil grouting of the TeatroNacional was controversial because many personsquestioned its effectiveness. It was alsomisinterpreted because it was thought that the soilwas being impregnated with the cement grout. Duringthat time, regional subsidence in the city had not beenacknowledged. The case lost momentum, politicalunrest of those years diminished interest on the topic,and finally the theater was left unfinished until 1934when its construction concluded. The technicalinformation was filed and the unfair remark that"grouting failed to serve its purpose" was the onlyjudgment about this experience that remained. Thisalmost forgotten experience is a remarkableprecedent of the method developed nowadays tomodify the compressibility of the subsoil under theMetropolitan Cathedral.

Theoretical and experimental studies. Theoreticaland experimental research into the effect of mortargrouts injected into soft clays to reduce selectivelytheir compressibility began in 1997. The techniquewas evaluated from the results of field trials carried outat the former Texcoco Lake bed, and withcomplementary laboratory tests and numericalsimulations fluid mortar injections in the subsoil. Fieldtrials were designed to identify the parameters neededto induce hydraulic fracturing in Mexico City Clays;different combinations of pressure, volume flow,viscosity and shear strength in the mortars weretested. Hydraulic fracturing has been investigated in extensive theoretical and practical research in manycountries, but it had never been studied formally inthese clays, albeit it had applied informally with notechnical support.

Vertical mortar sheets. A 4.2 m diameter shaft wasexcavated to a depth corresponding to the treatmentlayer, to verify the formation, length and thickness ofthe cement/lime mortar sheets, Fig. 11. Its walls werestabilized with shotcrete reinforced with electricallywelded wire mesh. Point wells were also installed toallow the excavation of the shaft to a depth of 6.15 m.By advancing the excavation in 50 cm stages it waspossible to observe in full detail the grout sheets that covered lengths from 1 to 3 m. Fig. 11 shows aschematic cross section of the geometry of the mortarsheets that were formed during this field test. Thesetests showed that fluid mortar injected into the clayproduces fissures and cracks along planes whoseorientation depends on the initial in situ stress state.Mortar injected into the clay penetrates in the fissuresthus forming vertical sheets.

Rigid inclusions. Trials on the formation of mortarnuclei, more recently called rigid inclusions, were alsoperformed. The inclusions were made opening a 23cm borehole stabilized with slurry generated duringthe perforation. A permeable polyester fabric is thenintroduced into which fluid concrete was then cast.The integrity of the inclusions was verified withexploratory excavations performed afterwards and in which it was also revealed that the mean diameter inthe inclusions was 29 cm, which implies a 26 % radialexpansion in the borehole diameter.

Mortar structure. The techniques to conform a mortarstructure within the soil mass formed with families ofparallel rigid inclusions in the center and lateral mortarsheets were refined from the results of the field trials,Fig. 11.

Grout tests at the Cathedral. A grouting experimentcommenced in October 1997 at the Cathedral's westatrium to consider whether this technique was suitableto arrest future differential settlements. The presenceof grouted mortar in the clay mass was verified bymeans of an undisturbed sampling borehole that wasalso used to prove that the orientation of the mortarsheets at the treatment zone agreed with theoreticalestimates. Samples of the grouted clay wererecovered, Fig. 12, with a 40 cm diameter rotationsampler driven to a depth of 12.5 m.

Capilla delas Ánimas

Mus

eo

Zona de inyecciónde prueba

(nov 97 a ene 98)Zone of the

injection trials(nov ´97 to jan ´98)

Sagrario

Catedral

Muro de contenciónRetaining Wall

a585 núcleos en la 1 etapacon un volumen

3 5189 m de morterode

585 cores in the firststage with a volume

3of 5189 m of mortar

a aInyección del subsuelo de Catedral: 1 etapa , sep 98 a sep 99; 2 etapa, may a jul 2000Subsoil grouting under the Cathedral. First stage: Sep 98 to Sep 99;

second stage: May to July 2000

Límite delpedraplén

Boundary ofthe foundation

platform

3%

1%

4%

3%

4%

7%

3%6%

5%

6%

5%

4%

3%

4%

2%

ZON

AD

EP

IEZO

ME

TRO

S

2%1%

5%

6%

5%

6%0 10 20 m


N

5%

4%

2.5%

Muestreo inalterado con perforadora y tubo de 40 cm de diámetro, en la torre surponiente

muestreadordentado

Undisturbed sampling with drilling rig and 40-cm diametertoothed sampling tube, at the south-bell tower

Muestra de arcilla inyectada con recuperada profundidad 12.5 a 13.0 m,

en la torre surponiente

mortero,a la de

Sample of injected clay retreived from a depth of 12.7 m at the sauthwest tower

Perforación desde el nivel de criptas para lainstalación de tubo de inyección de mortero

Drilling from the crypt level to instal the sleeved pipe

Sondeo de cono eléctrico paradefinir la profundidad de inyección

CPT sounding to define the injection depth

CorteCross section

Inclusión demortero

Mortarcore

24 a 27 m

Láminalatera demorteroLateral

morterosheetl

2 a 3 m

2Resistencia de punta, q (kg/cm )c2Point penetration resistence, q (kg/cm )c

0 25 50 75 100PedraplénRock fill

Relleno / FillCostraSuperficiaSuperficialcrustl

FormaciónArcillosaSuperiorUpper ClayFormation

Capa DuraHard layerFormaciónArcillosaInferiorLower ClayFormation

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Pro

fund

idad

/Dep

th,m

ßJ@ƒ•ë

CONACULTA Inyección de Mor tero bajo Catedral y Sagrar ioMor tar Injection Under The Cathedral an the Sagrar io Church12.

SIMBOLOGÍA:

0 a 7% porcentaje de volumen de mortero inyectado entre el volumen de suelo endurecido

Núcleos de mortero

Ratio of volume of injected mortar to volume of hardened soil, in percent

Mortar core

Zonas inyectadas

Zonas por inyectar

Injected zones

To be injected if required

Cur

ia

La construcción de la Catedral y Sagrario finalizó en1813 y por ello los asentamientos consecuentes de laconsolidación de las arcillas, debidos a las cargasaplicadas, debieron haber concluido unos 5 a 10 añosdespués. Por ello la certeza de que los asentamientosque están ocurriendo y los futuros se deben alabatimiento de la presión del agua del subsuelo,originado por la extracción de agua. El pronóstico de la condición futura de la Catedral, Fig. 6, justificó ladecisión de endurecer diferencialmente la Formaciónde Arcilla Superior bajo los templos, con el propósitode uniformar el hundimiento y mejorar elcomportamiento estructural.

Endurecimiento de la arcilla en un edificio. Paraevidenciar que se podría reducir la deformabilidad deuna masa de arcilla de la ciudad de México,injertándole la estructura de mortero, Fig. 11, se llevóa cabo una prueba de inyección en el Edificio deGobierno de la FES Zaragoza, la brevedad de estedocumento impide entrar en detalle, pero losresultados fueron muy satisfactorios.

Prueba de endurecimiento de la arcilla. Se realizóen el exterior de la esquina surponiente de la Catedral,entre noviembre de 1997 y enero de 1998; seconformaron 18 inclusiones rígidas y se inyectaron en

3la zona 179.5 m de mortero. Para confirmar con rigoresta acción, se realizó una detallada serie demediciones: a) en una retícula de puntos se midieronlos asentamientos con el tiempo, b) se midieron lasvelocidades de propagación de ondas con un conosísmico, c) las condiciones de esfuerzo en la masa desuelo se midieron antes y después de la inyección conel dilatómetro de Marchetti y d) las velocidades depropagación de ondas de corte in situ se determinaronse midieron antes y después. Estas mediciones secontinuaron hasta julio de 1998 y mostraron que elhundimiento se redujo en la zona de prueba y por ellose le calificó como exitosa.

Zonas y porcentajes de inyección. El mortero deinyecc ión recomendado para reduc i r lacompresibilidad del subsuelo de la Catedral estácompuesto por cantidades medidas de cemento,bentonita, arena pómez y aditivos. La reducción de ladeformabilidad depende de la rigidez del mortero y delporcentaje de inyección. Este último concepto debeentenderse como la relación que existe entre elvolumen de mortero y el del suelo por mejorar, Fig. 12.Las perforaciones para realizar la inyecciónnecesitaron atravesar los espesores del pedraplén,de los rellenos arqueológicos y de la costra superficialy después profundizar en las arcillas de la FormaciónArcillosa Superior que se inyectaron hasta sucontacto con la Primera Capa Dura.

Técnicas de perforación. La complejidad de lasestructuras y cimentaciones hicieron necesariorecurrir a diversos tipos de equipos de perforación: Enlas criptas se utilizaron equipos neumáticos yeléctricos adaptados para operar en las reducidasdimensiones de los pasillos de las criptas, algunos deellos se montaron sobre bases móviles para facilitarsu traslado; en cuanto a la herramienta de ataque, seemplearon desde martillos neumáticos de fondohasta brocas tricónicas, brocas drag simples yampliadoras en la parte donde serían alojados lasinclusiones. En las perforaciones desde los atrios de ambos templos se utilizaron perforadoras montadassobre vehículos; sólo en algunos tramos se recurrió amáquinas sobre esquís; las herramientas de ataquefueron similares a las de las criptas, solamente quecon diámetros algo mayores.

Primera etapa de endurecimiento del subsuelo.Tuvo lugar entre septiembre de 1998 y septiembre de1999. En la Fig. 12 se muestran las áreas donde seendureció la Formación Arcillosa Superior delsubsuelo bajo la Catedral y el Sagrario para aminorarlas grandes diferencias en los hundimientos queaquejan a esas estructuras e implantar un mejorcomportamiento. En esta figura se observa que losporcentajes de inyección varían de 2 a 7 % en laCatedral y de 1 a 5 % en el Sagrario. Se instalaroninclusiones en la FormaciónArcillosa Superior: 419 enla Catedral, 111 en el Sagrario y 55 en la Curia. Del 8de septiembre de 1998 al 4 de junio de 1999 seinyectó la zona surponiente de la Catedral así comolas esquinas nororiente y suroriente del Sagrario. Laesquina surponiente de la Catedral se inyectó en dosetapas con el 50 % de inyección del total requerido encada una. Posteriormente, del 7 de junio de 1999 al 9de septiembre de 1999 se inyectó la zona sur con el 2%. Esta distribución se ajustó a la zonificación de lacompresibilidad del subsuelo y conforme al MétodoObservacional.

Segunda etapa de endurecimiento del subsuelo.Se llevó a cabo de mayo a julio de 2000 y secomplementó, entre el 9 de noviembre y el 22 dediciembre de ese año con la inyección en la esquinanoreste de la Catedral y con la que se hizo en la Curiadel 2 de noviembre de 2001 al 20 de enero de 2002.En total se fabricaron 585 inclusiones de mortero consus respectivas familias de láminas laterales El

3volumen total de mortero inyectado fue de 5,189 m yse instalaron 585 inclusiones.

Construction of the Cathedral and the SagrarioChurch ended in 1813 and settlements resulting fromthe consolidation of the clays because of thesurcharges applied by both churches must havefinished some 5 to 10 years afterwards. This is why it iscertain that ongoing settlements and those in thefuture are being and will be induced by the depletion ofpore water pressure due to deep water extraction. Theprognosis of long-term hydraulic conditions at theCathedral, depicted in Fig. 6, justifies the decision forhardening differentially the subsoil under theCathedral and the Sagrario, with the purpose ofreduce the settlement and improving the behavior ofthe structures.

Clay hardening at a modern building. Soil injectiontrials were carried out at the Government Building inthe FES Zaragoza university campus, in order to showthat the deformability of a rather large mass of MexicoCity Clay could be reduced by creating within it themortar structure described in Chapter 11. Details ofthose trials exceed the scope of this document but theresults of those trials were most satisfactory.

Clay hardening tests. This test took place betweenNovember, 1997 and January, 1998 out side thesouthwest corner of the Cathedral; it comprised 18

3rigid inclusions and the injection of 179.5 m of mortar.The following measurements were made to overlookthe test rigorously: a) evolution of settlements withtime, within a grid of control points; b) monitoring of thehydraulic conditions within the clay mass before,during and after the test; c) determination of wavepropagation velocities determined with a seismic coneas well as lateral stresses with a Marchetti dilatometer.These measurements went on until July 1998 andshowed that settlements in the test zone reduced;hence, the test was considered to be a success.

Zones and percentages of grouting. The mortargrout recommended to reduce the compressibility ofthe subsoil under the Cathedral is made withcontrolled amounts of cement, bentonite, pumicesand and additives. Reductions of deformabilitydepend on the stiffness of the mortar and on thepercentage of grout injected. This last concept is theratio between the volume of mortar and the volume ofsoil to be improved, Fig. 12. The borings to carry outthe injection need to cross the thickness of the rock fill,of the archaeological fills and of the superficial crustand should then go through the clays of the UpperClay Formation that were grouted down to theircontact with the First Hard Layer.

Drilling techniques. In view of the complexity of thestructures and their foundations, it was necessary touse several drilling equipments. Pneumatic andelectric drilling rigs were adapted to be used within the

narrow aisles of the crypts. Some of them weremounted on mobile bases to facilitate theirtransportation. Referring to the drilling tools,pneumatic bottom hammers, tri-cone bits, simple dragbits, and reamers were used at the depths where the holes would be grouted. In drilling from the atrium,heavy rigs mounted on vehicles were used; only atcertain stretches was ski-mounted equipment utilized.Perforations were dug with a procedure similar to thatused at the crypts, but with a somewhat largerdiameter

First soil hardening stage. It was performedbetween September 1998 and September 1999. Fig.12 shows the areas where the Upper Clay Formationunder the Cathedral and the Sagrario was hardenedreduce the accumulation of additional large differentialsettlements and to try to improve their behavior. It canbe observed in this figure that grout percentages varyfrom 2 to 7 % at the Cathedral and from 1 to 5 % at theSagrario. The inclusions were introduced in the UpperClay Formation as follows: 419 at the Cathedral, 111 atthe Sagrario, and 55 at the Curia Building. TheCathedral's southwest corner and the northeast southeast corners of the Sagrario were grouted form 8September 1998 to 4 June 1999. The Cathedral'ssouthwest corner was injected in two stages, applyingabout 50 % of the total amount in each. Later, from 7 June 1999 to 9 September 1999, the south zonereceived an injection of 2 %. Distribution of mortarswas decided taking into account the compressibilitybased zoning of the subsoil and the ObservationalMethod.

Second soil hardening stage. It took place from Mayto June 2000 and was complemented with injectionsthat were carried out between 9 November and 22December that year and with those made in themuseum from 2 November 2001 to 20 January 2002.

A total of 585 inclusions were cast in the soft clays,together with their respective assemblages of lateralsheets. The total volume of injected mortar was 5,189

3m .

-6

0

-1-1

-5

-2

H=2 mm

H=3 mm

H=1 mm

-2

-4 -2

H=2 mm

-2

0

-5-5

-8 -10 -12 -146-118-

-18

-16

-6 -4 -2-6

6-2

1-4

-12

-10

-8

-4

0.00 0.

-2

2

-6-4

2- 0.0

2 2

0.0-2

4--6

0.0

-2

-6-8-10-12

2

0.0

-2

-2-4

0.0

24

0.0

0.0

-12

2-

-46-

-8-101- 21- 4 -16

Mediciones del 7-enero-91 (No. 20) al 2-septiembre-91 (No. 28)Measurements from January 7,1991 (Leveling 20)

to September 2, 1991 (leveling 28)

Simbología /

H Hundimientos diferenciales

Symbols

H dIfferential settlements


0 10

N

20 m

a) Comportamiento inicialInitial behavior

0

-10-17

Referencia baseBase reference

-20

-26 +2

H=20 mm H=14 mm

-12

-16

H=20 mm

+4

-12 0

H=12 mm

b) Comportamiento actualBehavior at present

Mediciones por TGC del 15-Diciembre-2005 (No. 258) al 26-Diciembre-2007 (No. 259)Measurements by TGC from December 15,2005 (Leveling 258)

to December 26, 2007 (Leveling 259)

NOTA:

No. 249 y No. 254 = Nivelaciones topográficas No. 249 y No. 254

CapillarecimentadaUnderpinnedChapel

CONACULTA Compor tamiento ObservadoOBSERVED BEHAVIOR13.

NOTE:

These contours are being modifiedas a result of the recent injection atthe northwest corner

Referencia baseBase reference

Al aplicar el Método Observacional se verificórigurosamente el comportamiento estructural de laCatedral y el Sagrario, usando un gran número deinstrumentos: sensores de electrónicos para medir loscambios de distancia de las columnas, plomadas deprecisión y cintas de convergencia. La respuesta delsuelo fue evaluada con nivelaciones topográficas deprecisión, que permitieron deducir los cambiosgeométricos del nivel de feligresía como plano dereferencia principal.

Nivelaciones topográficas de precisión. Sellevaron a cabo en 246 puntos de control distribuidosen toda el área del monumento. En la Catedral y en elSagrario se nivelaron los plintos de las columnas y delas pilastras o muros de las capillas, así como lospernos de acero empotrados en los muros exteriores.Se ubicaron puntos en los muros de la Capilla de las Ánimas y de la Curia, en la reja del atrio así como enlos brocales de los bancos de nivel profundo. Lasnivelaciones se efectuaron catorcenalmente desdeoctubre de 1991 hasta finales de 1999; después sehicieron mensualmente. En total se hicieron 215nivelaciones hasta agosto de 2000. Después de eseaño se hicieron tres nivelaciones por año hasta 2004;en 2005 se hicieron dos y ninguna en 2006; la última nivelación se realizó en diciembre de 2007 paraalcanzar 230 nivelaciones.

Los resultados se reportaron gráficamente por mediode curvas de nivel, las cuales representan loshundimientos que se acumularon desde el inicio delproyecto en octubre de 1991 y desde el inicio de lasubexcavación en agosto de 1993. También segraficaron los hundimientos diferenciales que seproducían cada veintiocho días. En las nivelacionessiempre se hacía coincidir la curva cero con lareferencia histórica: el punto del ábside localizado enla intersección de los ejes C y 3, ubicado en el costadoponiente del Altar de los Reyes. De esta forma, seobtenían los movimientos diferenciales con respectoa este punto. Todas las nivelaciones se refieren albanco de nivel profundo instalado 100.4 m bajo lasuperficie (BNP-100) y se correlacionaron con elBanco Atzacoalco. Los movimientos registrados sonla combinación de los provocados por el hundimientoregional y los inducidos por las acciones antesmencionadas.

Las configuraciones topográficas se dedujeron coninterpolaciones en las que se tomaron en cuenta lascoordenadas reales de todos los puntos nivelados.Las que se divulgaron en publicaciones ypresentac iones anter iores se obtuv ieronpromediando los puntos cercanos a los entrecrucesde los ejes arquitectónicos de la Catedral y delSagrario. Estas dos formas de interpretaciónprovocaron desigualdades aparentes entre las figuras

del presente texto y las de textos anteriores. Talesdesigualdades son poco significativas para lainterpretación del comportamiento general, pero sonimportantes para el análisis de los detallesestructurales. Por eso, para evitar cualquierconfusión, se decidió cambiar al nuevo criterio deelaboración de los dibujos.

E f e c t i v i d a d d e l a i n y e c c i ó n p a r a e lendurecimiento. La eficacia de la inyección en elsubsuelo se puede evaluar comparando cómo sehundían la Catedral y el Sagrario antes del inicio delproyecto con la forma en que lo hacen después de lasinyecciones. En la Fig. 13 se presenta una imagen delcomportamiento inicial, expresado gráficamentemediante la configuración de velocidades dehundimiento observada entre el 7 de enero de 1991 yel 2 de septiembre de ese mismo año. En dicha figurase aprecia que la parte central de la Catedral emergíacon respecto a su esquina nororiente, a razón de 16mm/año, y con respecto a la torre poniente, a razón de14 mm/año. El Sagrario muestra una velocidadmáxima de hundimiento en su esquina suroriente de16 mm/año, con respecto al punto C-3, localizadocerca del ábside de la Catedral y de 20 mm/año entrela esquina noreste y las columnas del noroeste.

El comportamiento en diciembre de 2007 se ilustra enla Fig. 13, del análisis de esta gráfica se deduce que laCatedral continúa hundiéndose pero que ahora lohace casi uniformemente tal como se esperaba. Con la comparación de las figuras anteriores se puedenemitir dos afirmaciones: a) la inyección de morteros enel subsuelo modificó positivamente el patrón develocidades de hundimiento; y b) esta modificaciónfue benéfica para las estructuras ya que logró que la velocidad de hundimientos diferenciales máximosdisminuyera considerablemente. Por ejemplo, elhundimiento relativo entre la referencia base y laesquina surponiente pasó de 12 mm/año en 1989 a 4mm por año en 2007 además de que en general, loshundimiento relativos en esta última fecha eran delorden del 16 % de los que había en 1989.

In applying the Observational Method, the structuralbehavior of both the Cathedral and the Sagrariochurch was monitored rigorously using a large numberof measuring instruments. Soil response wasevaluated mainly from high precision topographicsurveys.

Pr ec i s i o n t o p o g r ap h i c s u r v ey s . Thesemeasurements were made at 246 control pointsdistributed over the whole area covered by themonument. Column and pilaster plinths as well aschapel walls were leveled, including reference steelbolts embedded in the outer walls. Points were locatedat the walls of the Capilla de las Ánimas and of theCuria, at the atrium fence bars, and at the top of thedeep benchmarks. These levelings were carried outevery two weeks from October 1991 to the end of1999; it was subsequently decided to schedule themmonthly. A total of 215 levelings were made as ofAugust 2000. Three levelings per year were doneafterwards, until 2004. Two levelings were made in2005 and none in 2006; the last survey was made inDecember 2007 which added up to a total of 230.

Settlements accumulated since the beginning of theproject in October 1991 and since the start ofunderexcavation in August 1993 were reportedgraphically by means of contours lines. Differentialsettlements produced every 28 days were alsopresented graphically. During the leveling, the zerocurve corresponds to the historical reference: a point located at the apse, at the intersection of axes C and 3,in the west side of the Altar de los Reyes. It wastherefore possible to obtain the differentialmovements with respect to this point. All levelings arereferred to a deep benchmark installed at a depth of100.4 m below the surface (BNP-100) and arecorrelated to the Atzacoalco Benchmark. Themovements recorded are the combination of thoseinduced by regional subsidence and those producedby the effects of the corrective and preventive actionsdiscussed and described before.

Topographic configurations presented here werededuced from interpolations in which the actualcoordinates of all leveled points were taken intoaccount. Those disclosed in previous publications andpapers were obtained applying other interpolationcriteria. These two interpretation forms can apparentlycause discrepancies between the figures of thispublication and those shown previously in other texts.Those discrepancies are of little significance ininterpreting the general behavior but can be importantin analyzing structural details. That is why, to avoid anyconfusion, the drafts shown here were prepared usingthe new criterion.

Effectiveness of soil grouting for hardeningpurposes. The effectiveness of subsoil grouting canbe evaluated by comparing settlement rates at theCathedral and the Sagrario before and after injecting mortars. Fig. 13 shows a picture of the initial behaviorexpressed graphically by plotting settlement ratesobserved between January 7 and September 2 of1991. It can be observed that the central part of theCathedral emerged with respect to its northeastcorner, at a rate of 16 mm/year, and with respect to thewestern bell Tower at 14 mm/year. The Sagrarioshows a maximum settlement rate at its southeastcorner of 16 mm/year with respect to point C-3, locatedclose to the apse of the Cathedral, and 20 mmbetween the southeast corner and the northwestcolumns.

The behavior in December 2007 is presented in Fig.13. From the analysis of this graph it can be inferredthat the Cathedral is still sinking but that it is settlingalmost uniformly, as expected. From the directcomparison of the graphs in that figure, twoconclusions can be derived: a) injection of mortargrouts into the subsoil modified positively the patternof settlement rates; and b) this modification wasbeneficial for the structures because it achieved asubstantial decrease of differential settlement rates.For example, relative differential settlement betweenpoint C-3 and the southwest corner passed from 12mm/year in 1989 to 4 mm/year in 2007. Overall,differential settlements in this last year were, onaverage, only 16 % of those existing in 1989, at theonset of the project.

CONACULTA Comentar ios finalesFinal Remarks14.

Las metas del proyecto para la corrección geométricade la Catedral y del Sagrario se establecieron conbase en la experiencia que previamente se habíaobtenido en la recuperación de la verticalidad devarios edificios con el método de la subexcavación.Además, haciéndolo congruente con una estructurade mamposter ía , se apl icó ese métodoexperimentalmente en el templo de San AntonioAbad. La subexcavación en la Catedral y el Sagrariocomenzó en agosto de 1993. La meta preliminar fuedefinida por el Dr. Fernando López Carmona;posteriormente, en 1994, esa meta se modificó por elDr. Roberto Meli. Se puede afirmar que la geometríade la corrección que se logró satisfizo ambaspropuestas. Una vez que la subexcavación alcanzólos objetivos de corrección planteados por losasesores estructurales del proyecto, el ComitéTécnico Asesor decidió darla por terminada en mayo de 1998. Las correcciones que se consiguieron en loscasi cinco años de operación se estabilizaron con unmáximo de 88 cm.

La necesidad de prevenir los efectos del hundimientoregional futuro justificó el empleo de las inyeccionesde mortero. Se tomó como antecedente el caso delTeatro Nacional, actual Palacio de BellasArtes, el cualse revalidó a la luz de los conocimientos actuales de lamecánica de suelos. La utilización de este método deendurecimiento en la Catedral se fundamentó enestudios teóricos y experimentales de campo y delaboratorio.

La evolución reciente de los hundimientosdiferenciales en la Catedral y en el Sagrariodemuestra que la inyección de mortero en el subsuelotuvo efectos benéficos en la condición de estostemplos. Las configuraciones del nivel de plintospatentizan que se modificaron favorablemente lospa t rones h is tó r i cos de hund im ien to . E lcomportamiento de las dos torres y el de la plomadaindicadora corroboran las conclusiones anteriores.Def in i t ivamente fueron ef icaces tanto lasubexcavación como la inyección de mortero.

El optimismo anterior, derivado de la comparación delas ilustraciones de la Fig. 13, se debe reconsiderar enlas subsecuentes observaciones topográficas yestructurales las cuales, incluso, permitirán una mejordecisión sobre el endurecimiento del subsuelo en laszonas faltantes.

Originalmente se había considerado que lasubexcavación debería utilizarse periódicamente,posiblemente cada 25 años, para reducir loshundimientos diferenciales futuros. También seestimó que en ese lapso podría contarse con otratécnica correctiva que tuviera alguna ventajaadicional.

Los datos y los análisis presentados en este trabajodemuestran que el endurecimiento del subsuelo delos templos será la alternativa que ayudará, junto conotras acciones complementarias, a la preservación deestos templos. El endurecimiento tiene además lavirtud de ser un método preventivo, a diferencia de lasubexcavación que es uno correctivo. Las medicionesrecientes tienden a justificar la idea de que elendurecimiento del suelo es la solución a largo plazode los problemas que aquejan a la Catedral y alSagrario. Más aún, el endurecimiento del subsuelo sepuede y debe aplicar en etapas sucesivas. Así, en el futuro se podrán hacer ajustes complementarios,inyectando los sectores en los que se justifiquehacerlo.

Finalmente, debe reconocerse que la correccióngeométrica y el endurecimiento del subsuelo de laCatedral Metropolitana y del Sagrario son accionesque mitigan la capacidad destructiva de loshundimientos diferenciales y constituyen ejemplos deproyectos meticulosamente controlados mediante elMétodo Observacional. En ellos se desarrollaron yaplicaron resultados cuyo uso en otros casosfortalecerá la capacidad de los ingenieros paraenfrentar los riesgos asociados al hundimientoregional de la ciudad. Esta experiencia debe abrircauce e impulso a investigaciones prácticas que sedirijan a resolver algunos de los problemasgeotécnicos de la ciudad de México.

Es importante aclarar que este trabajo se concreta aofrecer un resumen de los trabajos geotécnicos delsubsuelo. Existen otros dos extensos reportesestructurales de los Doctores Fernando LópezCarmona y Roberto Meli Piralla. Este último incluye ensu trabajo análisis de las mediciones con el sistemade instrumentos electrónicos con el que se sigueobservando el comportamiento estructural de laCatedral y el Sagrario.

The goals in the project for the geometrical correctionof the Cathedral and of the adjacent Sagrario churchwere established from previous experiences gatheredwhile recovering the verticality of several otherbuildings with underexcavation. Furthermore, afteradapting this method to a masonry structure, it wasapplied experimentally at the San Antonio AbadChurch. Underexcavation at the Cathedral and theSagrario started in August 1993. The preliminary goalwas defined by Dr. Fernando López Carmona;subsequently, this goal was modified in 1994 by Dr.Roberto Meli. The geometrical correction achievedsatisfies both proposals. Once the underexcavationcomplied with the correction objectives established bythe structural advisors of the project, the AdvisoryTechnical Committee decided to conclude it in May1998. Vertical corrective settlements after almost five years stabilized at a maximum of 88 cm.

The need to prevent the long-term effects of regionalsubsidence justified the application of mortarinjections. The case history of the Teatro Nacional,now the Palace of Fine Arts, was taken as backgroundinformation and reassessed in the light of present soilmechanics knowledge. The implementation of thismethod of subsoil hardening under the Cathedral wasbased on theoretical and experimental studies in thefield and in the laboratory.

Recent evolution of differential settlements sustainedby the Cathedral and the Sagrario has demonstrated that mortar injection of the subsoil had beneficialeffects on the behavior of both churches. Settlementcontours at the level of the plane of plinths confirm thathistoric settlement patterns were most favorablymodified. The behaviors of both towers and of thereference plumb line corroborate the conclusionsstated above. Both underexcavation and mortargrouting were proven to be efficient methods.

This optimism follows from the comparison of thegraphs presented in Fig. 13, but it shall have to bereconsidered in subsequent topographical andstructural observations that could be even used toreach a better decision on whether subsoil hardeningshould be used in the future at the zones that remain untreated.

It had been originally assumed that underexcavationcould be repeated periodically, possibly every 25years, to reduce future differential settlements. It was

also envisioned that during that period new correctivetechniques could possibly be available to achieveadditional benefits.

Data and analyses presented here demonstrate thatsubsoil hardening under the churches will be thealternative that, together with other complementaryactions, will help preserve these monuments.Hardening has also the advantage of being apreventive method as opposed to underexcavationwhich is a corrective action. Recent measurementstend to justify the idea that soil hardening provides along term solution to problems afflicting the Cathedraland the Sagrario church. Complementaryadjustments can be made in the future to inject zonesthat may require to be treated in the years to come.

It should finally be acknowledged that the geometricalcorrection and subsoil hardening under the Cathedraland the Sagrario mitigate the harmful effects ofdifferential settlements and are examples of projectsmeticulously controlled through the ObservationalMethod. Results developed and applied there, whenused in other cases will strengthen the capacity ofengineers to face the risks associated to regionalsubsidence. This experience should lead the way andprompt practical research oriented towards thesolution of many of the geotechnical problems stillfound in Mexico City.

It is important to state that this text offers a summary ofgeotechnical work carried out in the subsoil; there aretwo other ample structural reports by DoctorsFernando López Carmona and Roberto Meli Piralla.The latter contains analyses of measurements madewith electronic instruments with which the structuralbehavior of the Cathedral and the Sagrario continuesto be observed.

Los objetivos y el progreso de los trabajos geotécnicos que se llevaron a cabo en la Catedral se publicaron en muchasreuniones técnicas, conferencias, mesas redondas, simposios y seminarios tanto nacionales como extranjeros (enItalia, Brasil, Alemania, Japón, España, Francia, Rusia, Costa Rica, El Salvador, Panamá, Colombia, Estados Unidos).Destaca la conferencia especial que se impartió en la XIV Conferencia Internacional de Mecánica de Suelos eIngeniería de Cimentaciones en Hamburgo, en 1977 y la que tuvo lugar en Londres, en 2004, en la ConferenciaInternacional en honor del finado profesor Alec Skempton. A continuación se presentan, en orden cronológico, losartículos e informes en los cuales se abordan los aspectos geotécnicos del proyecto:

The goals and progress of the geotechnical work carried out at the Cathedral have been published in journals, theproceedings of many technical meetings, lectures, discussion sessions, symposia, and seminars in Mexico and abroad(Italy, Brazil, Russia, Germany, Japan, Spain, France, Costa Rica, El Salvador, Panama, Colombia, United States).Particularly, mention should be made of the special lecture delivered at the XIV International Conference of soilMechanics and Foundation Engineering at Hamburg in 1997 and of the participation in the international conference heldin London in 2004 to honor the late Prof. Alec Skempton. Published papers and reports dealing with the geotechnical aspects of the project are listed below in chronological sequence:

CONACULTA Difusión Geotécnica del ProyectoGeotechnical Dissemination of the Project15.

1. Tamez, E., Santoyo, E. y Cuevas,A. (1989). Estudio de las cimentaciones de la Catedral y el Sagrario de la Ciudad de México. TGC Geotecnia a la Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología.2. Tamez, E., Santoyo, E. y Cuevas, A. (1992). “La Catedral Metropolitana y el Sagrario de la Ciudad de México”. Corrección al comportamiento de sus cimentaciones. Volumen Raúl J. Marsal, E Ovando y G. Auvinet (eds.). Sociedad Mexicana deMecánica de Suelos.3. Tamez, E., Santoyo, E. y Cuevas, A. (1992). “Rescate 1ª parte: Enfrentando el hundimiento de la Catedral; Rescate 2ª parte: Subexcavación de las zonas duras; Rescate 3ª parte: Excavación de lumbreras”, Ingeniería Civil, Nos. 284, 285 y 286,Colegio de Ingenieros Civiles de México.4. Ovando, E., Cuevas, A. y Santoyo, E. (1994). “Assessment of the underexcavation technique for leveling structures in Mexico City: the San Antonio Abad case”. Proc. XIII Int. Conf. on Soil Mech. and Foundation Engineering, v. 4, Nueva Delhi,India, ed. Balkema.5. Santoyo, E. y Ovando, E. (1995). “La Torre de Pisa y la Catedral de México: semejanzas y diferencias”. Memorias, X Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos.6. Santoyo, E. y Segovia, J.A. (1995). “Estructuras, recimentación y renivelación”. Revista Vector de la Ingeniería Civil, No. 314, , Colegio de Ingenieros Civiles de México.7. Santoyo, E. y Segovia, J.A. (1995). Recimentación y renivelación de estructuras y monumentos, Publicación de TGC Geotecnia, S.A.8. Tamez, E., Santoyo, E. y Ovando, E. (1995). "Diagnóstico y proyecto geotécnico", Catedral Metropolitana: Corrección geométrica, México:Asociación deAmigos de la Catedral Metropolitana.9. Tamez, E., Santoyo E. y Ovando, E. (1995). "Procedimiento de subexcavación", Catedral Metropolitana: Corrección geométrica, Cap. 6, México:Asociación deAmigos de la Catedral Metropolitana.10. Ovando, E., Tamez, E. y Santoyo E. (1996). "Geotechnical aspects for underexcavating Mexico City's Metropolitan Cathedral. Main achievements after three years", Proc. Int. Symp. Geotechnical Engineering for the Preservation of HistoricalSites, Preprints volume, University of Naples.11. Ovando, E. and Takahashi, V. (1996). "Impact of regional subsidence and changing soil properties on the preservation of architectural monuments in Mexico City", Proc. Int. Symposium on Geotechnical Engineering for the Preservation of Historical Sites, University of Naples.12. Ovando, E. y Manzanilla, L. (1997). "Archaeological interpretation of geotechnical sounding in the Metropolitan Cathedral, Mexico City", Archaeometry, v. 39, No. 1.13. Ovando, E., Tamez, E. and Santoyo E. (1997). "Options for correcting differential settlements in Mexico City's Metropolitan Cathedral", Proc. XIVth Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Hamburgo.14. Tamez, E., Ovando, E. and Santoyo, E. (1997). "Underexcavation of the Metropolitan Cathedral in Mexico City", Spoecial invited lecture, Proc. XIVth Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Hamburgo.15. Ovando, E. y Tamez, E. (1998). "Geometrical correction of Mexico City's Metropolitan Cathedral by means of underexcavation", Felsbau, Rock and soil engineering, v.16, n. 6,Austria.16. Santoyo, E. y Ovando, E. (1998). "Termina la subexcavación de la Catedral Metropolitana" Revista Vector de la Ingeniería Civil, No.14, México, Colegio de Ingenieros Civiles.17. Santoyo, E., Ovando, E., Guzmán, X., Cuanalo, O. y De la Torre, O. (1998). Palacio de BellasArtes. Campañas de inyección del subsuelo, Publicación de TGC Geotecnia.18. Santoyo E., Ovando E y Segovia J. (1999). “Evolución de las cimentaciones en la ciudad de México (primera parte)”. Revista Vector de la Ingeniería Civil, No. 21, México, Colegio de Ingenieros Civiles.19. Santoyo E., Ovando E y Segovia J. (1999). “Evolución de las cimentaciones en la ciudad de México (segunda parte)”. Revista Vector de la Ingeniería Civil, No. 22, México, Colegio de Ingenieros Civiles.20. Santoyo, E. Ovando y J.A. Segovia (1999). “Evolución de las cimentaciones de edificaciones en la ciudad de México”. Ingeniería Civil, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas, Ministerio de Fomento, España, No. 116.21. Ovando-Shelley E. y Santoyo E. (2001). “Underexcavation for levelling buildings in México City”. Journal ofArchitectural Engineering,ASCE, vol 7, No. 3.22. Santoyo E. y Ovando-Shelley E. (2001). “Injected mortars to reduce the compressibility of the subsoil in Mexico City´s Metropolitan Cathedral”. Proc., XVth International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Estambul,Turquía, vol 2.23. Santoyo E. & E. Ovando (2002). “Underexcavation at the Tower of Pisa and at Mexico City's Metropolitan Cathedral”. Proc. International Workshop, ISSMGE - Technical Committee TC36Foundation Engineering in Difficult, Soft Soil Conditions,CD edition, Mexico City.24. Ovando E. y Santoyo E. (2003). “Paralelismo entre la torre de Pisa y la Catedral Metropolitana de la ciudad de México (primera parte)”. Revista Ingeniería Civil, No. 409, México, Colegio de Ingenieros Civiles.25. Ovando E. y Santoyo E. (2003). “Paralelismo entre la torre de Pisa y la Catedral Metropolitana de la ciuad de México (segunda parte)”. Revista Ingeniería Civil, No. 410, México, Colegio de Ingenieros Civiles.26. Santoyo E. y Ovando Shelley, E. (2003). “Behavior of Mexico City's Metropolitan Cathedral after underexcavation and soil hardening”. Proc. Int. Conf. Dedicated to the tercentenary o Saint Petersburg, Reconstruction of historical cities andGeotechnical Engineering, San Petersburgo, Rusia,ASV Publishers, Moscú, vol 1.27. Santoyo E. y Ovando E. (2003). “Cement injection in Mexico City for levelling buildings”. Cap 12 en: Passado, presente e futuro dos edificios da orla marítima de Santos. Sao Paulo,Asociación Brasileña de Mecánica de Suelos.28. Santoyo E. y Ovando E. (2004). Catedral y Sagrario de la ciudad de México. Corrección geométrica y endurecimiento del subsuelo. México: Consejo Nacional para la Cultura y lasArtes, Dirección de Sitios y Monumentos del Patrimonio Cultural.En prensa.29. Santoyo, E. y Ovando-Shelley E. (2004). “Geotechnical considerations for hardening the subsoil in Mexico City's Metropolitan Cathedral”. Publicación especial conmemortativa de la Skempton Memorial Conference, Institution of Civil Engineers,Londres, vol II.30. Ovando Shelley E., Santoyo E. y Hernández V. (2005). “Aspectos geotécnicos para la preservación de cinco monumentos arquitectónicos en la ciudad de México”. Memorias de la Reunión Conmemorativa del Prof. Enrique Tamez, México,Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos.31. Pinto Oliveira M., Ovando Shelley, E y Santoyo Villa E. (2006). “La ingeniería de cimentaciones en algunos monumentos arquitectónicos de Venecia y la ciudad de México”. Memorias, XXIII Reunión Nacional de Mecánica de Suelos, SMMS,Tuxtla Gutiérrez, vol 1.32. Ovando-Shelley E., Pinto Oliveira, M. O., Santoyo Villa E. and Hérnández, V. (2008). “Mexico city: Geotechnical concerns in the preservation of monuments”. International Journal ofArchitectural Heritage, vol. 1, No. 2, 1-23.

Pilotes prehispánicos de la cimentaciónen la Lumbrera L-26

Pre-Hispanic piles of the foundationuncovered at Shaft L-26

Reconstrucción esquemática delas estructuras observadas en

la Lumbrera L-1Schematic reconstruction of the

structures observed atShaft L-1

Hallazgos en el núcleo de unaestructura encontrada en la

Lumbrera L-7Findings at the core of a structure

found at Shaft L-7

Última etapa constructiva(1500, Ahuizótl)

Last constructive stage(1500, Ahuizótl)

Interpretación de la distribución de los templosInterpretation of the temple distribution

Primeras etapas constructivas(1420-1477, Chimalpopoca, Izcóatl,

Moctezuma I)First constructive stages

(1420-1477, Chimalpopoca, Izcóatl,Moctezuma I)

P2-N3

C1-N3

P4-N3

P.C.

(A)

CI-N2

CIV-N1

Estructuras reveladas al excavarla Lumbrera L-1

Structures uncovered at Shaft L-1

Estructura 2Structure 2

Muro

Estructura 1Structure 1

Piso 1 / Floor 1

Caja de ofrendasBox with offerings

Pintura muralMural painting

1

Corrección de desplomes en muros observados en la Lumbrera L-4

aztecas,

Correction of loss of verticality at an Aztecwall, as observed at Shaft L-4

0Escala gráficaGraphic scale

30 m

N

1

2

3

PilotesPiles Primer muro que perdió

su verticalidadFirst wall that lost itsverticality

Tercer muro construido paracorregir la verticalidad de losdos anterioresThird wall built to recoverthe plumb of the twoprevious ones

Base

Segundo muro que temporalmentela verticalidad

corrige

Second wall that temporarilyrecovers the verticality of

the parament

CONACULTA Aspectos ArqueológicosArchaeological AspectsA.

Por:Arqueólogo José Álvaro BarreraInstituto Nacional deAntropología e Historia

El proyecto para la corrección geométrica de laCatedral Metropolitana y del Sagrario constituyó unagran oportunidad para explorar arqueológicamente laparte suroeste del recinto sagrado azteca, tanimportante para los conquistadores españoles comopara justificar que ahí se asentara el templo másimportante del país. La construcción de 32 lumbrerasy la ejecución de otras obras de ingeniería civil que sellevaron a cabo entre los años de 1991 a 1997permitieron excavar y recuperar los datos ocultos bajoestos edificios coloniales, como parte del Programade Arqueología Urbana (PAU) que desde el año de1991 vincula los estudios del Templo Mayor con todala zona y analiza los vestigios de los siete siglos deocupación humana.

Resumen de datos arqueológicos. El PAU efectuó83 puntos de excavación en las lumbreras, los pozospara la instalación de pilotes, las calas y los pozos deexploración; de todos ellos obtuvo datosarqueológicos, Fig. A. El registro de los elementosarqueológicos, muebles o inmuebles, se realizó pormedio de dibujos en planta, cortes, alzados y perfiles,los cuales fueron respaldados con fotografías enblanco y negro, diapositivas e impresiones a color yalgunas veces video-filmaciones. Se elaboraron tantoinformes de todas las actividades arqueológicascomo resúmenes diarios, semanales, mensuales ytrimestrales. La información de campo estámeticulosamente registrada en libretas. Lasactividades de excavación o de gabinete sedocumentaron en bitácoras de obra. Además, senotificó a la compañía supervisora las actividadesdiarias que efectuaron todos los que apoyaron eltrabajo arqueológico.

Hallazgos arquitectónicos. Para tener un panoramade la cantidad de información obtenida en las 32lumbreras que se excavaron, baste decir que secontabilizaron más de 30 muros en talud, rectos ycirculares, junto con las escalinatas, los cuales dan untotal de 69,152 fragmentos de pisos observados y 302capas estratigráficas de deposición cultural y del nivelarqueológicamente estéril.

Disposición de las estructuras descubiertas. Enlos diversos planos y maquetas que se hanpresentado acerca de la posible distribución de lasestructuras y monumentos del Centro CeremonialAzteca de Tenochtitlán, los templos siempre semuestran rodeados de grandes plazas. Pero ahora,con este trabajo de rescate arqueológico realizadobajo la Catedral y el Sagrario, se demuestra que estainterpretación queda superada pues existían casosen los que los templos estaban muy juntos unos de

otros, en ocasiones hasta con menos de un metro deseparación.

En la Fig. A se presenta la interpretación preliminar dela disposición de los edificios prehispánicos en el áreade la Catedral y del Sagrario. La época más antiguacorresponde a los reinados de Chimalpopoca, Izcóatly parte del de Moctezuma I (1420-1447). Los edificiosmás recientes debieron estar en función hacia el año1500, durante el gobierno de Ahuizótl. Existen etapasde construcción entre las etapas mencionadas ydespués de ellas. Sin embargo, para una mejorapreciación de las distribuciones, sólo se presentanlas dos que exponen los cambios arquitectónicos másrepresentativos. Se dibujaron plantas con la ubicaciónde cada una de ellas. Hasta el momento se hanpodido identificar sólo tres edificios: el Teotlachco, quefue el juego de pelota más importante del centroceremonial mexica, el Templo del Sol, y el Templo deEhécatl Quetzalcóatl, dios del viento.

Hallazgos de ofrendas. Se encontraron y registraronmás de 20 ofrendas, las cuales en ocasiones seubicaron dentro estructuras aztecas y en otras fuerade ellas. Algunas se hallaron en cajas de piedra o demadera, sobre y bajo pisos y pavimentos, dentro derecipientes de cestería o sobre pencas de maguey.Algunas sólo contienen huesos humanos, otras,únicamente puntas de maguey y algunas más,materiales diversos.

La aportación principal de este trabajo arqueológicopara el conocimiento de la civilización azteca fuedescubrir la distribución de las estructurasencontradas bajo la Catedral, algunas de las cualesfueron construidas, como ya se dijo, conseparaciones de menos de un metro; después seunían para formar cuerpos más grandes. Antes deestas exploraciones, se interpretaba erróneamenteque las estructuras siempre estaban rodeadas degrandes espacios abiertos. La segunda contribuciónde este estudio fue el rescate de valiosos objetos decerámica, madera y hueso utilizados en otrostiempos, anteriores y posteriores al colonial. Sonvarias las épocas registradas ya que en esta área haexistido actividad humana desde hace más de 650años.

By: José Álvaro Barrera, ArchæologistInstituto Nacional deAntropología e Historia

The project for the Geometrical Correction of theMetropolitan Cathedral and of the adjacent Sagrariochurch was a major opportunity to explorearchaeologically the southwestern portion of theAztecsacred precinct, so important it was for the Spanishconquerors that they built their most important templethere. The construction of 32 access shafts and othercivil engineering work carried out between 1991 and1997 allowed the digging and recovery ofarchaeological data under both colonial temples.

This investigation was performed under the Programof Urban Archaeology (PAU) was created in 1991 toreduce the randomness of archaeological field work inthe city and it naturally associates studies made at theTemplo Mayor to those carried out at otherneighboring sites. Thus, archaeological research inthe area implies analyzing the seven centuries ofhuman settlements there.

Summary of archaeological data. PAU wasresponsible for excavating 83 points inside the shafts,at the wells for driving piles, test borings, and at otherexploratory wells. Archaeological data were retrieved from all of them, Fig. A. Archaeological elements wererecorded drawing plans, cross sections, elevationsand profiles that were backed by black and whitephotographs, color slides, color prints, and sometimes video films. Reports of all of the archaeological activities as well as daily, weekly, monthly andquarterly summaries were prepared. Field informationwas meticulously recorded in notebooks. Field andoffice activities were documented in logbooks. Inaddition, the supervising company was notified aboutthe daily activities performed by all the members of thearchaeological team.

Architectonic findings. To have an overall idea of theamount of information gathered from the 32 shaftsexcavated, suffice is to mention that more than 30sloping, straight and circular walls were discovered,together with a large number of stair flights equivalentto 69,152 floor fragments and to 302 stratigraphiclayers of cultural deposition.

Distribution of the structures uncovered. In thevarious drawings and scale models that have beenpresented to depict the possible distribution of thestructures and monuments in the Tenochtitlan AztecCeremonial Center, the temples are alwayssurrounded by large plazas. However, as a result ofthis archaeological rescue work, this interpretationhas been superseded because in certain cases thetemples were very close to each other andoccasionally, less than one meter apart.

Fig. A presents the preliminary interpretation of thepre-Hispanic building distribution at the site. Theoldest era corresponds to the reigns of Chimalpopoca,Izcóatl, and partly of Moctezuma I (1420-1447). Themost recent buildings must have been erected by theyear 1500 during Ahuizótl's government. Constructionlayers exist between the stages referred to before andafter them. However, for the sake of simplicity, only thetwo stages representative of the major architecturalchanges have been illustrated in the figure. Plan viewswith the location of each of them have been plotted.Only three buildings have been identified: theTeotlachco, that was the most important ball court ofthe Mexica ceremonial precinct, the Temple toTonaituh, the Sun, and the Temple of EhécatlQuetzalcóatl, God of the wind.

Offerings found. More than 20 offerings were foundand logged, some of which were located inside andout of the Aztec structures, in stone or wood boxes, ontop and under floors and pavements, inside wickercontainers or maguey thick leafs (Mexican agave).Some of them contain only human bones; others, onlymaguey thorns and a few of them, miscellaneousartifacts.

The main contribution of this archaeological study tothe knowledge of the Aztec civilization was theunveiling of the distribution of the structures foundunder the Cathedral, some of them built, as mentionedbefore, separated less than a meter; they weresubsequently joined together to integrate largerbodies. Prior to those explorations, it was commonlyand erroneously held that the structures were always surrounded by wide open spaces. The secondcontribution of this research was the rescue ofvaluable artifacts of ceramics, wood, and bone used inold times, before and after the Colonial period. Severalepochs have been recorded because in this areahuman settlements have existed for more than 650years.

Siglo XVI1521 México Tenochtitlán cae bajo el dominio español.1524 Se inicia la construcción de la primera iglesia oCatedral de Cortés.1532Ala iglesia se le otorga el rango de Catedral.1547 Se le da la categoría de Catedral Metropolitana.1555 Se oficia la primera dedicación de la primeraCatedral.1562 Se intenta edificar la Catedral con eje principaloriente poniente.1573 Se inicia la erección de la Catedral con eje principal norte sur.1581 Se completa el pedraplén de cimentación.

Siglo XVII1601 Se repara la primera Catedral.1608 Se excava el túnel de Nochistongo.1613 Se completan las contratrabes de cimentación 3.5 marriba del nivel de la Plaza.1622 Se inicia la construcción de las columnas en la partenorte.1623 Se termina la Sacristía.1625 Se demuele la primera Catedral.1629 La ciudad se inunda y permanece así hasta 1634.1629 Se suspenden los trabajos de la Catedral por 6 años.1635 Se inicia la edificación de las bóvedas y del crucero.1637 Se cierran las bóvedas de las capillas.1654 Se completan las columnas de la parte sur (85 cmmás altas que las del norte).1656 Se celebra la primera dedicación de la Catedral.1656 Se inicia la erección de la cúpula.1664 Se completa la cúpula.1667 Se completan las bóvedas. Se oficia la segundadedicación de la Catedral.1672 Comienza a labrarse la portada principal; se termina3 años después.

Siglo XVIII1725 Jerónimo de Balbás completa elAltar de los Reyes.1749 Lorenzo Rodríguez inicia la edificación del Sagrario.1768 Se finaliza el Sagrario.1780 José Damián Ortiz de Castro inicia la construcción delas torres.1789 El túnel de Nochistongo para drenar el valle setransforma en tajo.1792 Se termina la construcción de las torres.1793 Manuel Tolsá empieza su trabajo en la Catedral.1795 Se inicia el levantamiento del Seminario.1796 El Sagrario se incendia.

Siglo XIX1800 Se finaliza el Seminario.1813 Se termina la adecuación de la Catedral.1860 Javier Cavallari realiza la primera nivelacióntopográfica de la torre poniente.1870-76 Juan Cadena repara la Catedral.

1881 Se detectan las bases de las columnas de la primeraCatedral.1884 Acontece el sismo que daña el lado poniente de laCatedral.1885 Ramón Agea inicia la reparación de los daños dellado poniente de la Catedral.1887 Se sustituyen las cadenas del atrio por las rejas.1894 A. Torres Torrija y R. Gayol evalúan los daños delsismo de 1884.1898 Ramón Agea ultima los trabajos de reparación dellado poniente de la Catedral.

Siglo XX1906 Luis G. Olvera inicia la restauración de arcos ybóvedas.1907 Roberto Gayol efectúa nivelaciones topográficas.1910 Ocurre un fuerte sismo en la ciudad de México.1925 G. Olvera concluye las reparaciones de los arcos ylas bóvedas.1927 M. Ortiz Monasterio y M. Cortina dan principio a susestudios reconstructivos.1929 Manuel Ortiz Monasterio presenta su proyecto pararehabilitar la cimentación.1938 Se demuele el Seminario.1942 Antonio Muñoz toma el cargo de Director deConservación.1943 Se demuele el Ciprés de Lorenzo de la Hidalga.1957 En la ciudad de México sucede un sismo que derribala estatua del Ángel de la Independencia.1959 Antonio Muñoz deja el cargo de Director deConservación.1967 ElAltar del Perdón se incendia.1972 Comienzan los estudios del subsuelo; se descubrenlos restos de la primera Catedral.1972 Manuel González Flores presenta su propuesta derecimentación.1974-76 Se realizan los trabajos de colocación de pilotesde control y de inyección de bóvedas.1985 La Ciudad de México sufre un devastador sismo.1989 En abril penetra agua por las bóvedas; lasautoridades se alarman.1989 Entre junio y noviembre se realiza el estudiogeotécnico.1990 Entre mayo de 1990 y enero de 1991 se ponen enmarcha los trabajos de subexcavación.1991 Entre octubre de 1991 y diciembre de 1993 seexcavan las primeras 30 lumbreras.1993 Entre agosto de 1993 y junio de 1998 se lleva a efectola subexcavación.1998 1997-98 Se evalúa aplicar la inyección de mortero.1998 Entre septiembre de 1998 y septiembre de 1999 serealiza 1ª etapa de inyección del subsuelo.2000 Se lleva a cabo la segunda etapa de inyección delsubsuelo.

CONACULTA Cronología General de la Catedral y Sagrar ioGeneral Choronological account of the Cathedral and of the Sagrar io ChurchB.

16th century1521 Mexico-Tenochtitlán falls under Spanish domination.1524 Construction of the first church or Cortez's Cathedralstarts1532 The status of Cathedral is granted to the church.1547 The status of Metropolitan Cathedral is assigned.1555 The first dedication of the first Cathedral iscelebrated.1562 An attempt is made to build the Cathedral along aneast-west principal axis.1573 The erection of the Cathedral with a north-south axisis started.1581 The masonry platform for the foundation iscompleted.17th century1601 The first Cathedral is repaired.1608 The Nochistongo outfall tunnel is excavated.1613 The inverted foundation beams are finished 3.5 mabove the level of the Plaza.1622 Construction of the columns at the northern part iscompleted.1623 The Sacristy is finished.1625 The first Cathedral is demolished.1629 The city is flooded and remains so until 1634.1629 The construction works of the Cathedral are delayedsix years.1635 The erection of the vaults and of the transept isstarted1637 Vaults for the chapels are completed.1654 Columns of the southern part (85 cm taller than thoseat the north) are finished.1656 The first dedication of the Cathedral is celebrated.1656 The erection of the main dome begins.1664 The dome is completed.1667 The vaults are finished; second dedication of theCathedral.1672 The main facade starts being sculpted; it is completedthree years later.18th century1725 Jerónimo de Balbás complete ElAltar de los Reyes.1749 Lorenzo Rodríguez starts the erection of the Sagrario(parish church of the Cathedral).1768 The Sagrario is completed.1780 José Damián Ortiz de Castro starts the construction of the bell towers.1789 The Nochistongo tunnel becomes an open channel todrain the valley.1792 The construction of the bell towers is completed.1793 Manuel Tolsá starts working at the Cathedral.1795 The erection of the Seminary building starts.1796 The Sagrario caught fire.19th century1800 The Seminary is completed.1813 The final construction works at the Cathedral arefinished.1860 Javier Cavallari executes the first topographic

leveling of the western bell tower.1870-76 Juan Cadena repairs the Cathedral.1881 The column bases of the first Cathedral arediscovered.1884 An earthquake damages the west side of theCathedral.1885 Ramón Agea starts repairing damages in the westside of the Cathedral.1887 Chains in the atrium are replaced by a bars fence.1894 A. Torres Torrija and R. Gayol evaluate the damagescaused by the 1884 earthquake.1898 Ramón Agea completes the repair works of the westside of the Cathedral.20th century1906 Luis G. Olvera starts the restoration of the arches andvaults.1907 Roberto Gayol carries out topographic leveling.1910Astrong earthquake shakes Mexico City.1925 G. Olvera completes the repairs of arches and vaults.1927 M. Ortiz Monasterio and M. Cortina start theirreconstruction studies.1929 Manuel Ortiz Monasterio delivers his project torehabilitate the foundation.1938 The Seminary building is torn down.1942Antonio Muñoz is sworn as Director of Conservation.1943 Lorenzo de la Hidalga's main altar is demolished.1957 An earthquake shocks Mexico City and knocks downtheAngel of the Independence Monument.1959Antonio Muñoz quits as Director of Conservation.1967 TheAltar del Perdón caught fire.1972 Subsoil studies are started; the remains of the firstCathedral are uncovered.1972 Manuel González Flores delivers his underpinningproject.1974-76 Works to install the control piles and the groutingof the vaults takes place.1985 Mexico City experiences a devastating earthquake.1989 InApril water seeps through the vaults; authorities areconcerned.1989 Geotechnical studies are carried out from June toSeptember.1990-91 Between May 1990 and January 1991underexcavation begins.1991-93 Between October 1991 and December 1993 thefirst 30 shafts are excavated.1993-98 Underexcavation is performed between August1993 and June 1998.1997-98 Mortar injection is evaluated experimentally.1998-99 Between September 1998 and September 1999first stage of the subsoil injection.2000 The second stage of the subsoil injection takes place.

CONACULTA Alar ifes, Maestros Mayores, Arquitectos e IngenierosMaster Builders, Architects and EnginneersC.

La recopilación de documentos históricos sobre la Catedral y elSagrario se llevó a cabo para conocer, en lo posible, todos losaspectos constructivos significativos y todas las reparaciones que sele practicaron a la Catedral desde el siglo XVII. Las decisiones y losrazonamientos que siguieron los alarifes, maestros mayores,arquitectos e ingenieros son tan vastos que discutirlos o siquieradescribirlos queda fuera del alcance de esta publicación. Acontinuación sólo se presenta una relación de los nombres y lostrabajos de quienes hicieron posible la construcción y lapreservación de estas dos monumentos.

1) ALARIFES, MAESTROS Y ARQUITECTOS DE LACONSTRUCCIÓN

a) De la Primera Catedral construida por orden de HernánCortés en el actual atrio sur:Maese Martín de Sepúlveda. Constructor de la primera Catedral en1524.AlonsoArias. Restaurador de la antigua Catedral entre 1601 y 1602.

b) De la Catedral y el Sagrario desde su inicio en 1573 hasta suterminación en 1813:Claudio deArciniega.Alarife que concibió la Catedral.Juan Miguel de Agüero. Maestro que continuó el proyecto deArciniega.Alonso Pérez de Castañeda. Maestro Mayor de la construcciónentre 1573 y 1615.Juan Serrano y Melchor Pérez de Soto.Continuadores de la edificación en 1655Juan Gómez de Trasmonte.Maestro Mayor que levantó las bóvedas y el crucero en 1630. Luis Gómez de Trasmonte y Rodrigo Díaz de Aguilera. Constructores dela cúpula en 1656.Cristóbal de Medina Vargas. Maestro Mayor en 1684.Felipe de Roa yAntonio de Roa. Sucesivamente Maestros Mayores entre 1699 y1709.Jerónimo de Balbás. Creador del retablo de los Reyes, elCiprés y el Altar del Perdón.Pedro de Arrieta. Edificador en 1725 delSeminario, demolido en 1936.Manuel de Álvarez. Revisor del diseño del presbiterio realizado por Jerónimo de Balbás.Lorenzo Rodríguez. Diseñador y constructor del Sagrario entre 1749y 1768.Francisco Antonio Guerrero y Torres. Seguidor del trabajo deLorenzo Rodríguez.José Damián Ortiz de Castro. Iniciador de la construcción de lastorres en 1787.Francisco Ortiz de Castro. Continuador de los trabajos de la Catedrala la muerte de su hermano.Ignacio Castera. Colaborador con Damián Ortiz de Castro en eldiseño de las torres.Manuel Tolsá.Armonizador de la Catedral entre 1793 y 1813.

2) ARQUITECTOS E INGENIEROS DE LAS REPARACIONES DEDAÑOS

a) Por parte de laAcademia de Bellas Artes:Javier Cavallari. Ejecuta la primera nivelación topográfica deAtzacoalco a la Catedral en 1860.Juan Cadena. Reparador de la Catedral entre 1870 y 1876.

b) Por órdenes de José I. Limantour de la Secretaría deHacienda:Antonio Torres Torrija y Roberto Gayol. Evaluación de daños delsismo de 1884.Luis G. Anzorena y Antonio Torres Torrija. Revisores del estado de laCatedral.Mauricio M. Campos y Antonio Rivas Mercado. Revisores de losdaños de la Catedral en 1905.

Roberto Gayol y Soto. Realizador de las nivelaciones topográficasde la Catedral en 1895 y 1907.Ramón Agea. Encargado de los trabajos de reparación del ladoponiente entre 1885 y 1898.

c) Por instrucciones de José Vasconcelos de la Secretaría deEducación:Luis G. Olvera. Reparó las cúpulas y reforzó 14 arcos con perfiles deacero y otro con varillas de acero entre 1906 y 1925.

d) Por parte de la Comisión Técnica y Conservación de laCatedral:Daniel García y Luis McGregor. Revisores de la Catedral en 1927.Manuel Cortina García, Manuel Ortiz Monasterio y Roberto Gayol.Autores del proyecto de rehabilitación de la Catedral en 1929.

e) Por parte de la Comisión Diocesana de Orden y Decoro:Nicolás Mariscal y Piña. Director de las Obras de Catedral entre1940 y 1941.Antonio Muñoz García. Arquitecto Director de la Conservación de1942 a 1959.Alberto J. Flores y Manuel González Flores. Evaluadores de losdaños del incendio de 1967.

f) Por parte del Laboratorio ICA:Raúl J. Marsal y Marcos Mazari. Realizaron un levantamientotopográfico de la Catedral para analizar los hundimientosdiferenciales entre 1953 y 1955.

g) Por parte de de la Sria. del Patrimonio Nacional:Vicente Medel. Director de Monumentos de la SPN.Manuel González Flores. Diseñador y ejecutor de la recimentacióncon pilotes de control en 1972.Vicente Guerrero y Gama.Analista de la cimentación en 1972.Ernesto Martínez Parker. Encargado del estudio geotécnico en1972.Jaime Ortiz Lajous. Coordinador del proyecto y Agustín Salgado.Residente de 1974 a 1976.

3) INGENIEROS Y ARQUITECTOS PARA LA SUBEXCAVACIÓN YELENDURECIMIENTO DELSUBSUELO

A cargo de la Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología (1989), laSecretaría de Desarrollo Social (1992), la Secretaría de Educación Pública (1994) y el Consejo Nacional para la Cultura y las Artes(1997). El desarrollo del proyecto se llevó a cabo bajo la DirecciónGeneral de Sitios y Monumentos del Patrimonio Cultural (1989-1999) y de la Coordinación General de Obras Especiales (1999-2000).

Sergio Zaldívar Guerra. Director del proyecto (1989-2000).Xavier Cortés Rocha. Director del proyecto después de 2000.Fernando López Carmona, Roberto Meli Piralla, and Hilario Prieto.Ingenieros estructurales miembros del Comité Técnico.Enrique Tamez and Enrique Santoyo. Ingenieros geotécnicosmiembros del Comité Técnico.Fernando Pineda. Miembro del Comité Técnico.Jorge Díaz Padilla. Secretario del Comité Técnico.Efraín Ovando Shelley y Roberto Sánchez. Consultores geotécnicoy estructural respectivamente.

A compilation of historic documents on the Cathedral and theSagrario was carried out to find out all the significant constructionaspects and all the repairs made to the Cathedral since the 17thcentury. The decisions and reasoning followed by the masterbuilders, architects and engineers are so wide in scope that theirdiscussion or even their description falls outside the aims of thispublication. The names and the works performed by master builders,masons, architects, engineers, conservationists and others thathave contributed to the construction and to the preservation of thesetwo monuments is provided next.

1) Master builders and architects during The Construction of theCathedral

a) Of the first Cathedral built by order of Hernán Cortés at thepresent south atrium:Maese Martín de Sepúlveda, builder of the first Cathedral in 1524.AlonsoArias Restorer of the old Cathedral from 1601 to 1602.

b) Of the Cathedral and the Sagrario beginning in 1573 up untiltheir completion in 1813:Claudio deArciniega. Master builder conceived the Cathedral.Juan Miguel deAgüero. Master builder succeededArciniega.Alonso Pérez de Castañeda. Mason major of the constructionbetween 1573 and 1615.Juan Serrano and Melchor Pérez de Soto continued the constructionin 1655.Juan Gómez de Trasmonte. Mason major who erected the vaults andthe transept in 1630.Luis Gómez de Trasmonte and Rodrigo Díaz de Aguilera domearchitects in 1656.Cristóbal de Medina. Mason major in 1684.Felipe de Roa and Antonio de Roa. Successive major masonsbetween 1699 and 1709.Jerónimo de Balbás. Creator of the altarpieces "de los Reyes","Ciprés", and "del Perdón".Pedro deArrieta built the Seminary in 1725, demolished in 1936.Manuel de Álvarez reviews the design of the presbytery made byJerónimo de Balbás.Lorenzo Rodríguez design and built the Sagrario between 1749 and1768.Francisco Antonio Guerrero y Torres follows of the work of LorenzoRodríguez.José Damián Ortiz de Castro starts the construction of the westernbell tower in 1787.Francisco Ortiz de Castro continued the works at the Cathedral afterthe death of his brother.Ignacio Castera collaborator of Damián Ortiz de Castro in the designof the bell towers.Manuel Tolsá harmonized the outer architectural proportions of theCathedral from 1793 to 1813.

2) ARQUITECTS AND ENGINEERS FOR THE REPAIR OFDAMAGES

a)Appointed by theAcademia de Bellas Artes:Javier Cavallari runs leveling from Atzacoalco Benchmark to thewestern bell tower in 1860.Juan Cadena repairs the Cathedral between 1870 and 1876.

b)Appointed by the Secretaría de Hacienda (1894):The Cathedral is checked by order of José I. LimantourAntonio Torres Torrija and Roberto Gayol assessed the damagescaused by the 1884 earthquake.Luis G.Anzorena andAntonio Torres Torrija.Appraise the state of theCathedral.

Mauricio M. Campos and Antonio Rivas Mercado describe thedamages of the Cathedral in 1905.Roberto Gayol y Soto carried out topographic leveling of theCathedral in 1895 and 1907.Ramón Agea responsible for the repair works of the west sidebetween 1885 and 1898.

c)Appointed by the Secretaría de Educación:The condition of the Cathedral is assessed by order of JoséVasconcelos.Luis G. Olvera repairs the dome and vaults by adding steel bands to14 arches and reinforcing an arch with steel bars (1906-1925).

d) Appointed by the Comisión Técnica y Conservación de laCatedral (1927):Daniel García and Luis McGregor appraise the condition of theCathedral.Manuel Cortina García, Manuel Ortiz Monasterio and Roberto Gayolauthors of the rehabilitation project of the Cathedral in 1929.

e) Appointed by the Comisión Diocesana de Orden y Decoro(1937)Nicolás Mariscal y Piña. Director of the Cathedral works in 1940 and1941.Antonio Muñoz García, Cathedral Director of architectureconservation 1942 to 1959.Alberto J. Flores and Manuel González Flores review damagescaused by the fire in 1967.

f)Appointed by Laboratorio ICA:Raúl J. Marsal and Marcos Mazari. Perform topographic levelingsinside the Cathedral (1953-1955).

g)Appointed by the Secretaría del Patrimonio Nacional (1972):Vicente Medel. Director de Monumentos SPN.Pedro Moctezuma Díaz Infante was SPN Secretary Project director.Manuel González Flores underpinning control piles designer andcontractor.Vicente Guerrero y Gama. Evaluated the loads transmitted by theCathedral to the foundation.Ernesto Martínez Parker a geotechnical consultant.Jaime Ortiz Lajous project coordinator.Agustín Salgado. Resident of the works executed from 1974 to 1976.

3) ENGINEERS AND ARCHITECTS FOR UNDEREXCAVATIONAND SELECTIVE SOIL HARDENING

In charge of the Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología (1989),the Secretaría de Desarrollo Social (1992), the Secretaría deEducación Pública (1994), and the Consejo Nacional para la Culturay las Artes (1997). The development of the project was carried outunder the Dirección General de Sitios y Monumentos del PatrimonioCultural (1989-1999), and Coordinación General de ObrasEspeciales (1999-2000).

Sergio Zaldívar Guerra. Project Director (1989-2000)Xavier Cortés Rocha. Project Director after 2000.Fernando López Carmona, Roberto Meli Piralla, and Hilario Prietostructural engineers and members of the Technical Committee.Enrique Tamez and Enrique Santoyo geotechnical engineers andmembers of the Technical Committee.Fernando Pineda member of the Technical Committee.Jorge Díaz Padilla. Secretary of the Technical Committee.Efraín Ovando Shelley and Roberto Sánchez. Geotechnical andstructural advisors, respectively.

PASADO Y FUTURO EN LA CATEDRAL Y SAGRARIO

Este documento describe brevemente los trabajos que se realizaron en el subsuelo de la Catedral y Sagrario, desde losestudios iniciales, la exploración geotécnica, las numerosas pruebas experimentales y los trabajos de subexcavación yendurecimiento del subsuelo. Este dilatado proceso con varias interrupciones, originadas a causa de diversosmotivos, se inició en agosto de 1989 y se concluyó en enero del 2002. En todos los detalles de este complejo procesoparticiparon los dos expertos en estructuras Doctores Fernando López Carmona y Roberto Meli Piralla.

En los últimos cien años las consecuencias del hundimiento regional de la ciudad de México y la compresibilidad delas arcillas blandas de su subsuelo han obligado, además de la recurrente reparación de las bóvedas de la Catedral ySagrario, a realizar tres intervenciones mayores en las estructuras y cimentaciones. La primera, dirigida por el Arq.Luis G. Olvera, tuvo lugar entre 1906 y 1925 y consistió en reparar y reforzar el agrietado tambor de la cúpula einjertar perfiles de acero en 14 arcos. La segunda, que se hizo en la cimentación de 1942 a 1946, consistió en reforzarlas contratrabes de mampostería con concreto armado. Su diseño se debe a losArquitectos Manuel Ortiz Monasterio yManuel Cortina García, correspondió realizarla al Arq. Antonio Muñoz. La tercera, en 1972, fue la instalación de lospilotes de control, invento del Ing. Manuel González Flores, con los que se intentó corregir el comportamiento de lascimentaciones de los dos templos; sin embargo, el desconocimiento del patrón de deformaciones y las dificultades para instalar los pilotes y sus propias limitaciones llevaron a este esfuerzo a tener logros mínimos y por ello elcomportamiento siguió siendo el mismo.

La cuarta intervención, descrita en este folleto, se inició a partir de 1989 dirigida en su primera parte por elArq. SergioZaldivar (entonces Director de Sitios y Monumentos del Patrimonio Cultural, CONACULTA) se enfocó a lacorrección geométrica de la estructura, mediante la técnica de subexcavación para reducir las inclinaciones ycontinuó con el endurecimiento de las arcillas mediante el mecanismo de fracturamiento hidráulico.Además se llevóa cabo tanto la consolidación de las bóvedas como la detallada inyección de morteros en los fustes de las columnaspara eliminar su defecto congénito de la concentración de esfuerzos en las pequeñas piedras que se usaron para nivelarlos bloques de cantera; rellenar esos huecos con morteros permite uniformar la transmisión de cargas. Las obras deesta última intervención quedaron a cargo del Dr. Xavier Cortés Rocha (actual Director de Sitios y Monumentos delPatrimonio Cultural, CONACULTA), que ha continuado con la reparación de las torres y aseguramiento de las esferasque las coronan. Otra parte fundamental de esta segunda parte ha sido la restauración de los retablos, órgano ypinturas, la cual se concluirá a finales del 2008.

Han pasado más de seis años de de que terminaron los trabajos geotécnicos y durante este tiempo ambos templos hansido cuidadosamente observados instrumentalmente. Con base en los resultados de estas mediciones es ahora posibleafirmar que la subexcavación y endurecimiento del subsuelo, técnicas desarrolladas en todos sus detalles paraaplicarlas a la Catedral y Sagrario han sido exitosas, como se demuestra en este folleto. Ambas son avancestecnológicos pioneros que demostraron su utilidad y por ello constituyen un valioso ejemplo para seguir en otrosmonumentos del Centro Histórico de la ciudad de México, e incluso en otras partes donde se tengan suelos blandosque se consolidan. Como ya ocurrió con la subexcavación de la Torre de Pisa, para la cual el Dr. MicheleJamiolkowsky, presidente del Comité de Salvamento, reconoció que “el caso de la Catedral fue la inspiración que lesimpulso a subexcavar la Torre”. Y más recientemente el tratamiento del subsuelo de la torre de la Iglesia de los Frari(Franciscanos) de Venecia mediante la inyección por fracturamiento hidráulico, en este caso también tiene influenciala experiencia en la Catedral.

En el futuro la Catedral y Sagrario sin duda manifestarán los efectos dañinos del persistente fenómeno delhundimiento regional de la ciudad de México, pero atenuados gracias a los esfuerzos descritos en este folleto. Esosefectos se podrán detectar con la instrumentación instalada y las mediciones topográficas. Pero ahora se tiene lacerteza de que las inclusiones y la inyección de morteros, por fracturamiento hidráulico de las arcillas serán lasmejores herramientas geotécnicas para enfrentarlos.

PAST AND FUTURE IN THE CATHEDRAL AND THE SAGRARIO CHURCH

This document briefly describes the work carried out in the subsoil under the Cathedral and the Sagrario Church, fromthe initial studies, geotechnical exploration, numerous experimental tests, underexcavation and soil hardening. Thiswas a long process that was interrupted several times due to various causes, it began in August 1989 and finished inJanuary 2002. All of the details in this complex project were overlooked by two structural experts, Dr. FernandoLópez Carmona and Dr. Roberto Meli.

Over the last one hundred years, the consequences of regional subsidence in Mexico City as well as thecompressibility of the soft clays in its subsoil prompted repeated repair work in the vaults of the Cathedral and the Sagrario as well as three major interventions in their structures and foundations. In the first one, between 1906 and1925, its director, Luis G. Olvera, repaired and reinforced the main dome and introduced steel profiles in 14 arches. Insecond one, made in the foundation from 1942 to 1946, the masonry foundation beams were strengthened withreinforced concrete. It was designed by the architects Manuel Ortiz Monasterio and Manuel Cortina García and wascarried out by Antonio Muñoz. Control piles, an invention of Manuel González Flores, were installed in 1972 duringthe third intervention in an attempt to control the behavior of the foundations of both temples. However, ignorance ofdeformation patterns and difficulties in installing the piles as well as to limitations of the piles themselves led to verymeager results and the behavior continued to be basically the same.

The fourth intervention is described in this booklet and began in 1989. Its first part was headed by Sergio Zaldívar (architect, at the time Director de Sitios y Monumentos del Patrimonio Cultural, CONACULTA) and focused in thegeometrical correction of the structure, using the underexcavation technique to reduce inclinations, and continuedwith soil hardening by means of hydraulic fracturing. In the second part the vaults were consolidated and mortarswere injected into the columns to eliminate stress concentrations produced by stone fragments wedged in betweenmasonry blocks, to level them; stresses are uniformized by injecting mortar in those spaces. This last part was incharge of Dr. Xavier Cortés Rocha (presently Director de Sitios y Monumentos del Patrimonio Cultural,CONACULTA), continued with repairs in the towers and in the stone spheres that crown them. Another fundamentalpart of this second stage was the restoration of altars, organs and paintings, all of which will finish at the end of 2008.

It is more than six years since geotechnical work ended and over this time the two temples have been closelymonitored. Based on the results of these instrumental observations it can now be ascertained that underexcavation andsoil hardening, developed in all their details to apply them in the Cathedral and the Sagrario have been successful, asshown in this booklet. Both are pioneering technological developments whose usefulness were proven in this projectand can thus be considered as examples to follow in other monuments in downtown Mexico City or in any other partof the world with soft consolidating soils. So it happened in the Tower of Pisa where Dr. Michele Jamiolkowsky,president of the committee for the safeguard of the Tower, recognized that the case of the Cathedral was the“inspiration” for underexcavation of the tower. More recently, the injection of the subsoil with hydraulic fracturing atthe tower of the Venetian church of the Frari (Franciscans) was also influenced by the experience gained at theCathedral.

The damaging effects of regional subsidence in Mexico City will be no doubt be present again in the Cathedral and theSagrario but attenuated, thanks to the efforts described in this booklet. These effects will be detected with theinstruments installed and with topographic surveys. For now we are certain that inclusions and mortar injections withhydraulic fracturing in the clays are the best geotechnical tools to face them.

25 Años

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25Años - Tgc · 2019-02-01 · de Pisa. El grupo de expertos internacionales se complementó con los Doctores Gholamreza Mesri de la Universidad de Illinois, Pietro de Porchelinis