PROYECTO DE INVESTIGACIÓN EN ANÁLISIS DE IMAGEN CON

SUELOS TRANSPARENTES

DIEGO ALEXANDER PEÑA CHAPARRO

ASESOR: LAURA MARCELA IBAGÓN CARVAJAL

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

BOGOTA D.C., DICIEMBRE DE 2019

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Resumen

En este proyecto de investigación se buscó encontrar una técnica para el análisis de imagen

a partir de tres tipos de marcadores de deformación. Al final se modeló un suelo transparente con

el marcador óptimo, con el fin de estudiar el comportamiento geotécnico de un pilote hincado. Se

utilizaron tres tipos de marcadores de deformación como glitter, arena de color y shakiras, para

cada una se hizo un modelo pequeño con suelo transparente y después se realizó un análisis de

imagen a partir de la herramienta PIV suministrada por el software MATLAB. PIV (Particle Image

Velocimitry) es un software con resolución temporal que además de calcular las distribuciones de

velocidad dentro los pares de imágenes de partículas, este también brinda opciones para derivar,

graficar y exportar parámetros múltiples de un patrón de flujo (Thielicke, 2014). Se adoptó una

metodología empírica, donde los ensayos realizados fueron fundamentales para el análisis del caso,

por ende, se presenta el proceso constructivo de un modelo tridimensional con suelo transparente

y recomendaciones para elaborar este mismo. Para el desarrollo de esta investigación se basó en el

proceso establecido por Bajonero y Diaz (2019) y los resultados obtenidos por Ibagón (2018).

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Contenido

1. Introducción .............................................................................................................................. 4

1.1. Contexto............................................................................................................................. 4

1.2. Problema de investigación ................................................................................................. 5

1.3. Objetivos ............................................................................................................................ 6

1.4. Diseño metodológico ......................................................................................................... 7

2. Elaboración Suelo Transparente ............................................................................................... 7

3.1. Materiales .......................................................................................................................... 7

3.2. Procedimiento .................................................................................................................... 8

3. Análisis Marcadores de Deformación ..................................................................................... 11

4.1. Glitter ............................................................................................................................... 13

4.2. Arena de color rojo .......................................................................................................... 16

4.3. Shakiras ........................................................................................................................... 18

4. Construcción Modelo Tridimensional .................................................................................... 21

5. Análisis Resultados ................................................................................................................. 22

6. Conclusiones y Recomendaciones .......................................................................................... 28

7.1. Conclusiones .................................................................................................................... 28

7.2. Recomendaciones ............................................................................................................ 28

7. Referencias .............................................................................................................................. 29

8. Anexos .................................................................................................................................... 30

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Lista de figuras

Figura 1. Tubos de vidrio borosilicatado _____________________________________________________________ 8 Figura 2. Suelo transparente para reutilizar __________________________________________________________ 8 Figura 3. Vidrio triturado por prensa _______________________________________________________________ 9 Figura 4. Material transparente: vidrio borosilicatado triturado. ________________________________________ 10 Figura 5. Marcadores de deformación. _____________________________________________________________ 11 Figura 6. Muestras por tipo de marcador ___________________________________________________________ 12 Figura 7. Estado inicial y final de la muestra con glitter. _______________________________________________ 14 Figura 8. Registro fotográfico para ensayo en modelo con glitter. _______________________________________ 14 Figura 9. Análisis de imagen por PIV en muestra con glitter. ___________________________________________ 15 Figura 10. Correlación de los componentes de desplazamiento en x y y glitter. _____________________________ 16 Figura 11. Estado inicial de la muestra con arena de color rojo. _________________________________________ 16 Figura 12. Registro fotográfico para ensayo en modelo con arena de color ________________________________ 17 Figura 13. Análisis de imagen por PIV en muestra con arena de color. ____________________________________ 17 Figura 14. Correlación de los componentes de desplazamiento en x y y arena de color. ______________________ 18 Figura 15. Estado inicial y final de la muestra con shakiras _____________________________________________ 19 Figura 16. Registro fotográfico para ensayo en modelo con shakiras. ____________________________________ 19 Figura 17. Análisis de imagen por PIV en muestra con shakiras _________________________________________ 20 Figura 18. Correlación de los componentes de desplazamiento en x y y shakiras. ___________________________ 21 Figura 19. Modelo sometido al vacío ______________________________________________________________ 22 Figura 20. Levantamiento del modelo tridimensional por capas. ________________________________________ 22 Figura 21. Estado inicial modelo tridimensional. _____________________________________________________ 23 Figura 22. Registro fotográfico del proceso de hincado en el modelo tridimensional. ________________________ 24 Figura 23. Registro fotográfico con dispositivo número 2 para análisis de imagen. _________________________ 25 Figura 24. Limites de vectores de velocidad obtenidos a partir del registro fotográfico ______________________ 26 Figura 25. Análisis de imagen PIV para registro fotográfico analizado. ___________________________________ 26 Figura 26. Componente de desplazamiento en dirección x para el estado final del proceso de hincado __________ 27

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1. Introducción

1.1. Contexto

Los problemas geotécnicos muchas veces son analizados en ensayos de laboratorio mediante

técnicas intrusivas donde se altera el modelo realizado, es por esto, que en los últimos años el área

de ingeniería civil de geotécnica ha investigado en el desarrollo de estrategias que permitan estudiar

los patrones de deformación espacial continua en muestras de suelo mediante técnicas no

intrusivas. Dentro de los métodos usados se encuentra: la tomografía axial computarizada, sin

embargo, su implementación en problemas de geotecnia ha sido limitada por su alto costo de

escaneo de microscopios; las emulsiones transparentes foto elásticas también han sido utilizadas

para estudiar patrones de flujo de material; imágenes por resonancia magnética; por último, se han

adoptado estrategias ópticas como la mezcla de material transparente con líquidos con el mismo

índice de refracción, aun así, esta técnica también está limitada debido a la carencia del material

transparente de simular las propiedades mecánicas de un suelo granular, en otras palabras, el

material usado para obtener la transparencia no simula en su totalidad el comportamiento mecánico

de un suelo natural debido a las propiedades físicas y químicas del material transparente ( Iskander,

Lai, Oswald & Mannheimer, 1994).

Un material transparente es aquel material que, al colocarlo en contacto con la luz, se refleja

parte de la energía y deja entra la energía que le llega. La transparencia del material depende de la

similitud en el índice de refracción con el fluido poroso, cantidad de burbujas de aire en la muestra,

presencia de impurezas, tamaño y cantidad de las partículas del material, y la temperatura del

entorno (Monroy & Caicedo, s.f.). Un suelo transparente es un material bifásico el cual está

conformado por la mezcla de un material transparente y un fluido poroso. Para esta investigación

se utilizó vidrio borosilicato triturado y glicerina mezclada con gotas de agua. (Bojanero, 2019).

La universidad de los Andes también ha designado un grupo de investigación denominado

GeoSi para el análisis y elaboración de suelos transparentes y su aplicación en problemas reales de

geotecnia tales como el análisis de deformaciones en cimentaciones, estructuras de contención,

terraplenes entres otros casos de estudio. Dentro de los referentes en este grupo de investigación se

encuentra Laura Ibagón y Bernardo Caicedo quienes han modelado diversos suelos transparentes

con diferentes materiales transparentes y líquidos porosos, se han hecho muestras con:

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• Silica amorfo en polvo y bromuro de calcio con agua

• Fuzed Quartz

• Hidrogel con agua

• Hidrogel con aceite mineral

• Vidrio borosilicatado con aceite mineral

• Vidrio borosilicatado y glicerina con agua

A partir de los resultados obtenidos por Bajonero e Ibagón (2019), se obtuvo que la mezcla

entre vidrio borosilicatado triturado y glicerina con agua daba una mayor compatibilidad en el

índice de refracción, por lo que se optó por desarrollar un modelo tridimensional y evaluar los

efectos de deformación mediante la instalación de un pilote hincado.

En este proyecto se pretende modelar el un suelo transparente con los mismos materiales, sin

embargo, se analizará el suelo modelado con diferentes marcadores de deformación para estimar

cual permite un mejor análisis visual. Un marcador de deformación es un material que se instala

dentro de un modelo geotécnico para realizar análisis de imagen, este permite desarrollar un

análisis computacional de acuerdo con el desplazamiento del suelo. Por lo general se emplean

esferas o shakiras con diferentes tamaños. Su distribución en el modelo es un factor importante

para la técnica de visualización.

1.2. Problema de investigación

El proyecto realizado por Bajonero utilizo shakiras como marcadores de deformación que

permitieron un análisis de imagen a partir de la herramienta PIV (Particle Image Velocimitry), en

este análisis se estudió el movimiento y la trayectoria de las partículas de suelo. PIV es un

complemento del software MATLAB donde se analiza la imagen a partir del desplazamiento de

los pixeles, por lo que genera vectores de desplazamiento. A partir de lo anterior, se evidencia la

importancia de los marcadores de deformación a la hora de realizar técnicas de visualización

tridimensional no intrusivas.

Actualmente existen diversas formas de aplicación de marcadores dentro de un modelo

tridimensional. Los resultados de la técnica dependen del tipo de marcado y del método de

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instalación. Se busca implementar un marcador de deformación que no altere el comportamiento

del suelo transparente y que al mismo tiempo permita un mejor análisis de imagen mediante la

detección de partículas del modelo. Se busca que el marcador o el trazador utilizado en el modelo

no influya de ninguna manera en el comportamiento mecánico del suelo transparente, y que este

sirva para describir o representar el flujo de movimiento del suelo cuando el modelo es ensayado.

En el trabajo de investigación realizado por Bojanero se aplicaron shakiras pequeñas de color

negro, estas se colocaron espaciadas entre sí en filas a medida que se iba construyendo el modelo

por capas. Para esta investigación, se dispondrán de tres tipos de marcadores los cuales se aplicarán

por filas como líneas continuas a lo largo del modelo tridimensional. Al final se busca determinar

el marcador más eficiente.

1.3. Objetivos

Para el desarrollo de este proyecto de investigación se plantearon los siguientes objetivos:

• Elaborar un suelo transparente que simule el comportamiento de un material granular

• Definir el procedimiento a seguir para la construcción de un modelo tridimensional con

suelo natural

• Desarrollar una técnica para el análisis de imagen mediante la instalación de diferentes

marcadores.

• Definir un marcador de deformación óptimo para el análisis de visualización

tridimensional no intrusivo.

• Estudiar el patrón de flujo del desplazamiento del suelo transparente cuando se instala un

pilote hincado

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1.4. Diseño metodológico

Para el desarrollo del proyecto se adoptó una metodología experimental, este proceso se llevó

a cabo en el laboratorio de suelos de la Universidad de los Andes, donde se elaboró un suelo

transparente a partir de un procedimiento especificado en el literal 3, una vez se obtuvo el suelo

transparente se prepararon tres muestras en diferentes recipientes, para cada una se instaló un

marcador diferente. Posteriormente se realizó un análisis de imagen en PIV, y a partir de los

resultados se escogió el marcador con mayor consistencia en los datos obtenido en el análisis de

imagen. Se construyo un modelo tridimensional con la implementación del marcador de

deformación escogido. Finalmente, se realizó un ensayo a una gravedad con la instalación de un

pilote hincado o in situ, con el registro fotográfico obtenido se procedió a realizar un análisis de

imagen.

2. Elaboración Suelo Transparente

3.1. Materiales

Para la elaboración del suelo material se utilizaron los siguientes materiales: Implementos de

seguridad, tubos de vidrio borosilicatado, glicerina, beaker, prensa, maquina baño maría, tamices

con diferente tamaño de malla, caja para triturar partículas de vidrio, suelo transparente

previamente elaborado, shakiras de color, glitter y arena de color.

El vidrio borosilicatado triturado es un material inorgánico con estructura molecular amorfa,

esta falla frágilmente y se mezcla con un fluido poroso con mismo índice de refracción con el fin

de estudiar la distribución de esfuerzos a cortante de un suelo granular (Monroy & Caicedo, s.f.).

Este material tiene un índice de refracción cercano a 1.47 (Ibagón & Caicedo 2018)

La glicerina es un fluido viscoso que se genera como producto intermedio de la fermentación

alcohólica, este líquido es orgánico, versátil y químicamente estable (Bojanero, 2019). Este tiene

muchos usos, entro los principales esta su función como ingrediente para productos cosméticos,

medicamentos entre otros compuestos. (Posada & Cardona, 2010). La glicerina tiene un índice de

refracción de 1.474 (Bojanero, 2019).

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A continuación, se presentan algunas ilustraciones de los elementos empleados, en anexos se

puede encontrar las ilustraciones mencionadas.

Figura 1. Tubos de vidrio borosilicatado

Figura 2. Suelo transparente para reutilizar

3.2. Procedimiento

Para la elaboración del suelo natural se definieron dos procesos para la obtención de material

transparente. El primer proceso corresponde a la reutilización de suelo transparente ya elaborado

previamente, y el segundo se refiere a la elaboración de material transparente a partir de la

trituración de los tubos de vidrio borosilicatado.

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Como se mencionó, se procedió a reutilizar material transparente a partir de un modelo inactivo

ya hecho, esta decisión se tomó en base a que un material transparente es costoso no solo en

términos de valor monetario, sino también en términos de tiempo, ya que el proceso de obtención

de este requiere de tiempo y esfuerzo. El vidrio triturado presenta una ventaja significativa en

comparación a otros materiales transparentes, y es que este se puede reutilizar mediante un proceso

de lavado para eliminar las impurezas y el líquido poroso presente, este hecho fue uno de los

factores por el cual se decidió realizar un suelo transparente con este material. Al observar la figura

2 se ve el suelo a reutilizar, para este caso fue necesario remover las shakiras que se habían instalado

en el modelo, y posteriormente realizar un lavado del suelo para que este quede sin liquido poroso.

Al final se pone a secar el suelo en un horno y se obtiene el material transparente a utilizar. Sin

embargo, la cantidad de material transparente reciclado no fue suficiente para el desarrollo del

proyecto de investigación por lo que se procedió a preparar más material transparente.

Para lo anterior, se siguió las instrucciones especificadas en el documento “Obtención y

construcción de un Suelo Transparente” Díaz (2019), donde en primera instancia se especifica la

importancia de tener puesto los implementos de seguridad, ya que a la hora de triturar vidrio se

presentan eventos de riesgo que pueden afectar al individuo, en anexo 1 se puede evidenciar el

equipo de seguridad que se utilizó para realizar esta actividad. Una vez se tiene puesto los

implementos de seguridad, se procede a partir los tubos de vidrio en segmentos casi iguales, luego

estos segmentos se ponen en una caja para poder ser triturados bajo esfuerzos de compresión en

una prensa.

Figura 3. Vidrio triturado por prensa

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El proceso anterior se realiza repetitivamente hasta poder obtener el tamaño de partícula

deseado. Una vez se somete reiteradamente el vidrio a la prensa a una carga máxima de 1500 kgf,

se filtra el material por dos coladores (anexo 1). Esto con el fin de obtener la granulometría deseada

ya que como se mencionó anteriormente, el tamaño de las partículas afecta el índice de refracción

del material transparente. Una vez se obtiene la arena de vidrio triturado (figura 4), se lava para

limpiar impurezas y se somete al horno para secar.

La granulometría describe la distribución de tamaños de partículas que componen un suelo

granular. A partir de la distribución granulométrica de una muestra se puede predecir el

comportamiento del material. Es necesario indicar que para definir la granulometría de un material

granular se utiliza tamices con determinado diámetro de abertura para dividir las partículas por

tamaño. En este proyecto no se utilizaron tamices metálicos, ya que el metal contamina el vidrio.

Con el fin de lograr la transparencia deseada se modela un suelo con tamaño de partículas de arena

fina (0.075 mm a 2 mm a partir del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos), se utilizaron

dos colocadores con diferente tamaño de abertura, el primero con un diámetro de aproximadamente

1 mm y el segundo con un diámetro cercano a 0.1 mm (anexos 1).

.

Figura 4. Material transparente: vidrio borosilicatado triturado.

Ya con el material transparente, se procede a preparar el fluido poroso el cual debe tener el

mismo índice de refracción para que la mezcla sea transparente. Índice de refracción es la relación

entre la velocidad que se propaga en el vacío con la velocidad que se propaga en cualquier otro

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medio. Se obtiene a partir de la división de los senos de los ángulos de incidencia y refracción. La

determinación de esta propiedad se ve influenciada por la temperatura y la longitud de onda de luz

transmitida (Suinaga, s.f.).

A partir de la información recopilada en los proyectos de investigación de Bojanero (2019) y

Díaz (2019), se estimó que el índice de refracción de la glicerina es aproximadamente 1.474,

mientras que el índice del vidrio borosilicatado es 1.47. Debido a lo anterior, se procedió a mezclar

la glicerina con agua la cual tiene un índice de 1.33. Al final después de varias mediciones con el

refractómetro, se determinó que por cada 10 milímetros de glicerina se añade una gota de agua para

obtener una mezcla con el mismo índice de refracción que el vidrio triturado, a partir de esta

proporción se elaboró un fluido poroso que al mezclarlo con la arena de vidrio nos permitiera

obtener un suelo transparente.

Durante la preparación del suelo transparente se presentaron burbujas de aire las cuales son

vacíos de aire que se generan a la hora de elaborar el suelo transparente, estas afectan las

propiedades mecánicas del suelo modelado y al mismo tiempo afecta los resultados a la hora de

realizar un análisis de imagen.

3. Análisis Marcadores de Deformación

Para el análisis de imagen para diferentes tipos de marcador, se realizaron tres muestras

pequeñas en recipientes pequeños tipo beaker con el fin de optimizar el consumo de material

transparente. Para ello se preparó un suelo transparente para el glitter, la arena de color y las

shakiras.

Figura 5. Marcadores de deformación.

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En la ilustración anterior, se observa los marcadores de deformación utilizados. En la parte

izquierda se presenta las shakiras de color azul, en el centro la arena de color y al lado derecho el

glitter.

Antes de mezclar el material transparente con el fluido poroso, la glicerina se somete al

baño maría a una temperatura de aproximadamente 50 °C con el fin de eliminar las burbujas de

aire (anexo 2), ya que a esta temperatura los vacíos de aire atrapados en la mezcla fluyen a la

superficie, en esta fase se recomienda sellar bien el recipiente para que el vapor de agua no afecte

la mezcla. Después de que el líquido haya sido sometido al baño maría, este se mezcla con una

misma proporción de vidrio triturado, es importante recalcar que es normal que en este proceso se

generen burbujas de aire, para eliminar estos vacíos se recomienda someter las muestra al vacío o

también volver a poner el recipiente al baño maría.

Se realizó el proceso descrito anteriormente por cada levantamiento de capa, a medida que se

aplicaba el marcador de deformación se levantaba una capa. Al final se obtuvo los siguientes

modelos para cada tipo de marcador de deformación.

Figura 6. Muestras por tipo de marcador

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En la figura 6 se observa los modelos obtenidos para cada tipo de marcador. Para la

colocación de las shakiras azules se utilizó una pinza, estas se colocaron a lo largo del eje

longitudinal del recipiente. Con respecto al glitter, este se aplicó directamente al modelo, para esto

se requirió de gran cuidado con el fin de no contaminar la muestra. Por último, para la

implementación de la arena de color rojo, se utilizaron dos tarjetas de cartón instaladas

paralelamente al centro longitudinal del recipiente, esto con el fin de evitar una dispersión de la

arena de color en la muestra a la hora de colocarla. Sin embargo, al final la arena se dispersó por

el modelo y alteró la muestra de suelo elaborado, su técnica de implementación tiene que ser precisa

si se quiere analizar un patrón de interés.

Una vez se construye las muestras, estas se someten a un ensayo que simule la instalación de

un pilote hincado, para esto se tomó un lápiz y se enterró a una velocidad constante. Se tomó un

registro fotográfico para cada muestra y se realizó un análisis de imagen por PIV para determinar

cuál de los marcadores estudiados permitió una mejor técnica de visualización.

Para el análisis de imagen en el software PIV se cargó el registro fotográfico para cada trazador,

luego se definió un área de análisis a través de la herramienta ROI, se definió un área de

interrogación con un filtro de 70% y un segundo filtro de 35%, posteriormente se crearon mascaras

sobre el objeto hincado. Posteriormente se analiza las imágenes cargadas al software para generar

vectores de velocidad, se realiza una calibración a partir de la dimensión real del objeto hincado

(lápiz con diámetro de 1 cm aproximadamente) y el tiempo que transcurre entre las imágenes (1

minuto por foto registrada). Al final se obtiene una gráfica con el valor u y v, a pesar de tener

unidades de velocidad, representan el desplazamiento de la partícula con respeto a la imagen

anterior en dirección x (u) y y (v).

4.1. Glitter

A continuación, se presenta el registro fotográfico obtenido a partir del modelo con glitter, se

muestra el estado inicial y final de este.

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Figura 7. Estado inicial y final de la muestra con glitter.

En la figura 7 se puede apreciar las condición inicial y final de la muestra. Cabe recalcar

que el glitter es un marcador que se compone de una pasta de consistencia liquido viscosa con

partículas de escarcha. Estas partículas de escarchas son pequeñas y contaminan el modelo

diseñado, por lo que podría afectar el análisis de imagen. Por otro lado, la presencia de burbujas de

aire se debe a que la muestra no fue sometida al vacío en ningún levantamiento.

Figura 8. Registro fotográfico para ensayo en modelo con glitter.

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Figura 9. Análisis de imagen por PIV en muestra con glitter.

Como se puede evidenciar en la figura 9, se generó un análisis de imagen en PIV en base

al componente de desplazamiento u, la imagen izquierda representa un momento especifico en

donde se está enterrando el lápiz y la imagen de la derecha corresponde al momento final donde se

deja de hincar el lápiz. Para este caso, no se presenta una consistencia de los datos en la que se

pueda definir un patrón de deformación que permita explicar el flujo de deformación de suelo. Lo

anterior se debe a que posiblemente en la muestra se tiene la presencia de burbujas e impurezas

como la escarcha del marcador, las cuales afectan la visualización tridimensional de la muestra.

Adicionalmente la falta de un mayor contenido de registro fotográfico y la presencia de marcas en

el recipiente no permiten obtener un patrón de desplazamiento adecuado. Sin embargo, se puede

analizar ciertas áreas de la muestra después de haber hincado el lápiz. Se puede observar que las

partículas de suelo ubicadas en la parte inferior del beaker se desplazaron diagonalmente en ambas

direcciones debido al esfuerzo generado por el objeto hincado, este comportamiento describe el

fenómeno real, aun así, se generan vectores de desplazamiento en otros espacios de análisis que no

corresponden al fenómeno estudiado.

En la figura 10 se presenta una curva de dispersión de los vectores detectados a partir del

desplazamiento de pixeles, como se puede evidenciar, se presenta una dispersión de los puntos de

interés. La mayoría de los desplazamientos en el componente u tienen dirección en – x, este patrón

no concuerda con el desplazamiento del suelo que debería ocurrir al hincar un objeto, ya que se

debería generar vectores de velocidad en ambas direcciones. Por otro lado, los desplazamientos en

el componente v tiene una dirección en – y, indicando que las partículas de suelo se desplazaron

hacia arriba.

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Figura 10. Correlación de los componentes de desplazamiento en x y y glitter.

4.2. Arena de color rojo

A continuación, se presenta el registro fotográfico obtenido a partir del modelo con arena de

color.

Figura 11. Estado inicial de la muestra con arena de color rojo.

En la figura 11 se puede apreciar la condición inicial de la muestra. Cabe recalcar que la

arena de color es un marcador que se compone de un material granular de arena fina (tamaño de

partícula entre 0.5 mm a 1 mm aproximadamente), las partículas son de color rojo y pequeñas. En

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comparación a los otros marcadores utilizados, la arena de color rojo es la que presentó un mayor

reto en la instalación, ya que por ser partículas granulares se generan burbujas de aire, por otro

lado, al disponer de granos de arena pequeños, estos pueden dispersarse por la muestra, en

consecuencia, se contamina y altera el análisis de imagen. Al igual que las muestras con los otros

trazadores, esta no fue sometida al vacío.

Figura 12. Registro fotográfico para ensayo en modelo con arena de color

Figura 13. Análisis de imagen por PIV en muestra con arena de color.

En la ilustración anterior se observa los resultados obtenidos del análisis de imagen por

PIV. En este caso los vectores de desplazamiento obtenidos no explican el fenómeno ocurrido en

el suelo cuando se está enterrando el lápiz, por ende, no se puede encontrar un patrón claro que

explique el comportamiento del suelo de la muestra. Se generan muchos vectores de

desplazamiento cuya dirección varia a lo largo del registro fotográfico. Lo anterior se debe, a la

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alta presencia de burbujas de aire y la interacción del marcador con el suelo, donde la arena de

color utilizada no es representativa, es decir, el trazador no se mueve con respecto a al

desplazamiento del suelo.

En la figura 14 se dispone de una curva de dispersión de los vectores detectados a partir

del desplazamiento de partículas, como se puede evidenciar, se presenta una gran dispersión de los

puntos de interés. A partir de la gráfica obtenida, se muestra que los vectores se desplazan solo en

una dirección, tanto en la dirección x (u) como en la dirección (y), este comportamiento no

representa el fenómeno real, ya que, al hincar el lápiz en el centro del beaker (contenedor de la

muestra), se debería generar desplazamiento de las partículas del suelo en ambas direcciones.

Figura 14. Correlación de los componentes de desplazamiento en x y y arena de color.

4.3. Shakiras

Por último, se hace el análisis para la muestra con shakiras azules. A continuación, se presenta

el estado inicial y final del ensayo realizado.

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Figura 15. Estado inicial y final de la muestra con shakiras

En la ilustración siguiente se muestra el registro fotográfico del ensayo realizado sobre la

muestra, a comparación con los otros ensayos, esta muestra presenta mayor transparencia y claridad

con el marcador de transparencia utilizado. En adición a lo anterior, el uso de shakiras no contamina

el suelo transparente ni cuando se coloca o cuando se aplica deformaciones del suelo.

Figura 16. Registro fotográfico para ensayo en modelo con shakiras.

.

20

Figura 17. Análisis de imagen por PIV en muestra con shakiras

En la figura 17 se presenta los resultados obtenidos en PIV para el componente u, en este

caso se presenta un patrón de deformación a partir de los vectores de desplazamiento generados.

En este ensayo, a la hora de hincar el objeto (lápiz) este no se instaló totalmente vertical debido a

la impresión en la manipulación del objeto el cual se aplicó manualmente. Aun así, se puede ver

un patrón de deformación en el suelo. En el estado final de la muestra con shakiras, se observa que

la masa de suelo que más se deformo fueron las partículas cercanas al lápiz. El fenómeno observado

en estas graficas es que, al hincar el objeto, las partículas de suelo tienden desplazarse

horizontalmente hacia la superficie debido al empuje ejercido por la masa de suelo removida, la

cual busca acomodarse en el espacio confinado.

En la figura 18 se presenta una curva de dispersión donde los pixeles detectados por el

programa tienen una distribución más coherente y conforme. Los puntos no se encuentran tan

dispersos, por lo que se genera un patrón en el flujo del suelo. Se grafica el total de vectores de

velocidad analizados con su respectivo desplazamiento en la dirección x (u) y y (v). Para el trazador

de shakiras los vectores obtenidos datan mayor precisión que los otros marcadores ensayados

previamente, ya que los puntos están concentrados.

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Figura 18. Correlación de los componentes de desplazamiento en x y y shakiras.

Al analizar los resultados obtenidos en las tres muestras realizadas, se tomó la decisión de utilizar

las shakiras como trazador para el modelo tridimensional, ya que fue el marcador con el que se

obtuvo una mejor simulación del patrón de desplazamiento del suelo. Sin embargo, el glitter

presentó unos resultados interesantes, a pesar de que el análisis de imagen no fue el deseado. Por

último, es importante mencionar que al hincar el lápiz, este proceso se realizó de manera manual,

por lo que se obtiene desviaciones horizontales a la hora de enterrar el objeto, esto generó

diferencias en los vectores de velocidad obtenidos para cada dirección en el componente u (x).

4. Construcción Modelo Tridimensional

Al determinar el marcador de deformación óptimo para el análisis de imagen, se procedió a

construir un modelo tridimensional en una caja de acrílico con dimensiones de 50 x 140 x 120

milímetros para el volumen interno y 80 x 70 x 135 milímetros para el volumen externo, el espesor

del contenedor es de 15 milímetros (anexo 3). Al construir el modelo se levantaron capas por

instalación de marcador, se repitió el mismo proceso realizado para la elaboración del suelo

transparente, donde primero se sometió a baño maría el fluido poroso, luego este se mezcló con el

vidrio borosilicatado triturado. A la hora de mezclar el material transparente se generó burbujas de

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aire, por eso el modelo se puso al vacío durante aproximadamente 7 a 9 minutos (figura 19). Al

final se instalaron los marcadores de deformación, para esto se cogió una pinza para poder colocar

las shakiras por todo el eje central del modelo a lo largo de este, se puso el modelo otra vez al

vacío, ya que al colocar los marcadores se volvió a generar vacíos de aire. El proceso descrito se

reiteró por cada levantamiento de capa (figura 20).

Figura 19. Modelo sometido al vacío

Figura 20. Levantamiento del modelo tridimensional por capas.

5. Análisis Resultados

Al final se obtuvo el siguiente modelo construido con suelo transparente y shakiras colocadas

en filas consecutivamente como marcadores de deformación.

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Figura 21. Estado inicial modelo tridimensional.

El modelo tridimensional construido se sometió a una prensa de carga axial, en este proceso

se hinco un pilote de aluminio con un diámetro de 20 mm, hasta una profundidad de 61 mm. El

proceso de hincado se realizó a una velocidad de 1 mm por minuto. Se obtuvo un registro

fotográfico de aproximadamente 61 fotos para realizar el análisis de imagen a partir de la

herramienta PIV. Para realizar el análisis digital se definió un área de interés donde se evidencia el

flujo de deformación del suelo (ROI), después se escogió un área de interrogación con unos filtros

de 100 % y 50 % respectivamente. Para obtener los desplazamientos por imagen o frame, es

necesario calibrar los frames, para eso de tomo la medida real del pilote hincado de diámetro 20

mm y el tiempo entre imagen (1000 milisegundos). A continuación, se muestra el registro

fotográfico y los resultados obtenidos.

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Figura 22. Registro fotográfico del proceso de hincado en el modelo tridimensional.

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Figura 23. Registro fotográfico con dispositivo número 2 para análisis de imagen.

En la figura 23 se muestra el registro fotográfico utilizado. Para la toma de fotos se utilizó

un trípode y una cámara Sony. Se tomó foto por minuto para un proceso de hincado de 61 mm. En

la figura 24 se puede ver los vectores de velocidad obtenidos para el conjunto de fotos analizadas.

Para mayor precisión en el desplazamiento de pixeles, se seleccionó unos limites de velocidad para

descartar vectores no deseados. Se definió un área cuadrada de -100 a 100 pixeles por frame en los

componentes u y v.

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Figura 24. Limites de vectores de velocidad obtenidos a partir del registro fotográfico

Figura 25. Análisis de imagen PIV para registro fotográfico analizado.

En la figura 25 se muestra los vectores de desplazamientos obtenidos cuando se hinca el

pilote, se analiza el proceso en cuatro momentos representativos fase inicial, fase intermedia y fase

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final. En la primera imagen (foto superior izquierda) el pilote está atravesando la primera fila de

marcadores colocados, en la segunda imagen (foto superior derecha) el pilote está atravesando la

segunda fila, y así respectivamente para las otras imágenes, se tiene un total de cuatro filas de

marcadores instalados. Al observar los vectores obtenidos se puede ver un patrón de deformación

relacionado al fenómeno real, las partículas de suelo ubicadas debajo del pilote tienden a

expandirse en ambas direcciones horizontales. Las partículas removidas empujan la masa de suelo

alrededor generando desplazamientos verticales hacia la superficie para que estas se puedan

recolocar. Cuando el suelo es empujado hacia arriba debido a la expansión del suelo por el pilote,

se genera fricción entre las partículas de suelo y el pilote.

Figura 26. Componente de desplazamiento en dirección x para el estado final del proceso de hincado

En la figura 26 se ve una gráfica de dispersión de los componentes de desplazamiento en u y v

en el estado final del proceso de hincar el pilote. Acá se puede ver una coherencia de los datos

obtenidos, ya que la distribución de partículas que se desplazan en ambas direcciones de x (u) tiene

una misma densidad. También se presenta vectores de desplazamiento en y (v) en ambas

direcciones.

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6. Conclusiones y Recomendaciones

7.1. Conclusiones

• Se realizó un modelo tridimensional con suelo transparente a temperatura ambiente.

• Se estudio el comportamiento del flujo del suelo cuando se simula un proceso de hincado

de un pilote.

• Se realizaron ensayos en muestras con diferentes marcadores de deformación, se obtuvo

que las shakiras permitieron un mejor análisis visual.

• Las burbujas de aire y las impurezas afectan las técnicas de visualización no intrusivas.

• El proceso mecánico mediante la prensa para obtener vidrio triturado es más efectivo que

el método manual.

• Los marcadores de deformación son un elemento importante que permiten un buen análisis

de imagen.

• Los marcadores líquidos como el glitter son un material interesante para ser utilizados como

marcadores de deformación, su aplicación es fácil y permite un buen manejo dentro de la

muestra, sin embargo, este contiene partículas de escarcha que se dispersan por el suelo

transparente.

7.2. Recomendaciones

• Para evitar que se generen burbujas de aire, se recomienda someter el fluido a baño maría

y poner el suelo transparente al vacío.

• Triturar vidrio con la prensa es más efectivo que triturarlo manualmente, se requiere de

menor esfuerzo y se obtiene la granulometría deseada.

• Los implementos de seguridad son indispensables a la hora de triturar vidrio, ya que

protegen al individuo de posibles riesgos.

• Se recomienda hacer análisis de imagen con otras herramientas computacionales diferentes

a PIV.

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• PIV es un programa de procesamiento de imagen que permite varios ajustes para analizar

un pixel, se recomienda escoger un área de interés no muy grande para un mejor análisis de

los vectores generados.

• A la hora de realizar el registro fotográfico, pretender no mover el dispositivo para mejor

análisis de imagen.

• Utilizar un sistema de iluminación en el modelo para mayor resolución en el registro

fotográfico.

• Aplicar más capas de marcadores con el fin de obtener una mayor cobertura en el área de

análisis que permitan representar los desplazamientos producidos en todos los espacios del

modelo.

7. Referencias

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Coproducto en la Producción de Biodiésel. Ingeniería y Universidad, Vol. 14, No. 1, pp. 9-27.

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Transparentes.

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Ezzein, F. M., & Bathurst, R. J. (2011). A Transparent Sand for Geotechnical Laboratory

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Proyecto de tesis. Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia.

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pasantía. Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia.

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Velocimetry Tool for MATLAB (version: 2.31), DOI:

http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.1092508

8. Anexos

Anexo1. Elementos empleados para la construcción del suelo transparente. A mano izquierda se encuentra los elementos de

seguridad requeridos y al lado derecho los tamices utilizados.

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Anexo2. Maquina de baño maría para una temperatura de aproximadamente 50 °C.

Anexo3. Caja de acrílico utilizada para elaboración del modelo.