PROYECTO DE INVESTIGACIÓN EN ANÁLISIS DE IMAGEN CON …
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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.
.
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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.
Ibagon, L. M., & Caicedo, B. (2018). Investigación Experimental en Suelos Sintéticos
Transparentes.
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Ezzein, F. M., & Bathurst, R. J. (2011). A Transparent Sand for Geotechnical Laboratory
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Monroy, B. M., & Caicedo, B. (s.f.). Modelación de un suelo natural mediante el uso de materiales
transparentes que provean las mismas características de un suelo natural. Proyecto de investigación.
Universidad de los Andes.
Zhao, H., & Ge, L. (2007). Dynamic properties of transparent soils. Dynamic response and soil
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instruments. Tomado de: https://www.hannainst.es/blog/123/indice-de-refraccin-y-sus-
aplicaciones-en-la-
Universidad de los Andes (2018). Guía de análisis de imagen. Departamento de ingeniería civil y
ambiental. Estructuras Geotécnicas.
Bajonero, A. D. & Ibagón, L. (2019). Investigación Experimental en Suelos Transparentes.
Proyecto de tesis. Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia.
Diaz, A. & Ibagón, L. (2019). Obtención y construcción de un Suelo Transparente. Proyecto de
pasantía. Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia.
Thielicke, W. & Stamhuis, E.J. (2014): PIVlab - Time-Resolved Digital Particle Image
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.