3a Sifat Fisik Mekanik Batuan Utuh Kuliah.ppt

SIFAT FISIK DAN MEKANIK BATUAN UTUH

JURUSAN TEKNIK PERTAMBANGAN

FAKULTAS TEKNIK UNP 2018 3A-1

2 - STRENGTH OF INTACT ROCK & ROCK MASSES  Intact rock properties – physical, mechanical and dynamic properties of rock  Rock mass properties – joints characterization plus joint measurements, RQD, rock mass

classifications  In-situ shear test 3A-2

Kekuatan Batuan Utuh & Massa Batuan

3A-3

Efek Skala – Batuan Utuh – Massa Batuan

3A-4

Massa Batuan

3A-5

Process of Geotechnical Investigation

3A-6

Sifat-Sifat Batuan Utuh 

Physical properties: density (r), specific weight (g), porosity, absorption, & void ratio.



Mechanical properties (static & dynamic): sc, st, E, ts, c, f, & n



Dynamic properties: ultrasonic velocity



Hardness



Slake durability

Determination of Physical Mechanical Properties 

Laboratory – performed on small rock samples obtained from field or geotechnical bore holes



Field - insitu test



Steps laboratory test: 

Determination of physical properties of intact rock (non destructive test)



Determination of mechanical properties of intact rock (destructive test) 3A-7

Preparasi Contoh Batuan Untuk Penentuan Sifat Fisik & Mekanis Batuan Utuh Sample preparation 

Direct diamond drilling BQ, NQ HQ (35 - 75 mm) & L/D = 2 – 2.5



Rock sample is cored/drilled from lump rock samples



Cylindrical specimen: BQ, NQ HQ (35 - 75 mm) & L/D = 2 – 2.5



For UCS & Triaxial test: cut specimen, flat, parallel both ends and perpendicular each other.



Measure L & D, area and volume

3A-8

Peralatan Yang Digunakan  Preparasi Contoh Batuan

Alat bor inti

Alat Potong Batuan

Alat Uji Squareness

 Uji Sifat Fisik

Neraca

Desikator

Oven

Penentuan Sifat Fisik Contoh Batuan Utuh 

Natural weight specimen: Wn



Dry weight specimen, after 24 hr in oven with T ± 90oC: Wo



Saturated weight specimen, after saturation immersed in water 24 hr: Ww



Saturated weigth specimen immersed in water: Ws



Specimen volume without pores: Wo - Ws



Total volume specimen: Ww - Ws

3A-10

Sifat Fisik

Natural density 

Dry density 

Wn Ww - Ws

Wo Ww  Ws

Ww Ww  Ws  Wo   Wn  Ws  Apparent speciic grafity  Water density

Saturated density 

 Wo   Wo  Ws  True specific grafity  Water density

 Wn - Wo  x 100% Natural water content     Wo   Ww - Wo  x 100% Saturated water content     Wo   Wn - Wo  x 100% Degree of saturation     Ww - Wo   Ww - Wo  Porosity - n    x 100% Ws Ww    n  Void ratio    1 - n  3A-11

Kasus uji Sifat Fisik Sam pel

D (mm)

L (mm)

Wn (gr)

Ww (gr)

Ws (gr)

Wo (gr)

1 2

67,4 54,4

135,2 109,35

1346,5 685,63

1352,5 697,9

866,9 443,13

1341,9 640,60

Dari hasil pengujian Sifat fisik terhadap 2 sampel dilaboratorium didapatkan data seperti tabel di atas. Diminta : Tentukan sifat-sifat fisik batuan ( natural density, dry density, saturated density, apparent specific gravity, true specific gravit,y, naural water content, saturated water content, derajat kejenuhan, porosity, dan void ratio )

3A-12

Penentuan Kuat Tekan (Unconfined Compressive Strength - UCS) & Deformabilitas Batuan 

Uji UCS dimaksudkan untuk mengukur kekuatan batuan utuh secara uniaksial dalam bentuk geometri contoh batuan beraturan.



Pembebanan diukur dengan pengukur gaya (per/spring method) atau load cell dan perpindahan aksial (searah pembebanan) dan lateral (tegak lurus arah pembebanan) diukur dengan alat ukur perpindahan (10-3 mm) dial gauge mekanis,dial gauge electronic atau LVDT



Informasi yang diberikan dari uji kuat tekan (UCS) : 

Kurva tegangan regangan – constitutive behaviour



Kekuatan UCS



Modulus Young



Nisbah Poisson



Energi Fraktur



Energi Fraktur Spesifik 3A-13

ALAT-ALAT UJI TEKAN UNI AKSIAL

3A-14

Uji Unconfined Compressive Strength  Uji UCS menggunakan mesin tekan untuk membebani contoh batuan dalam bentuk silinder, kubus atau prisma secara uniaksial.  Dua sisi muka dan pinggir contoh batuan harus rata, halus dan paralel.  Untuk menghindari ketidak paralel titik pusat atas dengan contoh batuan perlu dipasang spherical seat diatas contoh batuan.

Spherical seat & Steel platen Load cell Steel platen

 Secara teori, distribusi tegangan di dalam contoh batu akan sama dengan arah pembebanan kepada muka contoh batuan.  Kenyataannya, distribusi tegangan tidak 100% paralel dengan arah pembebanan karena adanya batasan gesekan (friction constraints) pada dua sisi muka contoh batuan sehingga dapat menyebabkan contoh batuan pecah dalam bentuk konus pada kedua muka atau ujungnya 3A-15

Friction Constraints F

F 0.5 DL

L/D=2 L/D=2 L/D=2

0.5 DL D + DD

Lateral strain   L  Cone failure

ΔD D

Axial strain   A  L/D=1

ΔL L

Bulk strain   A  2 Lt

Friction constraint 3A-16

Form Data Pengujian Uji Tekan Uni Aksial No. Lubang Bor : …………………… No. Percontoh : …………………… Kedalaman : ………………….. Jenis Percontoh ; ………………….

No 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Gaya (kg) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1050

∆L (x0.01mm)

Tinggi (L) ; …….. cm Diameter (D) ; ……… cm Penampang (A) ; ……… cm

∆D (x0,01mm)

σ

ε.Ak

ε.Lt

ε.Vol.

(kg/cm2)

(x0,01)

(x0,01)

(x0,01)

3A-17

Stress Strain Curve of UCS Test Stress (MPa)

Possion’s Ratio = (l/a) = b/a

ε v  εa  2 εl Volumetric

Failure

σc 2

σE

Elastic limit / Yield Point

b

a

σ50% Δσ

1 Δε Lateral

ε

Strain (%)

50% Closing Cracks

Axial

3A-18

Uniaxial Compressive Strength Test Stress Strain Curve Sandstone 45.0

s

(MPa)

40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0

-0.4

-0.2

0.0

UCS : 36.67 MPa Modulus Young (E) Poisson’s Ratio (n)

0.2

: 7.8 GPa : 0.26

0.4

0.6

 (%)

0.8

3A-19

Faktor yang mempengaruhi Perilaku Kurva Tegangan Regangan Geometrik & bentuk contoh batuan  Geometrik  Bentuk: silindrikal, kubus, prisma  Nisbah L/D  Ukuran diamaeter Kondisi Plat Penekan Beban  Diameter plat penekan mempengaruhi distribusi tegangan di dalam contoh batuan  Friction constraints antara pelat penekan dengan mukan contoh batuan Kekakuan Mesin Tekan  Class I & II Rocks Laju Pembebanan  Laju pembebanan = Laju regangan x Modulus Young (elastic)  ISRM Laju tegangan = 0,5-1,0 MPa/detik Temperatur  Temperatur turun, E naik  Temperatur naik, E turun Kondisi Contoh Batuan  Kandungan air Mineral, Ukuran Butir dan Isotropik  Mineralogy, ukuran butir, porositas  Sementasi atau material pengisi: quartsa, kalsit, lempung dll

3A-20

Young’s Modulus  Axial Young’s modulus, E (defined as the ratio of the axial stress change to axial strain produced by the stress change) of the specimen may be calculated using any one of several methods employed in accepted

engineering practice.  Tangent Young’s modulus, Et, is measured at a stress level which is some fixed percentage of the ultimate strength. It is generally taken at a stress level equal to 50% of the ultimate uniaxial compressive strength.  Average Young’s modulus, Eav, is determined from the average slopes of more-or-less straight line portion of the axial stress-axial strain curve.  Secant Young’s modulus, Es, is usually measured from zero stress to some fixed percentage of the ultimate strength, generally at 50%. 3A-21

Young’s Modulus s (MPa)

s (MPa)

Secant

σc

σc σYP

σYP

Tangent

50% σc

50% σc Δσ

Δε

Δε

 Axial (%)

Δσ

 Axial (%) s (MPa)

Average

σc σYP

Δσ

Δε

 Axial (%)

3A-22

Possion’s Ratio  Poisson’s Ratio: the negative of the ratio of lateral strain to the axial strain in an elastic material subjected to a uniaxial stress.  In mechanics of deformable bodies: the tendency of a material to expand or shrink in a direction perpendicular to a loading direction is known as the ‘‘Poisson effect.’’  Poisson’s Ratio: a mechanical property that plays a role in the deformation of elastic materials, it is utilized in rock engineering problems associated with the deformation of rocks, e.g. it is a required computational input for the numerical stress analyses.  Value Poisson’s Ratio: 

Very seldom, negative values or values > 0.5



Isotropic rocks pratically: 0 - 0.5



Most rocks: 0.05 - 0.45.



Rock engineering applications: 0.2 - 0.3



Coal = 0.25 – 0.346

3A-23

Brittle Fracture - Shear Failure Axial Failure – Cone failure

3A-24

KASUS UJI TEKAN UNI AKSIAL No 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Gaya (kg) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1050

∆L (x0.01mm) 0 100 150 190 240 280 310 330 360 400 500 600

∆D (x0,01mm) 0 4 10 17.5 23 28 34 41 48 75 120 220

σ

ε.Ak

ε.Lt

ε.Vol.

(kg/cm2)

(x0,01)

(x0,01)

(x0,01)

-

Dari pengujian UCS didapatkan data dalam tabel diatas. Ukuran sampel D = 40 mm dan L = 90 mm, Diminta : a. Hitung tegangan, regangan aksial, regangan lateral, dan regangan volumetrik.. b. Gambar kurva tegangan – regangan (σ - ε.Ak), (σ - ε.lt), (σ - ε.vol), c. Tentukan nilai; kuat tekan (σc), tegangan elastis (σe), modulus tangen (Et), modulus rata-rata (Eav), dan 3A-25 modulus sekan (Es)

IndirectTensile Strength – Brazilian Test 2F σt  πDt

      

st = Indirect tensile strength, MPa D = Diameter, mm F = Load, N t = Thickness, mm UTS << UCS UCS/UTS = Toughness ratio = Brittleness Index BI menaik kinerja rock cutting menjadi baik

Top Jig Brazilian

Tensile force

Crack

D

Bottom Jig Brazilian

Tensile force

3A-26

Uji Kuat Tarik Langsung (Direct Tensile Strength)

3A-27

Kuat Tarik Langsung (Direct Tensile Strength)

Bonded

End-pull

Grip

3A-28

Point Load Index (PLI)  Uji PLI dilakukan untuk mengetahui kekuatan (strength) contoh batu secara tidak langsung di lapangan  Bentuk contoh batu: silinder atau tidak beraturan.

 Peralatan yang digunakan mudah dibawa-bawa, tidak begitu besar dan cukup ringan sehingga dapat dengan cepat diketahui kekuatan batuan di lapangan, sebelum dilakukan pengujian di laboratorium.  Contoh yang disarankan untuk pengujian ini berbentuk silinder dengan diameter = 50 mm (NX = 54 mm).

 Fracture Index dipakai sebagai ukuran karakteristik diskontinuiti dan didefinisikan sebagai jarak rata-rata fraktur dalam sepanjang bor inti atau massa batuan

Type & PLI Test Requirements (ISRM, 1985) F Is  2 D

Is(50)

F k 2 D

D k    50 

0.45

Is = Point load index, MPa F = Failure load, N W

P

P P

L > 0,5D

L

D = Distance between two point loads, mm

L D

D

sc = 23 Is – For sample

D

diameter 50 mm

W2

If Is = 1 MPa, index does not

P

L > 0,7D a. Diamterical test

mean anything, thus the

W1

P D/W = 1.1 ± 0.05 b. Axial test

P D/ W =1.0 – 1.4 W = (W 1+W2)/2

strength of rock must be determined through UCS test 3A-30

Point Load Index

Tipikal Model Failure Untuk Valid dan Invalid Test Valid diametrical test

Valid axial test

Valid block test

Invalid core test

Invalid axial test

3A-32

Uji Triaksial  Uji ini dimaksudkan untuk menentukan kekuatan batuan utuh di dalam kondisi tegangan triaksial.  Data yang diperoleh dari uji ini dibutuhkan untuk menentukan:    

Selubung kekuatan (intrinsic curve) Kuat geser (t) Sudut gesek dalam (f) Kohesi (C)

3A-33

SEL Uji Triaksial

3A-34

Sel Triaksial Tipe Von Karman 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26.

Platen penekan Bola baja Spheical seat Alat bantu transducer Contoh batuan Piston berongga utk tekanan pori Sonic transmitter Sonic receiver Selubung karet Ring pengikat selubung karet Strain gauges Pipa utk tekanan pori Pipa utk kabel transducer Ruang fluida pemampat Dinding sel Lubang masuk fluida pemampat Lubang keluar fluida pemampat Lubang masuk tekanan udara Slide bearing Sliding seal Baut Seal pada plat dasar sel Lubang masuk tekanan pori Lubang keluar tekanan pori Port kable strain gauges Port kable transducer

3A-35

Uji Triaksial Konvensional s11

1

s31

s11

s12

failure

s31

s32

2

Get sample out

s13

failure

s32

s33

3

failure

s33

Get sample out

s12

s13

s 3

s33 > s32 > s31

2

s13 > s12 > s11

1



3A-36

Lingkaran Mohr dan Kurva Intrinsic Uji Tri aksial

3A-37

sc 

2c cos f 1 - sin f

st 

2c cos f 1  sin f

t= ½ (s1 – s3) Sin 2 b sn  ½ (s1 + s3) + ½ (s1 – s3) Cos 2 b Mohr - Coulomb Mohr

Compression uniaxial

s3 Minor principal stress /confining pressure

Tension

Compression triaxial

b

D tmax

t

c

st

s1

s3

Uniaxial tension

E

f

b

Shear stress - t

s1 Maximum major principal stress at failure

Mohr Coulomb – Linear; Mohr – Curve linear concave downwards; in the limit, the envelope may assume the form of a straight line (Coulomb criterion)

A

s3

sn

sc

2b

B Normal Stress - sN

s1 Compression

3A-38

Lingkaran Mohr & Kurva Intrinsic

No

30

Shear Stress (MPa)

25

20

t = c + sN Tan f t = 5.22 + sN Tan 32.81

s3

s1

(MPa)

(MPa)

1

1.00

22.61

2

2.00

25.70

3

3.00

29.34

f 15

10

5

c 0

s31 s33 0 s32 5

10

15

20

Normal Stress (MPa)

s11

25 s

12

30 s13

3B-39

Lingkaran Mohr & Kurva Intrinsic Batupasir Representasi dari Kriteria Failure Triaxial TestMohr-Coulomb 100

Shear Stress, t (MPa)

75

t = s n tan 32 o + 8,44

50

25

0 0

25

50

75

100

125

150

Normal Stress, s n (MPa)

3A-40

Kasus uji tri aksial No 1 2 3 4 5

D (cm) 5.5 5.3 5,4 5,3 5,3

H (cm) 11 11 11 11 11

σ3 (kg/cm2) 20 60 90 120 150

Gaya N (kg) 3000 5000 7200 9100 11300

A (cm2)

σ1 (kg/cm2)

Dari hasil pengujian tri aksial terhadap 5 sampel dilaboratorium didapatkan data seperti tabel di atas. Diminta : a. Tentukan tegangan σ1 b. Gambar garis selubung kekuatan geser c. Tentukan nilai Kohesi (c) , sudut geser dalam (Ф), persamaan garis selubung kekuatan 3A-41

Uji Geser Pons (Punch Shear Test)  Uji geser Pons batuan merupakan perlawanan internal batuan terhadap tegangan yang bekerja sepanjang bidang geser dalam batuan tersebut,  Sampel berbentuk slinder tipis dengan tebal t cm dan diameter d cm  Setelah sampel dimasukan kedalam alat ”Punch test” kemudian ditekan dengan mesin tekan sampai sampel tembus (P kg).  Kuat geser (shear strength) di dapatkan

P t (kg/cm2)  .d.t

3B-42

Uji Kuat Geser Langsung  Kuat geser batuan merupakan perlawanan internal batuan terhadap tegangan yang bekerja sepanjang bidang geser dalam batuan tersebut, yang dipengaruhi oleh karakteristik intrinsik dan faktor eksternal  Untuk mengetahui kuat geser batuan pada tegangan normal tertentu.  Minimal 3 contoh.  Masing-masing contoh dikenakan gaya normal tertentu yang diaplikasikan tegak lurus terhadap permukaan bidang diskontinu dan diberi gaya geser sampai bidangnya bergeser diperoleh: 

Garis Coulomb's shear strength,



Kuat geser (shear strength),



Sudut gesek dalam (f),



Kohesi (C).

Mohr-Coulomb Criteria (Linear)  t=C+σ  t = C + σ tan f

3B-43

Direct Shear Test Apparatus & Sample

3A-44

Kohesi

 Kohesi (c) adalah tegangan geser yang dibutuhkan untuk

menggeser batuan pada kondisi tegangan normal sama dengan nol. Hal ini disebabkan oleh permukaan bidang geser yang kasar atau mungkin telah mengalami sementasi  Pada kondisi sisa, nilai kohesi c turun bahkan dapat mencapai

nilai nol akibat ikatan antar butiran di sekitar permukaan geser telah terganggu

3B-45



Untuk memahami sudut gesek dalam (f), perlu dibayangkan sebuah balok dengan berat W berada pada permukaan sebuah bidang miring yang licin dengan luas bidang sentuh sebesar A



Balok tersebut memiliki gaya penggerak yang diakibatkan oleh beratnya sendiri yaitu sebesar W sin q sedangkan gaya normal N dan koefisien gesek  menghasilkan gaya penahan yang disebut dengan gaya gesek Fs. Koefisien gesek  merupakan faktor internal yang besarnya sama dengan tan f. Pada saat balok akan tergelincir, maka besarnya gaya penahan sama dengan gaya penggerak sehingga diperoleh persamaan.



W sin q = tan f . (W cos q )



tan q = tan f



q= f



Pada kondisi seperti ini, sudut kemiringan bidang tersebut sama dengan sudut gesek dalam (f) dengan catatan kohesi sama dengan nol.

Ilustrasi Geser

Balok pada permukaan bidang miring

3B-46

Shear Strength - Sandstone Natural shear strength

Saturated shear strength

1400

1000

Peak

Peak

tp = 728,68 + sn tan 44,28o 1000

Shear strength (kPa)

Shear strength (kPa)

1200 2

R = 0,9368

800

Residual

600

ts = 217,02 + sn tan 40,74o

400

R2 = 0,8767

800

Residual

600

tp = 105,92 + sn tan 57,25o R2 = 0,9401

400

ts = 108.64 + sn tan 52,17o

200

R2 = 0.8903

200 0

0 0

200

400 600 800 1000 Norm al strength (kPa)

Puncak Peak

Sisa

1200

1400

0

200

400 600 800 Norm al strength (kPa)

Puncak Peak

1000

Sisa

3A-47

Factors Influence Rock Shear Strength  Intrinsic factors 

cohesion



internal friction angle

 Extrinsic factors (environmental factors) 

normal stress,



pre-existing cracks,



Water,



mineralogy of the rock sample,



grain size,



roughness of the shear plane,



displacement rate



sample size



degree of compactness of the rock sample

3A-48

Ultrasonic Wave Velocity This setup can apply axial and radial stress of up to 70 MPa on the sample. The transducers, with frequency responses of nominal 590-700 kHz, are used in conjunction with a matching PUNDIT system, which provides the pulse excitation and a digital timing unit with a resolution of up to 0.1msec and a digital oscilloscope with a time-axis resolution of up to 0.0625 msec.

Receiver Transducer

l

Transmitter Transducer F

Contoh

PUNDIT

F

3A-49

Compressional and Shear Wave Velocities Vp 

L tp

Vs 

L ts

 L = length of sample (m)  tp = travel time of compressional wave along the rock sample (second)  ts = travel time of shear wave along the rock sample (second)  Infrasonic wave, frequency < 20 Hz

 Sonic wave, frequency 20 Hz – 20 kHz  Ultrasonic wave, frequency > 20 kHz

Shear Modulus: G = r.vs2 r = density Dynamic Young’s Modulus: E = 2 (1+n) G

Lame constant: l = r (vp2 – 2 vs2) Bulk Modulus: K = (r/3) (3vp2 – 4 vs2)

 V s 1  2 V   p

2

        Poisson' s Ratio    2   V   21   s      V p   3A-50 

Sound Wave Rock type

Location

vp (m/s)

SD (m/s)

CoV (%)

Limestone

Cibinong

3870,57

190,56

4,92

Tuff breccia

Pongkor

3691,21

224,60

6,08

Granite

Karimun

5402,34

178,24

3,30

Reference

Equation

Rock Type

Goktan (1988)

sc = 0,036vp* - 31,18

Sedimentary

Wade et al. (1993)

sc = 0,055vp* - 91,44

-

Kahraman (2001)

sc = 9,95vp1,21

Igneous, sedimenatry & metamorphic rocks 3A-51

Hubungan UCS & Kecepatan Ultrasonik Vp  Vp untuk pemilihan alat gali dan penentuan keberadaan kekar  Hubungan UCS & Vp sulit ditentukan tanpa memperhitungkan faktor-faktor di dalam batuan.  Faktor-faktor: beban pada contoh saat pengujian, porositas, pre-existing crack, bobot isi, kandungan air, ukuran butir & komposisi mineral.  Kahraman (2001) hubungan non-linear antara sc dan Vp dengan menggunakan variasi contoh batuan dari penelitiannya Goktan & Wade et al. sehingga lebih andal utk prediksi UCS daripada Vp. Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

Goktan (1988)

sc = 0,036vp* - 31,18

batuan sedimen

Wade et al. (1993)

sc = 0,055vp* - 91,44

-

Kahraman (2001)

sc = 9,95vp1,21

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

vp* = Kecepatan gelombang tekan (m/det)

vp = Kecepatan gelombang tekan (km/det)

3B-52

Tugas. 1.

Dari pengujian kuat geser langsung terhadap 4 buah sampel dengan diameter 5,2 cm didapatkan data sbb

Sampel

N (kg)

Tp (kg

Tr(kg)

1

100

200

140

2

200

245

180

3

300

280

230

4

400

330

250

Diminta : a. Hitung Tegangan Normal (sn), Teg. Geser Puncak (tp) dan tegagan geser Sisa(ts) b. Buat grafik selubung kekuatan batuan c. Tentukan Sudut geser puncak, kohesi puncak , sudut geser residual dan kohesi residual 2. Dari data uji kecepatan gelombang ultrasonik didapatkan data sebagai berikut:

Sampel

L (cm)

tp (x0,000001 dtk)

ts (x0,000001)dtk

1

5,0

9,3

14

2

5,1

10,5

15

3

13,5

27,5

40

Diminta : a. Tentukan Kecepatan gelombang primer (Vp) dan gelombang sekunder (Vs) b. Tentukan Nilai, G, v, E , λ , dan K , bila masa jenis batuan 2400 kg/m3

Sifat Mekanik Batuan Utuh Menurut Uji Indeks  Point Load Index (aksial & diametrikal) - ISRM, 1985  Breaking Characteristic  Rock Drillability  Drilling Rate Index  Drillability Barre Granite  Cutting Resistance Wedge Test (FA & FL) - O & K  Voest Alpine Rock Cuttability Index (VA-RCI)

 Core Cuttability (Roxborough, 1981)  Impact Strength Index

3C-54

Point Load Index (PLI)  Uji PLI dilakukan untuk mengetahui kekuatan (strength) contoh batu secara tidak langsung di lapangan  Bentuk contoh batu: silinder atau tidak beraturan.

 Peralatan yang digunakan mudah dibawa-bawa, tidak begitu besar dan cukup ringan sehingga dapat dengan cepat diketahui kekuatan batuan di lapangan, sebelum dilakukan pengujian di laboratorium.  Contoh yang disarankan untuk pengujian ini berbentuk silinder dengan diameter = 50 mm (NX = 54 mm).

 Fracture Index dipakai sebagai ukuran karakteristik diskontinuiti dan didefinisikan sebagai jarak rata-rata fraktur dalam sepanjang bor inti atau massa batuan

Type & PLI Test Requirements (ISRM, 1985) F Is  2 D

Is(50)

F k 2 D

D k    50 

0.45

Is = Point load index, MPa F = Failure load, N W

P

P P

L > 0,5D

L

D = Distance between two point loads, mm

L D

D

sc = 23 Is – For sample

D

diameter 50 mm

W2

If Is = 1 MPa, index does not

P

L > 0,7D a. Diamterical test

mean anything, thus the

W1

P D/W = 1.1 ± 0.05 b. Axial test

P D/ W =1.0 – 1.4 W = (W 1+W2)/2

strength of rock must be determined through UCS test 3A-56

Point Load Index

Tipe & Syarat Contoh Batuan Uji PLI (ISRM, 1985)

W

P

P P

L > 0,5D

L

L D

D

D W2

W1

P P L > 0,7D a. Uji Diametrikal

P

D/W = 1.1 ± 0.05

D/ W =1.0 – 1.4

b. Uji Aksial

W = (W 1+W2)/2

3C-58

Tipikal Model Failure Untuk Valid dan Invalid Test Valid diametrical test

Valid axial test

Valid block test

Invalid core test

Invalid axial test

3A-59

PLI vs. UCS (Hawkins, 1989)

3A-60

Hubungan UCS & PLI Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

Broch & Franklin (1972)

sc = 24Is(50)

batu pasir

Bieniawski (1975)

sc = 23Is(50)

batuan beku, batuan sedimen

Brook (1985)

sc = 22Is(50)

-

Singh (1981)

sc = 18,7Is(50)

batu pasir dan shale

Vallejo et al. (1989)

-

 shale

sc = 12,5Is(50)

shale

 batu pasir

sc = 17,4Is(50)

batu pasir

Kramadibrata (1992)

sc = 11,82Is(50)

batu pasir dan batu lempung

Gunsallus & Kulhawy (1984)

sc = 16,51s(50) + 51

dolostone, batu pasir, batu gamping

Cargill & Shakoor (1990)

sc = 23Is(54) +13

batuan sedimen, batuan metamorf

Kahraman (2001)

sc = 8,41Is(50) + 9,51

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

Tsidzi (1990)

sc

Is(50) 0,03  0,003 Is(50)

batuan metamorf

Point Load Index

F Is  2 D

Is(50)

F k 2 D

D k    50 

0.45

Is = Point load index, MPa F = Failure load, N D = Jarak antara dua konus penekan, mm sc = 23 Is - Untuk diamater contoh 50 mm Jika Is = 1 MPa, indeks tsb tidak memiliki arti, maka penentuan kekuatan harus berdasarkan uji UCS 3C-62

Hubungan UCS & PLI Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

Broch & Franklin (1972)

sc = 24Is(50)

batu pasir

Bieniawski (1975)

sc = 23Is(50)

batuan beku, batuan sedimen

Brook (1985)

sc = 22Is(50)

-

Singh (1981)

sc = 18,7Is(50)

batu pasir dan shale

Vallejo et al. (1989)

-

 shale

sc = 12,5Is(50)

shale

 batu pasir

sc = 17,4Is(50)

batu pasir

Kramadibrata (1992)

sc = 11,82Is(50)

batu pasir dan batu lempung

Gunsallus & Kulhawy (1984)

sc = 16,5Is(50) + 51

dolostone, batu pasir, batu gamping

Cargill & Shakoor (1990)

sc = 23Is(54) +13

batuan sedimen, batuan metamorf

Kahraman (2001)

sc = 8,41Is(50) + 9,51

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

Tsidzi (1990)

sc

Is(50) 0,03  0,003 Is(50)

batuan metamorf

3C-63

Impact Strength Index (ISI)  ISI (Evans & Pomeroy, 1966) & uji Protodyakonov adalah sejenis.  Uji ISI menggunakan peralatan khusus  Contoh batu: 

 



ukuran 0.95 - 0. 32 cm berat 100 gram dipukul dengan piston sebanyak 20 kali sisa batuan berukuran semula ditimbang dan sama dengan ISI 3C-64

Hubungan UCS & Impact Strength Index (ISI)  Uji ISI sudah tidak direkomendasikan lagi oleh ISRM 1986 – Commision on Testing Methods Groups on Test For Drilling and Boring, sehingga perkembangan penelitian untuk mengembangkan kegunaannya, baik untuk memprediksi nilai UCS maupun manfaat lainnya, menjadi kecil.

 Kahraman (2001), data hasil uji ISI relatif konsisten daripada UCS dan uji indeks lainnya.

Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

Hobbs (1964)

sc* = 53ISI – 2509

Goktan (1988)

sc = 0,095ISI – 3,667

batuan sedimen

Kahraman (2001)

sc = 4×10-10ISI5,87

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf 3C-65

Schmidt Hammer  Ada 2 tipe untuk batu dan beton: L & N. Energi impak (EI) tipe L = 0,735 J = 1/3 EI tipe N & dimensinya juga lebih besar.  Tipe L untuk uji contoh batuan silinder & tipe N untuk contoh batuan besar; blok batuan / langsung pada massa batuan.

 Terdiri dari piston yang dikombinasikan dengan per. Piston

3

secara otomatis terlepas dan menumbuk permukaan kontak dengan batuan ketika hammer ditekan ke arah permukaan

Keterangan 1. Contoh batuan 2. Impact Plunger 3. Indikator angka

batuan. Piston tersebut akan segera memantul kembali ke arah dalam hammer. Jarak pantul piston yang terbaca pada indikator dinyatakan sebagai nilai pantul Schmidt Hammer. Nilai pantul

Schmidt Hammer = rata-rata 10 pengujian. Jarak pantulan ini merupakan fungsi dari jumlah energi impak yang hilang akibat

2

deformasi plastik dan failure dari batu di tempat terjadinya impak.  Nilai pantul fungsi orientasi dari hammer. Pengujian dengan

1

menekan hammer relatif ke arah bawah menghasilkan nilai

pantul < daripada menekan hammer ke arah atas. Gaya gravitasi akan menghambat pantulan piston pada saat hammer ditekan ke arah bawah sebab arah pantul dari piston berlawanan arah dengan gaya gravitasi.  Perlu dikalibrasi dengan melakukan 10x pembacaan pada anvil standar.

1. 2. 3.

Contoh batuan Impact plunger Indikator angka pantul

3C-66

Range of Average UCS of Rocks - MPa

Uniaxial Compressive Strength of Joint - MPa

Specific Weight of Rock - kN/m3

Joint Condition Joint Strength Estimate of JCS Based on Schmidt Hammer & SW of Rock Uniaxial Compressive Strength, MPa

Hammer Direction

50.0

45.0 40.0 35.0

UCS = 1.058 R - 5.189

30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 15

20 25 30 35 R Schmidt Hammer (Rebound Value)

3C-67 Schmidt Hammer – L type hammer

40

Menduga “Joint Compressive Strength” Schmidt hammer

Pocket Dial Penetrometer

3C-68

Hubungan UCS & Schmidt Hammer Hubungan tsb memperlihatkan kecenderungan penggunaan bobot isi sebagai variabel tambahan pada hampir semua persamaan korelasi antara UCS dan Schmidt Hammer

Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

Tipe Hammer

1. Deere & Miller, 1966

1. sc = 6,9 ×10(0,16+0,0087Rnr)

1. -

L

2. Kidybinski, 1968

2. sc = 0,477e(0,045Rn+r)

2. -

-

3. Beverly et al., 1979

3. sc = 12,74e(0,0185Rnr)

3. -

L

4. Haramy & DeMarco, 1985

4. sc = 0.094Rn – 0,383

4. batu bara

L

5. Cargill & Shakoor, 1990

L

5.1. batu pasir

5.1. sc = e(0,043Rnrd + 1,2)

5.2. karbonat

5.2. sc = e(0.018Rnrd + 2,9)

6. Kahraman, 2001

6. sc = 6,97e(0,014Rnr))

5. sedimen, metamorf

N

6. tiga jenis batuan 3C-69

Hubungan UCS – PLI – Schmidt Hammer Term

UCS (MPa)

PLI (MPa)

Schmidt Hardness (Type L)

Field Estimate of Strength

Examples*

R5 Extremely Strong

>250

>10

50-60

Rock material only chipped under repeated hammer blows

fresh basalt, chert, diabase, gneiss, granite, quatzite Amphibolite, sandstone, basalt, gabbro, gneiss, granodiorite, limestone, marble rhyolite, tuff

R4 Very Strong

100-250

4-10

40-50

Requires many blows of a geological hammer to break intact rock specimens

R3 Strong

50-100

2-4

30-40

Hand held specimens broken by a single blow of a geological hammer

Limestone, marble, phyllite, sandstone, schist, shale

Claystone, coal, concrete, schist. shale, siltstone

R2 Medium Strong

25-50

1-2

15-30

Firm blow with geological pick indents rock to 5mm, knife just scrapes surface

R1 Weak

5-25

**

<15

Knife cuts material but too hard to shape into triaxial specimens

chalk, rock salt, potash highly weathered or altered rock

R0 Very Weak

1-5

**

Material crumbles under firm blows of geological pick, can be scraped with knife

Extremely Weak

0.25-1

**

Indented by thumbnail

clay gouge 3C-70