4 & 5 Sifat Fisik Dan Mekanik Batuan Utuh.pdf

SIFAT FISIK DAN MEKANIK BATUAN UTUH MEKANIKA BATUAN Romla Noor Hakim – Eko Santoso - Sari Melati

1

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Efek Skala – Batuan Utuh – Massa Batuan

2

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengujian di Laboratorium Uji di laboratorium yang pada umumnya dilakukan terhadap contoh (sample) yang diambil di lapangan. Hasil pengujian menunjukkan sifat-sifat batuan utuh. Satu contoh dapat digunakan untuk 2 jenis pengujian.  Pengujian tanpa merusak (non-destructive test) • Penentuan sifat fisik batuan untuk mendapatkan bobot isi, spesific gravity, porositas, absorpsi, dan void ratio • Penentuan sifat dinamik batuan untuk mendapatkan cepat rambat gelombang ultrasonik  Pengujian merusak (destructive test), merupakan pengujian yang dilakukan sampai contoh batu hancur • Penentuan sifat mekanik batuan untuk mendapatkan kuat tekan uniaksial dan triaksial, kuat tarik, kuat geser, indeks kekuatan batuan, Modulus Young, Poisson‟s Ratio, kohesi dan sudut gesek dalam. 3

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

4

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Persiapan Pengujian

5

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Persiapan Contoh Batu Uji Persiapan contoh di Lapangan 

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

Persiapan contoh di Laboratorium

6



Contoh batu: di coring dari contoh bongkah batuan



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



Contoh batu untuk uji kuat tekan : potong contoh batu rata, paralel kedua muka dan saling tegak lurus.



Ukur L & D, luas muka dan volume

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Persyaratan Contoh Batu untuk Uji UCS & Triaxial Sebuah spherical seat, jika ada, dari sebuah mesin tekan. Jika tidak sesuai dengan spesifikasi berikut, maka



harus dikeluarkan atau diposisikan terkunci, kedua pelat penekan mesin tekan harus paralel satu dengan

lainnya. Pelat besi penekan dalam bentuk disc dan mempunyai Rockwell hardness > HRC58 harus diletakkan pada



kedua ujung muka contoh batu. Diameter kedua pelat besi penekan harus diantara (D) – (D+2 mm). D adalah diameter contoh batu. Ketebalan dari pelat besi penekan paling tidak 15 mm atau D/3. Kedua muka pelat besi penekan harus rata dengan kerataan lebih baik daripada 0.005 mm.

Salah satu sisi muka dari kedua pelat besi penekan harus berbentuk spheris concave dan conves (spherical



seat) sehingga keduanya bisa saling duduk dengan baik. Spherical seat harus ditempatkan di atas muka contoh batu uji.

Kontak spherical seat harus terlubrikasi minyak mineral secukupnya sehingga dapat mengunci



setelah bobot dari cross-head sudah mengena ke sistem contoh batu uji dengan spherical seat. Contoh batu uji, spherical seat dan pelat besi penekan harus dipastikan terpusat sehingga garis



gaya vertikal tidak keluar dari titik pusat penekanan dari mesin hingga pelat besi penekan terbawah. Pusat kurvatur muka dudukan pelat besi penekan harus bertemu dipusat dari muka atas contoh batu uji. 7

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Persyaratan Contoh Batu untuk Uji UCS & Triaxial  Contoh batu uji harus silinder rata semua sisinya dengan L/D 2.5 – 3.0 & diameter > NX, sekitar 54 mm. Diameter contoh silinder harus berkaitan dengan ukuran butir terbesar dengan nisbah minimal 10: 1.

 Kedua muka contoh uji silinder harus rata dengan ketelitian 0.02 mm dan tidak menyimpang dari ketegaklurusan sumbu utama lebih daripada 0.001 radian (sekitar 3.5 menit) atau 0.05 mm dalam 50 mm.

 Sisi panjang silinder harus rata dan bebas dari tonjolan atau benjolan dan tegak lurus terhadapo kedua sisi muka dengan penyimpangan maksimum dari sumbu utama 0.3 mm sepanjang contohnya.  Dilarang menggunakan capping materials atau “end surface treatments” selain polishing dengan mesin

poles.  Diameter contoh uji harus diukur hingga ketelitian mendekati 0.1 mm dengan mengambil rata-rata pada sisi diameter bahwa, tengah dan atas tegask lurus terhadap sumbu utama silinder. Diameter ratarata digunakan untuk menghitung luas sisi muka contoh uji. Tinggi atau panjang contoh uji dikuru dengan ketelitian hingga mendekati 1.0 mm.  Contoh batu uji harus disimpan tidak lebih dari 30 hari agar kandungan air alamiah sedapat mungkin dipertahankan & diuji dalam kondisi demikian. 8

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kekerasan Mineral

9

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kekerasan Material Kristal Padat Kekerasan Mineral   



Kemampuan mineral untuk menggores atau mengabrasi mineral atau benda lainnya dikatakan sebagai Mohs hardness (Fredrick Mohs, awal abad ke 19) Ketahanan terhadap indentasi dibawah kondisi tegangan tetap dikatakan sebagai indentation hardness atau microhardness. Masing-masing - sebuah ukuran ketahanan suatu struktur kristal terhadap kerusakan mekanik yang merefleksikan kekuatan ikatan atom dalam crystallographic lattice (pola-pola geometris atom/molekul) dari sebuah material tertentu. Skala kekerasan Mohs:    



kekerasan relatif mineral terhadap kekerasan absolut. Bersifat sebagai sebuah tabel abitrari & bukan representasi inherent mineral hardness Daftar 10 mineral umum yang kekerasannya menaik atau menurun dalam tabel tsb. Tidak dapat langsung digunakan untuk mengkuantitatifkan kekerasan sebuah mineral.

Mohs' scale:  





10

a mineral will scratch another mineral of equal or lesser hardness than itself. This allows the 10 common minerals of Mohs' scale to be used to make a simple scratch test to grade that an unknown mineral can scratch or be scratched by another, and in so giving a rough estimate of relative hardness. This test allows the unknown mineral's relative hardness to be compared to a list of known relative mineral hardnesses to help in identification. Mohs' scale is usually graduated only to 0.5 or 0.25 intervals. Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kekerasan Material Kristal Padat Kekerasan Mineral 

Vickers atau Knoop microhardness adalah sebuah ukuran kekerasan indentasi.



Metode-metode ini memerlukan mesin uji besar dan mahal, mikroskop dengan kekuatan besar, menyita waktu untuk persiapan contoh uji untuk menentukan kekerasan mineral sebenarnya.



Metode pengujian ini sangan berhubungan masalah kerekayasaan laboratorium.



Microhardness tidak umum digunakan dalam terminologi geologi, tetapi kebanyakan geologist mengetahui hubungan antara skala Mohs dan microhardness.



Karena sifat anisotropy dari indentation hardness dengan orientasi krystalografic dan batasan perbedaan metode uji microhardness, biasanya metode Knoop digunakan untuk menentukan indentation hardness of minerals.



Bentuk Knoop's die sedemikian rupa hingga pengujian dapat dilakukan pada perbedaan orientasi dan bidang crystallographic. Nilai Knoop diperoleh sebagai ratarata dari berbagai orientasi crystallographic. 11

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Knoop vs. Mohs' Hardness & Log Knoop vs. Mohs' Hardness

12

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kekerasan Mineral

13

Mineral

Knoop

Vickers

Mohs'

Talc

NA

1

1

Gypsum

61

3

2

Calcite

141

9

3

Fluorite

181

21

4

Apatite

483

48

5

Orthoclase

621

72

6

Quartz

788

100

7

Topaz

1190

200

8

Corundum

2200

400

9

Diamond

8000

1600

10

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kekerasan Mineral

14

Material

Knoop (kg/mm2)

Mohs'

Copper

120

3

Copper (hammered)

150-200

3.25-3.75

Bronze

175

3.5

Cast Iron

200-500

4-5

Steel

400-600

5.5

Glass

700

6-7

Hardened Steel

700-1000

6.5-7.5

Aluminum oxide

2000-2050

8-9

Tungsten Carbide

2050-2150

9

Silicon carbide

2150-2950

9-10

Boron carbide

2900-3900

9-10

Synthetic Diamond

6000-7500

10

Diamond

8000-8500

10

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kekerasan Mineral Mineral

Mohs' Scale

Toughness

Talc

1

poor

Gypsum

2

poor

Calcite

3

Malachite

Mineral

Mohs' Scale

Toughness

poor to good

Plagioclase

6-6.5

poor

3.5-4

poor

Nephrite

6-6.5

exceptional

Fluorite

4

poor

Peridot

6.5-7

fair to good

Apatite

5

fair

Quartz

7

good

Hornblende

5-6

poor to excellent

Garnet

7 - 7 .5

fair to good

Lazulite

5-6

poor

Tourmaline

7 - 7 .5

fair

Hematite

5.5-6.5

excellent

Beryl

7.5- 8

good

Orthoclase

6-6.5

poor

Topaz

8

poor

Corundum

9

excellent (3.3-5.8 MPa(m)1/2)

Diamond

10

good to exceptional (3.4 MPa(m)1/2)

Glass

6

fair to good

Tungsten Carbide

9

exceptional (10.5 MPa(m)1/2)

15

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

I. Uji Sifat Fisik

16

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Manfaat • Perhitungan tegangan akibat beban batuan sebagai gaya

penggerak yang menentukan kelongsoran lereng atau beban batuan sebagai tegangan vertikal pada tambang bawah tanah • Analisis pengaruh kandungan air terhadap kestabilan lereng atau terowongan • Salah satu dasar pertimbangan untuk membangun struktur di

atas dan dalam batuan • Memprediksi kekuatan batuan secara umum

17

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Konsep dasar uji sifat fisik – batuan terdiri dari 3 bagian dan mengalami 3 kondisi

Udara (air) Pori (void) Air (water) Kondisi Asli (natural) Butiran (grain)

18

Padatan (solid)

Kondisi Jenuh (saturated) Kondisi Kering (dry)

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Konsep dasar pengujian – Hukum Archimedes

19

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Konsep dasar pengujian – Hydrostatic Weighing 

Perbandingan densitas benda terhadap densitas fluida :



Densitas benda yang dibenamkan relatif terhadap densitas fluida dapat dihitung tanpa melakukan pengukuran terhadap volumenya

20

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Peralatan



Oven yang mampu memanasi hingga 105oC selama 24 jam



Kontainer contoh batuan yang tidak mudah korosi termasuk penutup kedap udara



Desikator berukuran cukup untuk menampung contoh uji batuan



Pompa Vacum dengan kapasitas sedot 800 Pa untuk selama 1 jam yang dihubungkan dengan desikator agar udara yang terperangkap di dalam contoh batu dapat keluar dan disi oleh air.



Ember atau kontainer yang dapat menampung contoh batu saat menimbang contoh dalam posisi tergantung dari timbangan di dalam air



Timbangan dengan akurasi 0.001% berat contoh 21

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Cara Pengujian • Tentukan berat alamiah contoh batu : Wn

• Tentukan contoh batuan kondisi kering setelah di dalam oven selama 24 jam dengan temperatur ± 90oC : Wo • Tentukan berat contoh batu jenuh setelah dijenuhkan dalam desikator selama 24 jam : Ww • Tentukan berat contoh jenuh tercelup tergantung di dalam air

: Ws • Tentukan volume contoh batuan tanpa pori-pori : Wo - Ws

• Total volume contoh batu : Ww - Ws 22

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Parameter Sifat Fisik Wn Natural density  Ww - Ws Dry density 

Wo Ww  Ws

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

Saturated density 

 Wo   Wo  Ws  True density  Water density 23

 Wn - Wo  Natural water content    x 100% Wo    Ww - Wo  Saturated water content    x 100% Wo    Wn - Wo  Degree of saturation    x 100% Ww Wo    Ww - Wo  Porosity - n   x 100%   Ww - Ws   n  Void ratio    1 - n  Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

II. Uji Kecepatan Ultrasonik

24

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Manfaat • Memprediksi kuat tekan batuan

• Memprediksi rekahan atau pori dalam batuan • Kemampugalian batuan ditentukan juga oleh karakteristik dinamiknya, karena perjalanan gelombang akibat benturan mata bor dan gigi-gigi alat gali terhadap batuan merupakan gerakan dinamik.

• Salah satu dasar penentuan loading density (muatan bahan peledak per volume target pembongkaran)

25

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Cara Pengujian

Peralatan dan Perlengkapan • PUNDIT (Portable Unit NonDestructive Digital Indicated Tester), untuk mengukur waktu tempuh gelombang ultrasonik • Gemuk, untuk menutup poripori di permukaan kontak contoh 26

1. PUNDIT disiapkan dengan memasang kabel tegangan, kabel emitter, dan kabel receiver. 2. Alat dikalibrasi menggunakan silinder standar kalibrasi yang telah diketahui waktu rambatnya. Permukaan bidang kontak silinder dilumasi sebelum ditempatkan di antara transduser (emitter dan receiver). Pundit dihidupkan kemudian dilakukan pengaturan agar waktu rambat yang tertera di layar sesuai dengan waktu rambat silinder pengkalibrasi. 3. Bidang kontak contoh yang akan diuji dilumasi, kemudian batuan diletakkan di antara transduser seperti pada gambar. PUNDIT dihidupkan dan waktu rambat gelombang primer yang tertera pada layar dicatat. Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Parameter Sifat Dinamik Batuan yang Didapatkan dari Uji Kecepatan Ultrasonik • Cepat rambat gelombang primer (Vp) Vp = L/tp • Cepat rambat gelombang sekunder (Vs) Vs = L/ts • Modulus geser dinamik (Gdyn) Gdyn = .Vs2 • Poisson‟s ratio (dyn) dyn =

1−2

𝑣𝑠 𝑣𝑝

2 1−

𝑣𝑠 𝑣𝑝

2 2

• Modulus Young dinamik (Edyn) Edyn = 2 (1+) G • Modulus Ruah (K dyn)  K dyn = (3𝑣𝑝 2 - 4𝑣𝑠 2 ) 3 • Konstanta Lame ()  =  (𝑣𝑝 2 - 2𝑣𝑠 2 ) 27

L = panjang contoh (m) tp = waktu yang dibutuhkan gelombang primer merambat sepanjang contoh (detik) ts = waktu yang dibutuhkan gelombang sekunder merambat sepanjang contoh (detik)  = bobot isi (massa per satuan volume) Satuan modulus dalam kg/cm2

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Contoh Hasil Uji Sifat Fisik (Melati, 2014)

28

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

III. Uji Kuat Tekan Uniaksial

29

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Manfaat



Uji UCS (Unconfined Compressive Strength) dimaksudkan untuk menentukan nilai kuat tekan uniaksial contoh batu dalam bentuk geometri regular. Tujuan utama pengujian ini untuk klasifikasi kekuatan dan karakterisasi batuan utuh.



Mengetahui perilaku batuan



Memperoleh parameter elastik untuk memprediksi deformasi akibat tegangan

30

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Spherical seat

Steel platen

Peralatan dan Perlengkapan • • • •

Alat uji kuat tekan, untuk memberikan gaya tekan pada contoh batuan Spherical seat, untuk mendistribusikan tekanan pada permukaan contoh batu Dial gauge, untuk menghitung regangan selama pengujian Stopwatch, untuk menghitung laju pembebanan 31

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Cara Pengujian 1. 2.

3.

4. 32

Contoh batuan diletakkan di tengah-tengah pelat dasar alat uji. Tiga unit dial gauge dipasang untuk mengukur perpindahan selama pembebanan, 1 unit untuk mengukur perpindahan aksial, dan dua unit lainnya untuk mengukur perpindahan lateral. Mesin hidrolik dihidupkan untuk menggerakkan piston sehingga menekan pelat ke bawah. Ketika pelat menyentuh bidang kontak contoh, bidang kontak disesuaikan agar rata dengan pelat penekan. Dial gauge diatur pada posisi nol.

5.

6.

Ketika jarum hitam pada alat pengukur gaya mulai bergerak meninggalkan titik nol, pembebanan aksial dimulai dan stopwatch dihidupkan. Deformasi aksial dan lateral dicatat saat jarum hitam pada alat pengukur gaya berada tepat di nilai-nilai tertentu, tergantung estimasi kuat tekan batuan.

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Mekanisme keruntuhan batuan menurut Uji Kuat Tekan

33

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Parameter Sifat Mekanik Batuan yang Diperoleh dari Hasil Uji Kuat Tekan

•

• •

34

Kuat Tekan Uniaksial (c) 𝐹 c = 𝐴 Modulus Young (E) Nisbah Poisson ()

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Contoh Hasil Uji Kuat Tekan (Melati, 2014)

35

Contoh

c (MPa)

E (Gpa)



beton

27.1

5.07

0.22

andesit

69.31

23.31

0.18

batulempung

21.48

4.22

0.33

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Penentuan Modulus Young  (MPa)

Average

σc σYP

 (MPa)

Δσ

σc σYP

Δε

e Axial (%)

Tangent 50% σc Δσ

 (MPa) σc σYP

Secant

Δε

e Axial (%)

50% σc Δσ Δε

e Axial (%) 36

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Penentuan Modulus Young 

Modulus Young Aksial, E (perbandingan delta tegangan aksial terhadap

regangan aksial akibat perubahan tegangan) contoh batu uji dapat ditentukan melalui salahsatu metode yang diterima dalam praktek

engineering. 

Modulus Young Tangent, Et, ditentukan pada tingkat tegangan sekian persen dari UCS. Biasanya pada tegangan 50% UCS.



Modulus Young Rata-Rata, Eav, ditentukan pada kemiringan rata-rata atau sekitar garis lurus miring proporsi dengan kurva tegangan regangan.



Modulus Young Secant, Es, biasanya diukur dari tegangan nol hingga suatu nilai persen tegangan dan umumnya sekitar 50%. 37

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Modulus Young

Hubungan Kekuatan dan Deformabilitas Batuan (Deere & Miller, 1966) (Bell, 1993)

38

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Modulus Young

39

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Modulus Young

40

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Modulus Young

41

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Nisbah Poission 

Nisbah Poisson: nisbah negatif regangan lateral terhadap regangan aksial pada material elastik yang mengalami tegangan uniaksial.



Dalam mekanika struktur terdeformasi, kecenderungan sebuah material untuk mengembang atau mengkerut di dalam arah tegak lurus terhadap arah pembebanan dikenal sebagai “efek Poisson”.



Nisbah Poisson: sifat mekanik yang berperan dalam deformasi suatu material elastik, digunakan dalam masalah-masalah rekayasa yang berasosiasi dengan deformasi batuan, misalnya dalam perhitungan analisa numerik tegangan.



Nilai Nisbah Poisson: 

   

42

Sangat jarang, nilainya negative atau > 0.5 Batuan isotropik: 0 - 0.5 Kebanyakan batuan: 0.05 - 0.45. Aplikasi rekayasa (keteknikan) : 0.2 - 0.3 Batubara: 0.25 – 0.346 Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Nisbah Poisson 

Dalam uji statik UCS atau triaxial untuk penentuan kekuatan atau deformabilitas sebuah batuan, nisbah Modulus Young terhadap Nisbah Poisson (E/) dari pelat besi penekan mengikuti kaidah berikut: 

Mendekati nisbahnya contoh batu untuk menghilangkan pengaruh yang tidak dikehendaki.



Besi baja, material yang sering digunakan sebagai pelat penekan, nisbah (E/) nya = 670; dan ini sungguhnya lebih besar daripada nisbahnya berbagai jenis batuan yang sering dijumpai.



Aluminum (E/ = 200) & brass/kuningan (E/ = 300) bisa jadi memberikan kecocokan (E/) yang lebih baik daripada besi baja, keduanya mudah rusak; untuk alasan tsb, maka lebih baik diperkeras dengan besi baja dan diameter yang sama dengan diameter contoh batu uji akan jauh lebih baik.



Dalam contoh batu uji silinder pada kondisi pembebanan unikasial, variasi regangan sirkumferensial atau radial dengan kenaikan tegangan aksial akan mulai deviasi dari linieritas saat transisi dari fase deformasi elastik linier ke fase „„stable crack propagation.‟‟ Atau, Nisbah Poisson suatu batuan akan tetap sepanjang fase deformasi elastik linearnya, mulai menaik karena adanya pengembangan rekahan baru atau rekahan lama.



Kebanyakan batuan, nisbah tingkat tegangan pembentukan awal rekahan terhadap UCS berada pada selang 0.3 - 0.5 UCS dan variasinya pada uji triaksial 0.36 - 0.6. 43

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Nisbah Poisson Batuan H. Gercek. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 44/2007/1-13

44

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Types of Broken Rock Specimens Due to UCS Test Kramadibrata 1990 - L/D=2 Cataclasis

Homogeneous Shear

45

Axial Splitting

Combination Axial & Local Shear

Cone Failure

Homogeneous Shear

Splintery & Onion Leaves & Buckling

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kurva Tegangan Regangan Untuk Kekuatan vs. Deformabilitas

46

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Persamaan Konstitutif

47

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kuat Tekan Uniaksial (UCS)

UCS (MPa) Klasifikasi Bieniawski, 1973

Tamrock, 1988

Sangat keras

250-700

200 [7]

Keras

100-250

120 – 200 [6-7]

Keras sedang

50-100

60 – 120 [4,5-6]

Cukup lunak

-

30 – 60 [3-4,5]

Lunak

25-50

10 – 30[2-3]

Sangat lunak

1-25

- 10

48

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Classification of Rock Hardnesses (Attewell & Farmer 1976) Strength Classification

UCS (MPa)

Very weak

10-20

weathered and weakly-compacted sedimentary rocks

Weak

20-40

weakly-cemented sedimentary rocks, schists

Medium

40-80

competent sedimentary rocks; some low-density coarsegrained igneous rocks

Strong

80-160

competent igneous rocks; some metamorphic rocks and fine-grained sandstones

Very strong

160-320

quartzites; dense fine-grained igneous rocks

49

Typical rock types

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Modulus Elastisitas & Nisbah Poisson Untuk Batuan Isotropik Transversal (H. Gercek, 2006)

50

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Modulus Elastisitas & Nisbah Poisson Untuk Batuan Ortothropik (H. Gercek, 2006)

51

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kategori Nisbah Poisson

52

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Nisbah Poisson Berbagai Batuan

53

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Post Failure Behaviour 

For a realistic simulation of tunnel excavation and support and the determination of the required energy for rock excavation, the

rock mass behaviour including post failure behaviour must be known. 

The post-failure behaviour of a rock specimen can be obtained by performing the entire stress-strain performance of UCS test using stiffness compensated piston displacements



When a rock sample is tested at a constant loading rate, in general violent failure occurs when the peak strength is reached.



In case of inappropriate test control brittle rock specimen can fail violently at or shortly afterthe peak strength. This is influenced not by an inherent material property, but also the amount of energy stored in the test machine and the specimen. If, however,

displacement or strain is regarded as the independent variable, the failure of rock can be controlled, but a stiff load frame and electronic servo-controls are required in order to observe the post failure behaviour of brittle materials. There are certain, mostly stiff and brittle rock types at which explosive failure can not be precluded without abstracting energy from the specimen. 

This circumstance was the reason to adopt a differentiation in two rock classes for the post-failure behaviour in unconfined compression



The Class II behaviour of rock is characterized by non-uniform failure, which agrees qualitatively with common experimental

observation, and shows not only class I but also class II behaviour depending on strength variation of springs. The elastic strain of both class I & II rocks, tends to decrease in the post-failure region as the load bearing capacity deteriorates.The remarkable difference between class I & II categories is the magnitude of non-elastic strain. That is, if non-elastic strain increases faster that elastic strain decreases, then rock shows class I behaviour, and in the opposite case class II behaviour. In general, the non-elastic strain increases with confining pressure and in some cases, rock behaviour changes from class II to class 1 at higher confining pressure

54

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Tipikal Kurva Tegangan Regangan Batuan Kelas I & II

55

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Karakteristik Kurva Tegangan Regangan Pasca Runtuh untuk Batuan Lunak dan Batuan Kaku

56

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh Bentuk pada UCS

L/D=2

L/D=2.5

L/D=3

ASTM

Protodiakonov

57

 c(  D) =

c 0,222 0,778 + /D

8 c  c( = 2D) = 2 7 + /D Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Orientasi Contoh Batu Terhadap Bidang Perlapisan

58

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh Skala pada UCS

UCS MPa 600 BASALTMAFIC

500

PORPHYRY GMD-U8 Ore GMD-U8 MULLOCK

400 300 200

Hoek & Brown (1980) 59

100 0 0 25 75 100 125 150 Mekanika Batuan50- Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh175 Diameter mm

Pengaruh Anisotropik pada UCS



Maximum failure strength is either at b = 0o or 90o and the minimum value usually is around b=30o, more precisely at (45-f/2) where f is the friction angle along the plane of weakness, fracture or sliding.



The shape of the curve between the uniaxial compressive strength (c) and the orientation angle, b; is designated as the „type of anisotropy‟‟ and is found to be generally of three types namely „U-shaped‟‟, „„shoulder shaped‟‟ and „„wavy shaped‟‟

60

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh Anistropik pada UCS Devonian Slate & Graphitic Phyllite (Brown et al, 1977 & Salcedo, 1983)

61

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh Anistropik UCS Pada Batuan Schist

62

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Penelitian tentang Uji Kuat Tekan Uniaksial di Laboratorium Teknologi Pertambangan, FT UNLAM 

Pengaruh Bentuk dan Ukuran terhadap Kuat Tekan Uniaksial Batulempung dan Batubara Formasi Tanjung (Hakim et. al., 2015)  Skripsi Hajar Bintara

63

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Penelitian tentang Uji Kuat Tekan Uniaksial di Laboratorium Teknologi Pertambangan, FT UNLAM 

Pengaruh Bentuk dan Ukuran terhadap Kuat Tekan Uniaksial Batulempung dan Batubara Formasi Tanjung (Hakim et. al., 2015)  Skripsi Hajar Bintara

64

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

IV. Uji Kuat Geser

65

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Manfaat 

Memperoleh parameter uji kuat geser untuk analisis kestabilan lereng tambang terbuka

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



Kuat geser adalah gaya internal melawan gaya yang dikenakan sepanjang bidang geser di dalam batuan itu sendiri yang dipengaruhi oleh karakteristik intrinsik dan gaya-gaya luar.



Untuk menentukan kuat geser batuan dalam kondisi pembebanan normal di atas bidang geser yang memiliki koefisien gesek batuan () memerlukan 5 contoh batuan.



Setiap contoh batuan diberi beban normal yang berbeda () dan tegak lurus bidang geser untuk mendapatkan: garis kuat geser Coulomb (), kuat geser, sudut gesek dalam (f), kohesi (C)

66

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Ilustrasi aplikasi Uji Kuat Geser Displacement

F N 50

Fs

45

Area

40 35

ir

ip

30 25 20

15 10

55

67

50

45

40

35

30

25

20

15

10

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

5

Alat Uji Kuat Geser Langsung

68

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Contoh Data Hasil Uji Kuat Geser Perpindahan horizontal (mm}

FH{kN}

H {kPa}

Perpindahan vertikal {mm}

FN {kPa}

N {kPa}

58.42 55.88 53.34 50.80 48.26 45.72

0.00 2.30 2.90 3.20 2.90 2.42

0.00 85.29 107.54 118.66 107.54 89.74

14.15 14.22 14.40 14.30 14.17 14.02

3.53 3.53 3.53 3.53 3.53 3.53

130.90 130.90 130.90 130.90 130.90 130.90

43.18 4064 38.10 35.56 33.02

4.90 4.80 4.74 4.26 3.68

181.70 178.00 175.77 157.97 136.46

13.84 13.79 13.74 13.69 13.61

9.30 9.30 9.30 9.30 9.30

344.87 344.87 344.87 344.87 344.87

30.48 27.94 25.40 22.86 20.32

8.80 8.71 8.10 7.70 7.20

326.32 322.99 300.37 285.53 266.99

13.41 13.31 13.21 13.08 12.95

18.60 18.60 18.60 18.60 18.60

689.73 689.73 689.73 689.73 689.73

17.78 15.24 12.70 10.16 7.62

13.80 13.00 11.80 10.70 9.20

511.74 482.07 437.57 396.78 341.16

12.65 12.32 11.89 11.40 11.30

37.20 37.20 37.20 37.20 37.20

1379.46 1379.46 1379.46 1379.46 1379.46

69

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Maju Geser Balik geser

70

Perpindahan geser (mm)

Gaya geser, kg

Perpindahan normal ( x 0,01 mm )

0

0

0

1

90.72

21

2

90.72

20

3

90.72

21

4

113.40

24

5

90.72

20

6

90.72

20

7

90.72

21

8

90.72

19

9

90.72

19

10

90.72

20

10

0

0

9

45.36

13

8

45.36

12

7

45.36

13

6

90.72

17

5

90.72

16

4

45.36

12

3

45.36

12

2

45.36

13

1

45.36

12

0

45.36

12

Contoh Data Hasil Uji Kuat Geser

Normal Load = 82.05 kg Saw cut plane : circle - Length : 4.57 cm - Width : 4.57 cm - Area ( A ) : 16.410 cm2 Normal Stress : ( n ) = Pn /A = 5 kg/cm2

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Contoh Hasil Uji Kuat Geser Natural shear strength

Saturated shear strength

1400

1000

Peak

Peak

p = 728,68 + n tan 44,28o 1000

Shear strength (kPa)

Shear strength (kPa)

1200 2

R = 0,9368

800

Residual

600

s = 217,02 + n tan 40,74o

400

R2 = 0,8767

800

Residual

600

p = 105,92 + n tan 57,25o R2 = 0,9401

400

s = 108.64 + n tan 52,17o

200

R2 = 0.8903

200 0

0 0

200

400 600 800 1000 Norm al strength (kPa)

Puncak Peak

71

Sisa

1200

1400

0

200

400 600 800 Norm al strength (kPa)

Puncak Peak

Sisa

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

1000

Faktor Yang mempengaruhi Kuat Geser Batuan 

Faktor Intrinsik  



Faktor Extrinsik (environmental factors)     

   

72

Kohesi Sudut gesek dalam

Tegangan normal, Pre-existing cracks, Air, Mineralogi contoh batuan, Ukuran butiran, Kekasaran bidang geser, Laju perpindahan, Ukuran contoh uji Derajat kekompakan contoh batuan Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Ilustrasi Kohesi & Sudut Gesek Dalam 

Kohesi (c): tegangan geser yang diperlukan untuk menggeser batu

akibat tegangan normal nol. Hal ini akibat semata-mata dari kekasaran bidang geser atau bidang yang sudah disementasi. Pada kondisi sisa, kohesi turun drastis bahkan nol karena ikatan antar

butir terganggu atau rusak. 

Untuk memahami arti sudut gesek dalam (f), bayangkan sebuah blok seberat W berada diatas sebuah bidang miring halus dengan

luas kontak A. 

Blok tsb memiliki gaya penggerak akibat beratnya W sin q & gaya normal (N = W cos q). Koefisien gesek  memberi gaya penahan Fs. Simbol  adalah faktor internal ekuivalen dengan tan f. Sesaat blok meluncur kebawah, gaya penahan ekuivalen dengan gaya penggerak sehingga persamaan keseimbangannya menjadi



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



tan q = tan f

 

q= f Pada kondisi demikian, sudut bidang miring ekuivalen dengan sudut gesek dalam (f) mengingat kohesi = 0.

73

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh Air dan Tekanan Pori pada Kuat Geser Batuan 

Saat air masuk kedalam sebagian atau seluruh pori contoh batu, keseimbangan tegangan

internal di dalam contoh batu akan dirubah dan konsekuensinya propagasi rekahan dapat menerus dan menurunkan karakteristik kekuatan batuan. 

Air tidak mengontrol karakteristik kekuatan untuk batuan kuat dengan UCS > 100 MPa, kecuali tekanan air pori yang juga menurunkan tegangan normal yang bekerja sehingga menjadi tegangan normal efektif & tentunya menurunkan kuat geser.



Batuan lunak dengan UCS < 25 MPa –mudstone, claystone & batuan lunak lainnya cenderung dipengaruhi kandungan air, khususnya C & f – berkaitan dengan komposisi mineralnya yang dapat dianggap reaktif atau tidak dalam mengikat air seperti monmorilonite dan kaolinite



Kehadiran air di dalam massa batuan menyebabkan bidang diskontinu sebagian tertekan sheingga menurunkan tegangan normal.



Laju geser pada permukaan basah lebih lambat daripada permukaan kering. 74

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan Tegangan normal 

Massa batuan pada umumnya mempunyai rekahan yang ditimbulkan oleh pembebanan sejak awal pembentukan batuan tersebut. Tegangan terkonsentrasi pada rekahan tesebut, sehingga kehadiran rekahan sangat mempengaruhi perilaku massa batuan. Dengan adanya faktor kekasaran bidang rekahan, maka kondisi tegangan normal konstan akan tidak realistik tercapai pada kondisi alami.



Selain itu, peristiwa geologi seperti gempa bumi memungkinkan terjadi perubahan beban normal terhadap massa batuan dan berpotensi membentuk bidang geser baru pada massa batuan.



Kuat geser, dalam hal ini kuat geser puncak, akan meningkat seiring peningkatan tegangan normal. Hal ini mengindikasikan bahwa bidang lemah pada kedalaman yang lebih dalam cenderung akan semakin kuat. Uji kuat geser harus dilakukan pada kondisi tingkat tegangan normal yang tidak melebihi batas elastisitasnya. Hal ini dilakukan untuk memperoleh deformasi yang disebabkan tegangan geser dan bukan oleh tegangan normal.

75

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Keberadaan Material Pengisi Pada Rekahan

a

Filled discontinuity

b

76

i

tebal material pengisi

amplitudo gelombang

c

d

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan Bidang geser dan material pengisi pada bidang geser 

Kuat geser dapat berkurang secara signifikan ketika sebagian atau seluruh permukaan tidak kontak secara

langsung melainkan ditutupi oleh material pengisi yang relatif lunak seperti lempung, kalsit dan lanau. Jika ketebalan material pengisi lebih besar dari amplitudo gelombang (undulation) permukaan geser, maka karakteristik geser akan ditentukan oleh kekuatan material pengisi (Gambar c dan d). Tetapi jika tinggi ketebalan material pengisi tidak melebihi amplitudo gelombang (undulation) permukaan geser (Gambar b), maka perilaku geser batuan akan lebih kompleks. Pada kondisi seperti ini, menurut Barton dan Choubey (1977), mekanisme pergeseran batuan akan mengalami dua tahap. Pertama, tegangan dan perpindahan hanya dipengaruhi oleh kekuatan material pengisi. Setelah terjadi perpindahan, permukaan bidang geser akan mengalami kontak sehingga kekuatan bidang diskontinu ditentukan oleh kekasaran dan kekuatan bidang geser

itu sendiri. Pada Gambar, model kekasaran yang digambarkan merupakan kekasaran permukaan geser dengan sudut kemiringan i pada proyeksi orde dua sehingga pada tegangan normal yang tinggi kekasarannya akan hancur dan sudut proyeksi orde satu akan menggantikan peran sudut proyeksi orde dua. 

Goodman (1970) mengatakan bahwa kuat geser rekahan akan turun dan menjadi sama dengan kuat geser material pengisi jika ketebalan material pengisi minimal 50 % lebih tebal dari amplitudo gelombang (undulation) 77

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengukuran Sudut Kekasaran Permukaan Geser Batuan (Patton,1966)

iII-3

iII-1 iII-2



iII-4 iI

Gambar menunjukkan contoh pengukuran sudut kekasaran permukaan i (roughness angle i) yang dilakukan oleh Patton (1966) pada permukaan geser batuan. Sudut proyeksi orde satu adalah sudut gelombang kekasaran yang utama (major undulation) pada permukaan geser batuan dan ditunjukkan oleh sudut iI, sedangkan gelombang-gelombang kecil dengan sudut yang lebih besar disebut sebagai sudut proyeksi orde dua dan ditunjukkan oleh sudut-sudut iII-1 sampai iII-4.



Menurut Barton (1973), pada tegangan normal yang rendah, sudut proyeksi orde dua memainkan peranan penting dalam menentukan kekuatan geser (sudut gesek dalam) batuan dan kuantifikasinya dinyatakan dalam (f + i). Dengan

meningkatnya tegangan normal, kekasaran orde dua akan hancur sehingga perannya digantikan oleh sudut proyeksi orde satu. Pada tegangan normal yang cukup tinggi kekasaran orde satu juga akan hancur sehingga perilaku kekuatan geser batuan akan lebih dipengaruhi oleh kekuatan batuan utuh (intact rock) daripada kekasaran permukaan geser.

78

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan Kekasaran Permukaan Geser 

Semakin kasar permukaan geser, semakin besar kekuatan geser batuan. Tetapi kekasaran ini akan berpengaruh hanya pada tegangan normal yang redah karena pada tegangan normal yang cukup tinggi permukaan geser akan hancur sehingga perilaku kekuatan geser batuan akan lebih dipengaruhi oleh kekuatan batuan utuh (intact rock) daripada kekasaran permukaan geser. Ladanyi dan Archambault (1970 & 1972) telah melakukan penelitian tentang batas pengaruh kekasaran permukaan geser terhadap kekuatan geser batuan.



Dari penelitian tersebut, diperoleh sebuah kriteria kuat geser batuan yang menunjukkan bahwa kekasaran permukaan geser batuan masih berpengaruh hingga pada batas perbandingan tegangan normal efektif yang bekerja pada permukaan rekahan dan kuat tekan uniaksial permukaan rekahan atau nilai (/JCS) sama dengan 0,15. Artinya bahwa kekasaran permukaan geser batuan masih berpengaruh hingga pada batas tegangan normal efektif yang bekerja pada permukaan rekahan batuan tersebut sekitar 15 % dari kuat tekan uniaksialnya



Menurut Grasselli (2001), kekasaran permukaan bidang diskontinu akan mempengaruhi kekuatan geser batuan pada tingkat tegangan normal hingga 20 % kuat tekan batuan. Tetapi tetap perlu diingat bahwa tegangan normal maksimumnya diusahakan agar tidak melebihi batas elastisitas batuannya 79

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh Kekasaran Bidang Geser pada Sifat Kuat Geser F (kN) Fp Y

0,5 Fp

ks

n p

i

u (mm)

fi

m Dy

p

ci

(a) i

n

f

n

(c) σn h

i

p (b)

80

Dx

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

V. Uji Kuat Tarik

81

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Manfaat Uji Kuat Tarik (Tensile Strength) 

Memperoleh nilai kuat tarik batuan



Menganalisis ketidakstabilan pada batuan yang terjadi akibat adanya gaya tarik yang besar



Mengetahui karakter deformasi brittle atau ductile batuan (kuat tekan dibandingkan dengan kuat tarik)

82

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kuat Tarik Tak Langsung – Brazilian Test σt 

2F πDt



t = Indirect tensile strength, MPa



D = Diameter, mm



F = Load, N



t = Thickness, mm (umumnya 1/3D)



UTS << UCS



UCS/UTS = Toughness ratio = Brittleness Index



BI menaik kinerja rock cutting menjadi baik

Top Jig Brazilian

Tensile force

Crack

D

Tensile force

Bottom Jig Brazilian 83

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kuat Tarik Langsung Bonded

84

End-pull

Grip

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Klasifikasi Brittleness Index Brittleness Index = c/t

Keterangan

6–7

Sangat tough & plastik

7–8

Tough & plastik

8 – 12

Rata-rata jenis batuan

12 – 15

Sangat brittle tak plastik

15 – 20

Sangat brittle

σc = 8 σt , Griffith (1921). σc = (8.5 – 15) σt , Brace (1964). σc = (5.5 – 9.5) σt , Jaeger dan Hoskins (1966). σc = 10 σt , Jumikis (1983). 85

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

VI. Uji Triaksial

86

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Keruntuhan Atap pada Lubang Tambang Emas Bawah Tanah

87

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Variasi Kondisi Tegangan Pengukungan

88

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Uji Triaksial 

Uji ini dimaksudkan untuk menentukan kekuatan batuan utuh di dalam kondisi tegangan triaksial.



Data yang diperoleh dari uji ini dibutuhkan untuk menentukan:

89



Selubung kekuatan (intrinsic curve)



Kuat geser ()



Sudut gesek dalam (f)



Kohesi (C)

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Skematik Diagram Uji Triaksial

90

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Uji Triaksial disertai Uji Kecepatan Ultrasonik Mesin Tekan (1) Sel Triaksial

Pompa Tekan (3) 91

PUNDIT (UV) Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Berbagai Tipe Sel Triaksial

92

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Sel Triaksial Hoek & Franklin (1968)

93

Triaksial Sel Von Karman (1911)

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Uji Triaksial Konvensional 11

1

31

11

12

failure

31

32

2

Get sample out

13

failure

32

33

failure

3

Get sample out

12

13

 3

31 < 32 < 33

2 1

11 < 12 < 13

e 94

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

33

80

Lingkaran Mohr & Kurva Intrinsic

70 60

1 (MPa)

50 40 30

30

20 TXHB - KONV

10

TXMC - KONV

25

0

Shear Stress (MPa)

-6

15

No

f

10

5

0

0

5 31 33 32

10

15

0

2

4

6

8

3 (MPa)

 = 5.22 + N Tan 32.81

95

-2

 = c + N Tan f

20

c

-4

20

Normal Stress (MPa)

25

30

11

12

13

3

1

(MPa)

(MPa)

1

1.00

22.61

2

2.00

25.70

3

3.00

29.34

3 MPa 0 50 100 200

1-3 MPa 72 159 248 418

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

10

Dredging Processes Cutting Of Rock Prof. Ir. W.J. Vlasblom (January 2007) dalam Rai dkk (2014)

96

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh 3 Terhadap Perilaku

97

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Perilaku Keruntuhan Menurut Kecepatan Ultrasonik pada Uji Triaksial (Melati, 2014)

98

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Faktor Berpengaruh Pada Kurva Triaksial –e Pengaruh Strain Rate

Pengaruh Suhu 25 °C 2000

300 °C

1  3 (MPa)

1500 500 °C

1000 800 °C 500

5

99

10 15 Regangan aksial (%)

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh Air Pada Kurva Triaksial   e Schwartz (1964)

Kwasnieski (1990)

Tekanan air pori mempunyai sedikit pengaruh pada kekuatan batuan jika angka pori spesimen batuan kurang < 0,02.

Kurva perbedaan tegangan – regangan longitudinal spesimen Bogdanka mudstone kondisi kering dan basah yang diuji pada tegangan pengukungan 20 MPa.

400

80

Deviatoric stess (MPa)

350 Deviatoric stress (MPa)

90

Granite (void ratio = 0.022) Sandstone (void ratio = 0.163) Applied 3 = 35 MPa

300 250 200

 = 7 MPa  = 7 MPa  = 21 MPa

150

 = 35 MPa

100

 = 21 MPa  = 35 MPa

100

2

60 3 = 20 MPa

50 40 30 20 0

0 1

70

10

50

0

air-dry specimen

3 Strain (%)

4

5

6

0

2

4

wet specimen specimen 6 8 10

Longitudinal strain (%)

12

Pengaruh Air Pada Kurva Triaksial  – e Batupasir (Schwartz, 1964)

150 0 tekanan aksial (MPa) 100

50

27.6 41.4 55.2 62.1 69.0 1 2 regangan aksial (%)

101

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh arah bidang lemah terhadap tegangan deviatorik (Donath, 1972; Mc Lamore & Gray 1967; Brown et. 1977)

102

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh Tekanan Pemampatan Terhadap Sudut Fraktur

103

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Metode Tak Langsung Menentukan UCS & UTS 1 1 n  (1  3)  (1 - 3)cos 2b 2 2

1   (1 - 3)sin 2b 2 1 

3(1  sin f)  2c cos f 1 - sin f

2c cos f c  1 - sin f 2c cos f t  1  sin f 104

 = n tan f + c

b = 45 + f/2

Pada kondisi tekan, 1 = c & 3 = 0 Pada kondisi tarik, 1 = 0 dan 3 = - t Keterangan   = Tegangan geser  N = Tegangan normal  1 = Tegangan prinsipal mayor  3 = Tegangan prinsipal minor  c = Kohesi  b = Sudut antara 1 dan n  f = Sudut gesek dalam  c = Kuat tekan uniaksial (UCS)  t = Kuat tarik uniaksial (UTS)

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Uji Triaksial Metode Multistage 11

31

1

11

12

Tepat akan failure

31

32

pembebanan dihentikan Sample tidak dikeluarkan



12

32

a1

2 1

a2

Titik terminasi

e

a3 n

33

pembebanan dihentikan Sample tidak dikeluarkan

31 < 32 < 33 3

105

1

13

Tepat akan failure

failure

1

33

13

11 < 12 < 13

X detik X + a detik X + n detik

Pembebanan dihentikan

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kurva Tegangan Aksial – Regangan Aksial – Kecepatan Ultrasonik

Hasil Uji Triaksial Multitahap Andesit Baleendah (Melati, 2014)

106

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh Stress Paths pada Uji Triaksial Multitahap (Melati, 2014)

Uji Triaksial Konvensional contoh A Multitahap I contoh B contoh A Multitahap II contoh B

107

8 175.35 161.07 169.91 164.13 170.68

Tekanan pemampatan (MPa) 12 16 20 222.56 272.25 327.56 229.90 263.38 297.23 221.77 270.45 316.55 213.04 243.96 280.85 201.58 232.49 263.37

24 347 365.87 335.21 316.22 337.80

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kriteria Mohr-Coulomb Andesit Baleendah

Uji triaksial Konvensional Multitahap I Perbedaan relatif (%) Multitahap II Perbedaan relatif (%)

108

C (MPa) 13.39 13.65 2.00 14.33 7.07

f (°) 56.74 56.30 -0.77 54.23 -4.43

c (MPa) 89.62 90.17 0.61 88.81 -0.91

k 11.21 10.90 -2.71 9.60 -14.34

y (°) 84.90 84.76 -0.17 84.05 -1.00

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kriteria Hoek-Brown Andesit Baleendah

109

Uji triaksial

ci (MPa)

mi

ti (MPa)

Konvensional

71.66

50

-1.43

Multitahap I

69.79

50

-1.40

Perbedaan relatif (%)

-2.61

0

-2.61

Multitahap II

61.29

50

-1.23

Perbedaan relatif (%)

-14.47

0

-14.47

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Kriteria Failure Bieniawski Kriteria failure Bieniawski I multistage terhadap konvensional 5

4

 1/ c

3

2

1

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

 3/ c 110

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

1

Pengaruh Tekanan Pemampatan Terhadap Modulus Young

Modulus Young, E (GPa)

Regresi linier Modulus Young terhadap tekanan pemampatan 14 12 10 8 6 4 2 0

Multistage : y = -0,0018x + 7,87 E = 7,87 GPa = konstan

Konvensional : y = -0,0022x + 7,45 E = 7,45 GPa = konstan 0

5

10

15

20

25

30

35

Tekanan Pemampatan,  3 (MPa) 111

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Pengaruh 3 Pada Kurva  - e

112

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Stress-strain response of a simulated rock mass specimen (8m diameter) at varying levels of confinement. The yield state of discontinuities and the deformation of the specimen at milestones of yield are shown.

113

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

5 Tipe Pecah Batuan Akibat Pembebanan Triaksial (Griggs & Handin, 1960)

114

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Homogeneous Shear & Local Shear

115

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

VII. Uji Indeks – Point Load Test

116

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

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

117

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

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

P

P

L > 0,5D

L

L D

D

D W2

W1

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

118

D/W = 1.1 ± 0.05 b. Uji Aksial

P

D/ W =1.0 – 1.4 W = (W 1+W2)/2

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Peralatan

119

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Tipikal Model Failure Untuk Valid dan Invalid Test Valid diametrical test

Valid axial test

Valid block test

Invalid core test

120

Invalid axial test

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Point Load Index F Is  2 D F Is(50)  k 2 D

D k    50 

0.45

Is = Point load index, MPa F = Failure load, N D = Jarak antara dua konus penekan, mm c = 23 Is - Untuk diamater contoh 50 mm Jika Is = 1 MPa, indeks tsb tidak memiliki arti, maka penentuan kekuatan harus berdasarkan uji UCS 121

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

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

40-50

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

Amphibolite, sandstone, basalt, gabbro, gneiss, granodiorite, limestone, marble rhyolite, tuff Limestone, marble, phyllite, sandstone, schist, shale

R4 Very Strong

100-250

4-10

R3 Strong

50-100

2-4

30-40

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

R2 Medium Strong

25-50

1-2

15-30

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

Claystone, coal, concrete, schist. shale, siltstone

R1 Weak

5-25

**

<15

Knife cuts material but too hard to shape into triaxial specimens

chalk, rock salt, potash

R0 Very Weak

1-5

**

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

highly weathered or altered rock

Extremely Weak

0.25-1

**

Indented by thumbnail

clay gouge

122

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

VIII. Uji Indeks – ISI, BPI, Schmidt Hammer

123

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Impact Strength Index (ISI)



 

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

124

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

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Block Punch Index (BPI) F (kN)

1 3 4

5

2

4

a. Contoh Sebelum Runtuh Keterangan 1. Punch Block 2. Rangka Bawah 3. Penjepit

125

5

b. Contoh Setelah Runtuh 4. Contoh batuan sebelum runtuh 5. Contoh batuan setelah runtuh

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Block Punch Index (BPI) 

  

 



Perhitungan Block Punch Index berdasarkan spesifikasi alat yang terdapat di Laboratorium Geomekanika ITB adalah dengan membagi beban maksimum (F) terhadap luas contoh batuan yang bergeser (A) yang dinyatakan dalam persamaan. BPI = Block Punch Index (MPa) F A

= Beban runtuh (N) = Luas bagian runtuh (mm2)

r K t

= Jari-jari contoh (mm) = Lebar BPI = 15 mm = tebal contoh (mm)

BPI 

126

F  2 K 4 t r    2 

2

  

0,5

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

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.



3

Terdiri dari piston yang dikombinasikan dengan per. Piston secara otomatis terlepas dan menumbuk permukaan kontak dengan batuan ketika hammer

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

ditekan ke arah permukaan 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

2

fungsi dari jumlah energi impak yang hilang akibat deformasi plastik dan failure dari batu di tempat terjadinya impak. 

Nilai pantul fungsi orientasi dari hammer. Pengujian dengan menekan hammer

1

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.

127

1. 2. 3.

Contoh batuan Impact plunger Indikator angka pantul

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

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)

c* = 53ISI – 2509

Goktan (1988)

c = 0,095ISI – 3,667

batuan sedimen

Kahraman (2001)

c = 4×10-10ISI5,87

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

128

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Hubungan UCS & BPI 

Schrier (1988) BPI adalah uji indeks dan bukan untuk mengukur kuat geser batuan karena kemungkinan dipengaruhi oleh tegangan bending (Everling, 1964).



Uji BPI ekuivalen dengan uji indeks lainnya untuk menduga UCS, & tingkat akurasinya yang lebih baikdaripada uji PLI.



Rivai (2001): hubungan UCS & BPI dapat dilakukan untuk batuan lunak karena penekanan yang terjadi pada uji BPI menyangkut suatu luas yang lebih besar dari point sehingga akan memberikan efek geser.

Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

Schrier (1988)

c= 6,1BPI – 3,3

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

Ulusay & Gokceoglu (1998)

c = 5,5BPIc

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

Rivai (2001)

c = 7,13BPIc

batu pasir, batu lempung, batu lanau, batu andesit

129

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Joint Condition Joint Strength Estimate of JCS Based on Schmidt Hammer & SW of Rock 50.0 Uniaxial Compressive Strength, MPa

Hammer Direction

Uniaxial Compressive Strength of Joint - MPa

Specific Weight of Rock - kN/m3

Range of Average UCS of Rocks - MPa

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)

Schmidt Hammer – L type hammer

130

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

40

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. c = 6,9 ×10(0,16+0,0087Rn)

1. -

L

2. Kidybinski, 1968

2. c = 0,477e(0,045Rn+)

2. -

-

3. Beverly et al., 1979

3. c = 12,74e(0,0185Rn)

3. -

L

4. Haramy & DeMarco, 1985

4. c = 0.094Rn – 0,383

4. batu bara

L

5. Cargill & Shakoor, 1990

L

5.1. batu pasir

5.1. c = e(0,043Rnd + 1,2)

5.2. karbonat

5.2. c = e(0.018Rnd + 2,9)

6. Kahraman, 2001

6. c = 6,97e(0,014Rn)

131

5. sedimen, metamorf

6. tiga jenis batuan

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

N

Penelitian di Laboratorium Teknologi Pertambangan, FT UNLAM 



Korelasi Point Load Index, Schmidt Hammer, dan Kuat Tekan Uniaksial pada Batupasir Formasi Tanjung  Skripsi Ahmad Syarif dan Dedy Prasetyo Korelasi Nilai Uji Schmidt Hammer dengan Kuat Tekan Uniaksial pada Batugamping  Skripsi Isma Nurrohim

132

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Referensi  



Arif, I. 2010. Diktat Kuliah Geoteknik Tambang. Bandung : Institut Teknologi Bandung. Hal 41-54. Melati, S. 2014. Pengaruh Stress Paths pada Uji Triaksial Multitahap – Pengujian di Laboratorium dan Permodelan Numerik (tesis). Bandung : Institut Teknologi Bandung. Hal 52-58, 72-76. Rai, M.A., Kramadibrata, S., dan Wattimena R.K. 2014. Kuliah Mekanika Batuan untuk mahasiswa S1 Teknik Pertambangan – Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh. Bandung : Institut Teknologi Bandung.

133

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh