6. Pengukuran Tegangan In-situ.docx

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU TUGAS RESUME | OLEH : FINANTI PUJA DWIKASIH

1.

PENDAHULUAN Nilai tegangan in-situ selalu menjadi perhatian utama dalam rekayasa pertambangan dan

geoteknik karena merupakan hal penting pada operasi penambangan bawah tanah. Pengetahuan yang baik tentang tegangan in-situ ini dapat digunakan untuk kegiatan identifikasi zona berisiko tinggi dan penerapan metode kontrol yang sesuai dalam mencegah keruntuhan. Pengukuran tegangan in-situ telah dikembangkan untuk menggambarkan besarnya tegangan dalam kondisi geologis yang berbeda pada titik tertentu. Namun, pengukuran-pengukuran tersebut belum tentu dapat mewakili keseluruhan operasi karena terdapat variasi medan tegangan secara signifikan yang disebabkan oleh beragam tegangan tektonik dan tekanan overburden pada kedalaman yang berbeda. Permasalahan utama pada operasi bawah tanah yang dalam adalah pengumpulan data yang tepat dengan biaya yang wajar.

2.

TEGANGAN IN-SITU “In situ berasal dari kata in site yang berarti di lapangan. Sehingga tegangan in situ memiliki pengertian sebagai tegangan alamiah yang terdapat pada massa batuan di lapangan” Tegangan alamiah merupakan tegangan

komponen

horisontal,

diasumsikan

dilakukan yang terdiri dari beberapa macam

pergerakan

tegangan, yaitu:

komponen ini dapat juga dihitung dengan

 Tegangan gravitasi

persamaan

secara

dan

material

dalam massa batuan sebelum penggalian

Tegangan gravitasi terjadi karena beban

elastik

jika

tidak

horisontal,

ada maka

 Tegangan tektonik

batuan yang ada di atasnya dan komponen

terjadi akibat geseran-geseran pada kulit

vertikal

dengan

bumi yang terjadi pada waktu yang lampau

Sedangkan

maupun saat ini, seperti pada saat terjadi

dapat

menggunakan

diperkirakan persamaan.

Mekanika Batuan Lanjut 2

1

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

sesar dan lain-lainPergerakan dalam kerak

aktivitas penggalian telah dilakukan dengan

bumi terjadi secara kontinyu, seperti

pengukuran tegangan in situ secara langsung

peristiwa seismik, pergerakan lempeng dan

maupun tidak langsung. Dalam banyak kasus,

pergerakan karena perbedaan panas antara

tegangan terinduksi ini akan melampaui

inti bumi dan kerak. Tegangan tektonik

kekuatan massa batuan dan menyebabkan

sangat sulit diperkirakan baik besar maupun

ketidakmantapan lubang bukaan bawah tanah.

arahnya, hanya pada umumnya lebih besar daripada tegangan vertikalnya  Tegangan Termal

Tegangan termal terjadi karena pemanasan atau pendinginan batuan dan terjadi di dekat permukaan yang terkena panas matahari atau sebagai hasil pemanasan bagian dalam bumi karena bahan-bahan radioaktif atau proses geologi lainnya Aktivitas penggalian lubang bukaan pada

Besar dan arah tegangan in s itu adalah salah satu parameter penting dalam proses perancangan lubang bukaan. Ada tiga alasan mengapa studi tentang tegangan in situ pada massa batuan perlu dilakukan (Hudson, 2000) : a. Pada

massa

batuan

terdapat

kondisi

tegangan awal yang harus dimengerti , baik secara langsung maupun sebagai gambaran kondisi tegangan yang akan digunakan dalam analisis dan desain lubang bukaan .

massa batuan, dimana terjadi pemindahan

b. Saat dilakukan penggalian pada massa

sejumlah volume dari massa batuan, akan

batuan, ada kemungkinan kondisi tegangan

menyebabkan kondisi tegangan alamiah pada

berubah secara drastis.

massa batuan di sekitar lubang bukaan berubah.

Tegangan yang disebabkan oleh

c. Tegangan adalah besaran tensor dan tensor tidak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari.

aktivitas penggalian ini dikenal dengan istilah

Besaran

tegangan terinduksi (induced stress). Besarnya

memiliki nilai, arah, dan sangat tergantung

tegangan terinduksi dapat diketahui pada saat

pada bidang tempatnya bekerja.

3.

tensor

adalah

besaran

yang

FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI TEGANGAN IN-SITU Tegangan insitu suatu titik ditentukan oleh kondisi pembebanan material yang ada di atasnya

dan perubahan akibat proses geologi sebelumnya. Perubahan kondisi tegangan insitu dapat diakibatkan oleh beberapa hal yang antara lain berhubungan dengan perubahan suhu, serta proses kimia seperti leaching, penguapan, dan rekristalisasi mineral. Proses mekanik seperti terbentuknya rekahan, geseran antara bidang rekahan dan aliran viskoplastik dalam material akan menghasilkan kondisi tegangan yang komplek dan heterogen.

Mekanika Batuan Lanjut 2

2

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

Beberapa faktor yang mempengaruhi kondisi tegangan insitu menurut Brady dan Brown (1985) adalah (a) Topografi permukaan, (b) Erosi, (c) Tegangan sisa, (d) Inklusi, (e) Aktivitas tektonik, (f) Bidang diskontinu a. Pengaruh Topografi Permukaan Terhadap Distribusi Tegangan

Kondisi tegangan pada suatu titik di bawah permukaan sangat dipengaruhi oleh beban material yang berada di atasnya. Semakin jauh titik tersebut dari permukaan, semakin besar tegangan yang diakibatkan oleh beban dari material yang berada di atasnya.

Gambar 1. Pengaruh Topografi Terhadap Distribusi Tegangan (Brady & Brown, 1985) b. Pengaruh Erosi Terhadap Distribusi

daripada kedalaman lapisan tanah penutup yang

Tegangan

tererosi.

Erosi pada permukaan tanah baik oleh air,

Pengukuran tegangan insitu di beberapa

angin, maupun es akan mengurangi kedalaman

daerah oleh Hoek & Brown (1978) juga

batuan pada suatu titik di bawah tanah, sehingga

membuktikan hal ini. Pada ilustrasi terlihat

tegangan vertikalnya menjadi lebih kecil. Proses

bahwa pada tempat-tempat yang relatif dangkal,

ini akan membawa pada suatu kondisi tegangan

nisbah

dengan nisbah tegangan horisontal dan vertikal

cenderung besar.

yang tinggi, khususnya di tempat-tempat yang

c. Pengaruh Tegangan Sisa Terhadap

horisontal

dan

vertikal

Distribusi Tegangan

dangkal. Analisis

tegangan

dari

permasalahan

ini

juga

Residual stress merupakan tegangan yang

menunjukkan bahwa rasio tegangan horisontal

masih tersisa, walaupun penyebab timbulnya

dan vertikal akan semakin kecil jika kedalaman

tegangan tersebut sudah tidak ada lagi. Sebagai

meningkat, mendekati nilai sebelum proses erosi

contoh, pada gambar 2(a) menggambarkan

terjadi di mana kedalamannya lebih besar

kondisi tegangan pada saat bidang lemah belum

Mekanika Batuan Lanjut 2

3

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

bergerak. Sedangkan gambar 2(b) menyatakan

dalam material. Sebagai contoh, pendinginan

kondisi tegangan sisa setelah terjadi proses

yang tidak merata dalam massa batuan dengan

pergerakan bidang lemah tersebut.

litologi yang berdekatan dan mempunyai

Fenomena ini disebabkan oleh beberapa hal. Love

(1944)

menyatakan

bahwa

proses

koefisien ekspansi termal yang berbeda akan menyebabkan tegangan yang terkunci (locked-in

pendinginan yang tidak merata dalam suatu

stress).

Selain

material dapat meyisakan tegangan dalam

mineralogi

material tesebut. Timoshenko dan Goodier

rekristalisasi lokal, perubahan kandungan air

(1970) mengungkapkan bahwa pada umumnya

dalam agregasi mineral karena absorpsi atau

tegangan sisa dapat ditimbulkan karena proses

proses.

lokal

pendinginan, dalam

perubahan

batuan

seperti

fisika dan kimia yang terjadi secara tidak merata

Gambar 2. Terjadinya Tegangan Sisa & Hubungan Nisbah Tegangan vs. Sesar (Herget,1988) Pada umumnya, tegangan sisa timbul berhubungan dengan adanya proses kimia atau fisika yang terjadi secara tidak merata (non-homogenous) pada suatu volume material yang terbatas, sehingga apabila dari proses tersebut terjadi penambahan volumetrik dan tidak ada ruang untuk penambahan tersebut, maka akan timbul tegangan yang terkunci pada material tersebut. Masalah tegangan sisa ini merupakan hambatan dalam memprediksi tegangan yang bekerja pada massa batuan. Mekanika Batuan Lanjut 2

4

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

d. Pengaruh Inklusi Terhadap Distribusi

tegangan dalam batuan induk di sekitar inklusi

Tegangan

menjadi

Inklusi dalam massa batuan adalah bagian

tegangannya relatif homogen (Savin, 1961)

yang secara litologi membuat umur batuan lebih

muda dari formasi batuan induknya.

Biasanya inklusi merupakan intrusi seperti dykes dan sill,

lebih

kecil

sehingga

kondisi

e. Pengaruh Aktivitas Tektonik Terhadap Distribusi Tegangan

Keadaan tegangan pada massa batuan dapat

serta veins seperti mineral

juga berasal dari gaya yang diakibatkan oleh

kuarsa dan fluor. Keberadaan inklusi secara

aktivitas tektonik. Tegangan yang berhubungan

vertikal mempengaruhi

dengan aktivitas tektonik ini bekerja secara

kondisi tegangan

dengan dua cara.

regional pada suatu area tertentu, dan bisa

Pertama, jika inklusi berada di bawah kondisi

dikorelasikan dengan adanya struktur geologi

tekanan yang berlawanan dengan kondisi

(sesar, lipatan) di sekitar area tersebut.

horisontal

f. Pengaruh Bidang Diskontinu Terhadap

batuan

di

sekitarnya,

maka

komponen tegangan yang tinggi akan terjadi

Distribusi Tegangan

tegak lurus bidang inklusinya.

Keberadaan bidang diskontinyu di dalam

Kemungkinan kedua dihubungkan dengan

massa

batuan

akan

mengganggu

perbedaan nilai modulus deformasi inklusi dan

kesetimbangan

tegangan

batuan di sekitarnya yang dapat diakibatkan

menyebabkan tegangan tersebut terdistribusi

oleh adanya aktivitas pembebanan. Sebagai

kembali

contoh adanya perubahan tegangan efektif

barunya.

untuk

mencari

dan

dapat

kesetimbangan

dalam batuan induk atau adanya perpindahan

Adanya bidang diskontinyu vertikal seperti

karena aktivitas tektonik dapat menyebabkan

ridge dapat diasosiasikan dengan rendahnya

perubahan tegangan dalam inklusi menjadi

tegangan horisontal yang bekerja di daerah

relatif lebih

rendah atau lebih tinggi

tersebut. Price (1966) menyatakan bahwa satu

dibandingkan batuan induknya. Inklusi yang

kelompok bidang diskontinyu dalam massa

relatif kaku (stiff) akan menyebabkan tegangan

batuan yang mempunyai orientasi, formasi dan

dalam inklusi menjadi lebih tinggi, begitu pula

perilaku yang sesuai dengan compressive

sebaliknya.

failure

Perbedaan modulus deformasi antara inklusi

erat

tegangan

kaitannya yang

dengan

dapat

sifat-sifat

menyebabkan

dan batuan induk akan membuat gradien

perkembangan bidang diskontinyu. Kondisi

tegangan dalam batuan induk di sekitar inklusi

tegangan yang heterogen merupakan akibat

menjadi tinggi. Sebaliknya, jika modulus

alami

dari

adanya

proses

perlipatan,

deformasi inklusi relatif rendah, maka gradien

Mekanika Batuan Lanjut 2

5

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

pergeseran atau lucuran yang terjadi pada bidang-bidang perlapisan batuan.

4.

PENGUKURAN IN-SITU Pengukuran tegangan insitu bertujuan untuk mengetahui keadaan tegangan di dalam massa

batuan serta menentukan parameter-parameter penting guna mengetahui perilaku massa batuan di tempat asalnya. Tegangan residual dan tektonik yang kemungkinan ada dalam massa batuan dapat merubah keadaan tegangan yang ada. Oleh karena itu keadaan tegangan yang sebenarnya dapat berbeda jauh sekali dengan keadaan tegangan yang dihitung secara teoritis. Teori hanya dapat memberikan perkiraan besaran intensitas dari tegangan yang ada. Sedangkan pengukuran tegangan insitu dapat memberikan keterangan mengenai orientasi dan besarnya tegangan pada massa batuan yang ada di bawah tanah

4.1. PENDEKATAN TEORITIS Pada umumnya, tanpa pengukuran

Berdasarkan hasil pengukuran tegangan vertikal di beberapa negara, Hoek & Brown

tegangan in situ secara langsung di lapangan,

pada

tahun

1978

menyatakan

bahwa

perancangan lubang bukaan dilakukan hanya

pendekatan nilai tegangan vertikal pada massa

berdasarkan tegangan vertikal ( σv) dan

batuan (gambar 3) dapat dilakukan dengan

tegangan horisontal (σh) yang bekerja pada

persamaan :

massa batuan. Besarnya tegangan vertikal pada massa batuan dengan kedalaman tertentu tertentu adalah sama dengan berat per satuan luas dari batuan yang berada di atasnya. Secara teoritis tegangan vertikal tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :

Dimana, 𝜎𝑧 = tegangan vertikal (MPa) z = kedalaman (m) Sedangkan tegangan horisontal pada umumnya dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

Dimana, ρ = rapat massa batuan (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s 2) z = kedalaman (m) γ = berat satuan batuan (N/m3)

Dimana, k adalah faktor pembanding antara tegangan horisontal dan tegangan vertikal.

Mekanika Batuan Lanjut 2

6

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

Terzhagi dan Richart (1952) menyatakan bahwa untuk batuan elastik, homogen, dan isotrop, nilai k dapat dihitung dengan persamaan berikut :

Dimana, v adalah nisbah Poisson dari massa batuan. Pendekatan ini terbukti tidak akurat sehingga telah jarang digunakan pada saat ini . Menurut Heim (1912), untuk kedalaman yang besar (lebih dari satu kilometer) keadaan tegangan akan menjadi hidrostatik (k = 1), sehingga berlaku kondisi dimana besar tegangan vertikal sebanding dengan tegangan horisontal (𝜎ℎ =𝜎𝑣 ). Ini dikarenakan batuan cenderung tidak mampu untuk menahan perbedaan tegangan yang sangat tinggi dalam arah yang berbeda, sehingga akan terjadi retakan, plastisitas, dan rayapan pada batuan yang dapat mengurangi perbedaan yang besar dari tegangan vertikal dan tegangan horisontal. Pengukuran tegangan horisontal pada terowongan sipil dan tambang di seluruh dunia menunjukkan bahwa nilai k cenderung tinggi pada kedalaman yang kecil. Tegangan horisontal hasil pengukuran cenderung lebih besar dari pada tegangan vertikalnya, sedangkan pada perhitungan teoritis nilai tegangan horisontal selalu lebih kecil daripada tegangan vertikal. Pada kedalaman kurang dari satu kilometer keadaan tegangan tidak bisa dianggap hidrostatis, sehingga nilai k tidak sama dengan satu. Pada kedalaman ini, pendekatan nilai k dengan persamaan [4] juga tidak dapat dilakukan. Hoek dan Brown mengusulkan pendekatan nilai k untuk kedalaman kurang dari satu kilometer berdasarkan pengukuran tegangan in situ pada beberapa lokasi (gambar 4) yang dinyatakan dengan persamaan :

Analisis lebih lanjut berdasarkan persamaan [5] yang menyatakan bahwa rasio tegangan 𝜎

horisontal dan tegangan vertikal ( 𝜎ℎ ) adalah fungsi dari kedalaman (z) dilakukan oleh Herget pada 𝑣

tahun 1988 (gambar 5). Dengan menggunakan data tegangan in situ pada beberapa lokasi di Kanada, Herget menyatakan bahwa pendekatan nilai tegangan in situ di Kanada dapat dilakukan dengan persamaan :

Mekanika Batuan Lanjut 2

7

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

Gambar 3. Pengukuran Tegangan Vertikal pada Kedalaman Tertentu di Bawah Permukaan Bumi (Hoek & Brown, 1980)

Gambar 4. Variasi Perbandingan Antara Tegangan Horisontal dan Tegangan Vertikal pada Kedalaman Tertentu di Bawah Permukaan Bumi (Hoek & Brown, 1980)

Gambar 5. Rasio Tegangan Sebagai Fungsi Kedalaman Versi Hoek & Brown vs Herget Pada Beberapa Lokasi Di Kanada (Herget, 1988) Seperti telah ditunjukkan sebelumnya, dapat dilakukan pendekatan secara teoritis terhadap nilai tegangan vertikal dan hori sontal serta hubungannya dengan kedalaman untuk suatu wilayah. Data tegangan in situ hasil pengukuran pada beberapa tempat dalam wilayah tersebut adalah dasar bagi pendekatan nilai tegangan vertikal dan horisontal secara teoritis

4.2. PENGUKURAN TEGANGAN IN SITU MELALUI PENGUJIAN Besar dan arah tegangan insitu pada massa batuan secara lebih akurat dapat ditentukan dengan melakukan pengujian pada massa batuan maupun contoh batuan. Uji tegangan in situ dapat dilakukan dengan dua cara yaitu secara langsung (pengujian di lapangan) maupun secara tidak langsung (dengan uji di laboratorium).

Mekanika Batuan Lanjut 2

8

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

4.2.1. PENGUJIAN LANGSUNG TEGANGAN IN SITU Pengujian in-situ langsung yang direkomendasikan oleh ISRM (Kim & Franklin, 1987) adalah dengan menggunakan :  Metode Flat jack  Metode hydraulic fracturing  The United States bureau of mines (USBM) overcoring torpedo  The Commonwealth scientific and industrial research organization (CSIRO) overcoring gauge

Pada metoda pengukuran secara langsung (direct method), data untuk perhitungan tegangan in situ didapatkan melalui uji langsung terhadap massa batuan ( rock mass) di lapangan.

Gambar 6. Pengujian tegangan in-situ menggunakan metode overcoring

Gambar 7. Tensor Tegangan Hasil Metode Pengukuran Tegangan In-situ (ISRM, Hudson & Harisson,2000)

Mekanika Batuan Lanjut 2

9

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

A. METODE FLAT JACK Metode flat jack adalah metode pengukuran langsung dan in-situ yang hanya membutuhkan pembuatan slot pada dinding. Hal ini dianggap tidak merusak karena kerusakan bersifat sementara dan mudah diperbaiki setelah pengujian. Pengujian flat jack dapat digunakan untuk masalah teknik guna mengevaluasi struktur,dimana metode ini juga digunakan untuk menentukan insitu stress dan compressive strength. Oleh karena itu pengukuran flat jack adalah suatu teknik pengukuran yang sifatnya insitu test atau langsung di lapangan yang bertujuan untuk mengetahui stress dan deformasi struktur batuan pada trowongan dan tambang. A.1. Hipotesa Interpretasi

dari

hasil

pengukuran

tegangan dengan flat jack berdasarkan hipotesa berikut:  Perilaku batuan adalah elastik reversible, tidak perlu linier dan batuan homogen  Tegangan pada dinding batuan tidak dipengaruhi oleh proses penggalian.  Tegangan yang diukur tegak lurus dengan potongan yang dibuat atau tegak lurus dengan flat jack.

Kelebihan metode flat jack:  Pengukuran dilakukan setelah bukaan atau penggalian.  Pengujiannya sederhana dan relatif murah.  Non destruktif (kerusakan sifatnya sementara dan dapat diperbaiki).  Moving alat dapat dilakukan dengan mudah. Kelemahan metode flat jack  Dapat terjadi kesalahan dalam pembacaaan hasil pengukuran karena pembacaan dilakukan secara manual  Pengukuran dilakukan pada batuan yang tidak solid lagi (akibat pengaruh proses penggalian), maka hasil pengukuran yang didapat tidak representatif.

A.2. Pengukuran Metode ini didasarkan pada prinsip pelepasan tegangan parsial dan melibatkan penghilangan tekanan lokal, yang di ikuti dengan pengontrolan kompensasi tegangan. Tahapan pengukuran flat jack adalah sebagai berikut:  Titik-titik pengukuran yang berupa baut besi dipasang dengan jarak 10cm, masing-masing L1, L2, dan L3  Buat potongan pada batuan dengan bantuan gergaji intan yang besarnya hampir sama dengan ukuran flat jack  Titik-titik pengukuran diukur jaraknya. Sesudah pengukuran selesai, ke dalam potongan dimasukkan flat jack yang berupa 2 lembar potongan baja yang dijadikan satu dengan mengelas ujungnya.

Mekanika Batuan Lanjut 2

10

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

 Flat jack dipompa dengan pompa hidrolik sampai ΔL1, ΔL2, dan ΔL3 menjadi nol. Dalam kondisi ini tekanan didalam flat jack sama dengan tegangan yang dibebaskan yang merupakan tegangan yang berada pada massa batuan Telah disebutkan bahwa kekurangan dari pengukuran flat jack ini adalah hasil pengukurang yang kurang representatif, oleh karena itu hal ini dapat diatasi dengan pengukuran pada kedalaman tertentu (pada batuan yang solid).

Gambar 8. Kurva Tegangan-Regangan Pada Uji Flat Jack

Gambar 9. Tahap Pengukuran Metode Flat Jack

Gambar 10. Pemasangan Flat Jack Dan Titik-Titik Pada Dinding Terowongan

Mekanika Batuan Lanjut 2

11

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

A.3. Dimensi dan Bentuk Flat Jack Flat jack berguna untuk mengevaluasi batuan yang biasanya terbuat dari stainless steel dengan lapisan dilas disepanjang tepinya. Flat jack dihubungkan port inlet. Dengan memasok cairan ke port, maka flat jack akan menekan. Beberapa flat jack dilengkapi hanya dengan satu port. Bentuk flat jack tergantung dari peralatan yang digunakan untuk membuat slot, Ukuran flat jack tergantung pada aplikasi, mulai dari beberapa sentimeter hingga lebih dari satu meter (Gambar 11).

Gambar 11. Bentuk Flat Jack

Gambar 12. Peralatan Untuk Melakukan Pengukuran Tegangan In-Situ Dengan Metode Flat Jack

Untuk pengujian stress, standar ASTM membutuhkan dimensi A harus sama atau lebih besar dari panjang B yaitu 8 in (20,3 cm). Lebar flat jack (dimensi B ) harus tidak kurang dari 3 in (7,6 cm). Menurut RILEM, baik untuk pengujian stress dan uji deformabilitas. Jika flat jack adalah persegi panjang maka panjangnya harus sama dengan dua kali lebar.

B.

METODE HYDRAULIC FRACTURING Metode ini dapat mengukur tegangan in‑situ di dalam massa batuan dengan cara menguji

perilaku rekahan yang sudah ada atau rekahan yang baru dibentuk dengan injeksi air sampai tekanan yang diperlukan untuk membuka kembali rekahan tersebut di dalam sebuah lubang bor.

Mekanika Batuan Lanjut 2

12

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

Analisa dari data yang didapat (berupa debit air dan tekanannya) dapat menentukan besarnya tegangan normal yang ada pada rekahan yang diuji. Dengan melakukan pengujian pada berbagai rekahan yang ada di dalam massa batuan maka keadaan tegangan di dalam massa batuan dapat diketahui. Kelemahan hydraulic fracturing adalah tidak dapat melakukan pengukuran dengan presisi (ketelitian) yang tinggi dan tidak dapat mengukur tegangan yang kecil. B.1. Peralatan yang digunakan Metode yang umum digunakan adalah double packer di dalam lubang bor tanpa casing. yaitu mengisolir bagian dari lubang bor yang akan diuji dengan dua buah packer (gambar 13). Panjang dari bagian lubang bor yang diisolir biasanya antara 70 cm sampai dengan 1 m, tetapi dapat juga 5 atau 10 m. Diameter lubang bor agar packer dapat dimasukkan adalah antara 60 sampai dengan 120 mm dan batuan harus mempunyai kekuatan yang cukup. Packer tersebut dapat bekerja sampai tekanan 40 MPa dan dikembangkan dengan pompa tekanan tinggi (debit kecil).

a

b

Gambar 13. (a) Sistem Double Packer Untuk Uji Hydraulic Fracturing Di Dalam Lubang Bor. (b) Peralatan Yang Digunakan Untuk Uji Hydraulic Fracturing Skala Kecil Ke dalam lubang bor yang sudah diisolir diinjeksikan fluida (pada umumnya air) dengan menggunakan pompa tekan tinggi (pompa tripleks). Tekanan air dapat mencapai puluhan MPa. Pengendalian fracturing adalah dengan melihat debit dan tekanan yang diberikan oleh indikator analogik atau numerik dan pencatatan di kertas (pencatat 6 jalur). Analisis dari hasil yang diperoleh memerlukan keterangan dari orientasi rekahan yang sudah ada maupun rekahan yang baru dibuat. Orientasi rekahan tersebut diketahui dengan cara mengambil gambar dengan suatu alat (sistem Pajari) maupun memasukkan kamera TV ke dalam lubang bor. Mekanika Batuan Lanjut 2

13

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

B.2. Kurva Tipe Perekahan

Gambar 14. Skema Dari Dua Tipe Perilaku Batuan Pada Saat Hydraulic Fracturing Dari gambar 14 dapat dibedakan beberapa tekanan yang diukur, yaitu:  Tekanan perekahan (fracturing – yang mempunyai hubungan dengan kuat tarik batuan), Pfr.  Tekanan pertambahan besar, Pc.  Tekanan penutupan sesudah popmpa injeksi dihentikan, Pf. Kurva memberikan puncak (peak) dari tekanan pembukaan kembali yang kurang dari puncak tekanan perekahan, bahkan puncak tersebut tidak ada. B.3. Mekanisme Pengujian Hydraulic Fracturing Pengujian dengan metode Hydraulic Fracturing memanfaatkan rekahan yang terbentuk akibat proses penekanan hidrolik yang terjadi tegak lurus tegangan prinsipal minimum. Sebelum penekanan, tegangan di dalam batuan berada dalam kondisi setimbang (Gambar 15, tahap 1). Selama pengujian terjadi aliran fluida hidrolik (qw) dan ketika terjadi penekanan, tekanan fluida hidrolik akan meningkat dan menekan dinding lubang bor secara merata hingga dinding lubang bor pecah pada bagian yang mempunyai kuat tarik paling lemah, kemudian fluida hidrolik akan masuk ke dalam batuan dan mengisi rekahan yang terbentuk karena penekanan (Gambar 15, tahap 2). Tekanan pecah inilah yang disebut sebagai breakdown pressure (Pb). Sesaat setelah batuan pecah, tekanan fluida hidrolik pada lubang bor akan menurun karena penjalaran rekahan yang tidak stabil dan fluida hidrolik mengisi rekahan yang terbentuk tersebut. Selanjutnya injeksi fluida hidrolik dihentikan dan aliran ditutup

Mekanika Batuan Lanjut 2

14

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

dengan menutup katup pompa. Kondisi pompa dibiarkan tetap dalam keadaan tersekat hingga fluida hidrolik mengisi rekahan yang terbentuk. Pada saat rekahan sudah terisi penuh fluida, tekanan mulai konstan dan disebut dengan shut in presesure (Ps) seperti yang terlihat pada Gambar 15, tahap 3. Rekahan yang terbentuk dalam kondisi ini akan tetap dalam keadaan terbuka karem tetap ditahan oleh tekanan fluida hidrolik dalam interval uji yang masih ada karena tekanan tidak dibebaskan. Selanjutnya katup pompa dibuka kembali untuk membebaskan tekanan sehingga tekanan turun hingga nol dan siklus pertama pengujian selesai. Pada lubang bor vertikal, diasumsikan tegangan vertikal adalah tegangan maksimum dan rekahan yang terbentuk tegak lurus tegangan maksimum. Dengan demikian, bidang rekahan yang terbentuk merupakan bidang normal dari tegangan horisontal minimum (𝜎ℎ ), dan arahnya sama dengan tegangan horisontal maksimum (𝜎ℎ ). Karena Ps bekerja pada bidangan rekahan yang terjadi, maka besarnya nilai Ps sama dengan tegangan horisontal minimum. Setelah siklus pertama selesai, siklus kedua dimulai untuk mendapatkan nilai reopening pressure (Pr). Pada siklus ini, rekahan sudah terbentuk, sehingga kuat tarik minimum di dinding lubang bor sama dengan nol. Fluida hidrolik diinjeksikan kembali seperti siklus sebelumnya, dan tekanan akan kembali meningkat hingga cukup tinggi untuk membuka kembali rekahan yang telah tertutup. Ketika rekahan mulai terbuka masuk ke dalam rekahan (Gambar 15, tahap 4). Tekanan pada saat kemiringan kurva mulai berubah disebut dengan reopening pressure (Pr). Setelah beberapa saat, pemompaan dihentikan kembali untuk mendapatkan tekanan shut-in. Siklus-siklus selanjutnya dilakukan dengan cara yang sama untuk memperoleh rekahan yang bisa direkam dengan menggunakan borehole camera ataupun impression packer.

Gambar 15. Mekanisme Pecahnya Batuan Dalam Metode Hydraulic Fracturing Mekanika Batuan Lanjut 2

15

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

C. METODE OVERCORING Prinsip dari metode overcoring adalah membebaskan seluruh tegangan yang ada di massa batuan dengan cara overcoring. Kemudian deformasi pada batuan yang disebabkan oleh dibebaskannya tegangan tersebut diukur, dengan menggunakan sel. Dengan diketahuinya karakteristik deformasi batuan (dari uji laboratorium) maka keadaan tegangan in‑situ di dalam batuan dapat dihitung. Hipotesa dari pengujian ini adalah Batuan homogen dengan perilaku elastik reversible. C.1. Pengukuran

Perpindahan yang merupakan fungsi dari

Mengukur arah dan besarnya tiga

tegangan dapat dihitung dengan rumus‑rumus

tegangan utama pada sebuah titik yang

yang banyak dibuat oleh para peneliti dan tiap

ditentukan. Pengukuran tegangan dengan

rumus berlaku untuk sel tertentu yang

metode overcoring audalah pengukuran secara

digunakan.

tidak langsung. Tegangan akan dibebaskan

elatisitas linier dan isotrop, maka perpindahan

dengan pemboran overcoring yang akan

atau tegangan yang diukur hanya pada dinding

memisahkan inti batuan yang telah dipasang sel

lubang bor, artinya p=r dimana r adalah jari-jari

tertentu dari massa batuan (Gambar 16).

lubang bor.

Dengan

menggunakan

teori

Gambar 16. Sistem tegangan yang ada di dalam massa batuan

Mekanika Batuan Lanjut 2

16

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

Untuk sel dari University of Liege (Belgia) yang dapat mengukur perpindahan radial dan longitudinal diperoleh hubungan sederhana sebagai berikut  Perpindahan Longitudinal

7

 Perpindahan Radial

8

C.2. Sel Yang Mengukur Tegangan Dengan Extensometer Gauge

diameter 76mm sampai mencapai kedalaman 300m.

 Leeman dan Hayes pada tahun 1966 mempublikasikan prinsip pengukuran

C.3. Sel yang mengukur perpindahan  Sel

yang

hanya

mengukur

dan teori dari sel yang dilengkapi

perpindahan radial, yang dikenal

sengan extensometer gauge yang

dengan sel USBM (US. Bureau of

berupa tiga rosette.

Mines). Sel tersebut memerlukan

 Sel CSIRO (Commonwealth Scientific &

lubang bor dengan diameter 38 mm

Industrial Research Organization). Sel

dan terdiri dari tiga pengukuran

ini digunakan untuk lubang bor yang

diameterikal dengan sudut 1200.

pendek (+10m) yang terbuat dari

 Sel yang mengukur perpindahan radial

permukaan tanah atau dari dalam

dan longitudinal yang dikembangkan

tanah (terowongan)

oleh F. Bonnechere dapat mengukur

 Sel dari Swedish State Power Board. Peralatan melakukan

yang

digunakan

overcoring

sekaligus perpindahan radial dalam

dapat

delapan titik pada empat diameter

dengan

dengan sudut 450 dan perpindahan longitudinal dalam delapan titik.

Mekanika Batuan Lanjut 2

17

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

Gambar 17. Deformasi Radial Dan Deformasi Longitudinal Pada Saat Overcoring

D.

METODE ROSETTE DEFORMASI Prinsip dari rosette deformasi adalah mengukur deformasi superficial pada sebuah permukaan

bebas di dinding massa batuan. Deformasi ini disebabkan oleh pembebasan tegangan atau variasi tegangan. D.1. Hipotesa

deformasi yang diukur dengan bantuan

Interpretasi dari hasil pengukuran tegangan

Hukum Hooke.

dengan metode ini berdasarkan pada hipotesa

D.2. Pengukuran

:

Titik-titik pengukuran sebanyak delapan

 Tegangan bidang (plane stress), yaitu tegangan

yang

tegak

lurus

bidang

dipasang

pada

lingkaran

yang

berdiameter 20 cm. Jarak antara titik-titik pengukuran tersebut diukur sampai ketelitian 1

pengukuran sama dengan nol.  Pembebasan

buah

total

mikron. Kemudian batuan di sekitar lingkaran

(seluruhnya). Perhitungan dengan metode

digergaji dengan menggunakan gergaji intan

elemen

bahwa

sedalam 20 cm, sehingga tegangan dibebaskan

diperlukan pemotongan sedalam 20 cm

total. Titik-titik pengukuran diukur lagi dan

untuk memperoleh pembebasan tegangan

perpindahan

total.

pembebasan tegangan dihitung. Tegangan

tegangan

hingga

adalah

menunjukkan

 Perilaku (behaviour) batuan adalah elastik

yang

disebabkan

oleh

didapat dari (Bonvallet, 1976) :

linier. Tegangan dihitung langsung dari

Mekanika Batuan Lanjut 2

18

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

9

Dimana, Ei = modulus deformasi untuk  = i ui = perpindahan radial untuk  = i r = jari-jari rosette = 10 cm v = nisbah Poisson Metode rosette deformasi sangat menarik karena pelaksanaannya cepat, tidak memerlukan peralatan yang canggih dan hasil yang didapat mendekati sebenarnya. Besar tegangan utama dapat dihitung, demikian juga arahnya terhadap sumbu x dan y dapat ditentukan.

Gambar 18. Metode Rosette Deformasi

Mekanika Batuan Lanjut 2

19

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

4.2.2. PENGUJIAN TIDAK LANGSUNG TEGANGAN IN SITU Pengujian tegangan in situ secara tidak langsung dapat dilakukan dengan metode :  Emisi Akustik (AE)  Deformation rate analysis (DRA)  Differential strain curve analysis (DSCA)  Anelastic strain relaxation (ASR)

Metode

pengujian

tidak

langsung

(indirect method), tegangan in situ diestimasi melalui perhitungan data hasil pengujian terhadap contoh batuan (intact rock) di laboratorium.

A. METODE EMISI AKUSTIK Emisi akustik adalah gelombang elastis frekuensi tinggi yang muncul karena adanya pelepasan energi yang cepat dari satu atau lebih sumber pada saat material mengalami proses pembebanan. Metode. Emisi Akustik menggunakan fenomena Efek Kaiser untuk menentukan tegangan yang pernah dialami batuan. Efek Kaiser adalah emisi akustik yang terdeteksi pada saat pembebanan mendekati atau melampaui tingkat tegangan yang pernah dialami contoh batuan. Tegangan yang ditentukan dari uji emisi akustik adalahtegangan searah lubang bor A.1. Prinsip Uji Emisi Emisi akustik berhubungan dengan energy gelombang elastic yang timbul karena mekanisme pembentukan, pergerakan, dan multiplikasi rekahan, proses friksi selama penutupan dan pembukaan rekahan, transformasi fasa propagasi rekahan mikro, deformasi material, tumbukan, dan pemadatan.

Gambar 19. Uji Emisi Akustik Mekanika Batuan Lanjut 2

20

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

A.2. Prinsip Dasar Perhitungan Tegangan Dalam Metode Emisi Akustik Sistem koordinat yang digunakan sebagai dasar perhitungan salah sistem koordinat ONEV (Origin, North, East, Vertical), dengan Zi adalah arah lubang bor (Gambar 20). Dari Gambar 20 dapat dilihat bahwa dalam pengujian emisi akustik, contoh batuan akan ditekan searah sumbu lubang bor Zi yang mempunyai kemiringan 𝛼 dan azimuth 𝛽. Tekanan yang diperoleh pada pengujian merupakan tegangan searah lubang bor (𝜎zi) Nilai 𝜎zi ini adalah tegangan pada saat efek Kaiser muncul. Dengan demikian, tegangan ini merupakan hasil transformasi dari komponen tegangan dalam sumbu ONEV.

Gambar 20. Posisi conto batuan uji emisi akustik dalam sistem koordinat ONEV (modifikasi Mizuta dkk, 1987)

B.

METODE DIFFERENTIAL STRAIN CURVE ANALYSIS (DSCA) Metode yang disebut Differential Strain Curve Analysis (DSCA) telah dikembangkan untuk

menentukan sumbu utama sebagai rasio nilai-nilai utama tegangan in situ oleh Strickland dan Ren (1980), Montgomery dan Ren (1981), dan Ren dan Roegiers (1983). DSCA merupakan perkembangan dari metode differential strain analysis (DSA) yang diusulkan oleh Simmons dan rekan-rekannya untuk memeriksa microcrack dalam sampel batuan (Simmoms dkk., 1974 Siegfried dan Simmons, 1978). Metode DSCA didasarkan pada asumsi bahwa inti batuan yang diambil dari kondisi terbatas lubang bawahnya akan berkembang secara proporsional ke medan tegangan in situ yang sudah ada sebelumnya. Pemuaian inti batuan terdiri dari pemuaian elastis dan tidak elastis yang mungkin disebabkan oleh mikrocracking. Asumsi ini menyatakan bahwa tidak hanya pemuaian elastisnya tetapi juga pemuaian inelastiknya harus sebanding dengan medan tegangan in situ. Seperti metode yang telah dilakukan oleh Horibe dan Kobayashi (1958), tekanan hidrostatik diaplikasikan pada inti batuan. Sebagai ganti dari pemanfaatan titik tekuk dalam kurva tekanan-regangan yang diamati, metode tersebut memperkirakan orientasi dan rasio komponen tegangan in situ dari pengukuran regangan inelastik. Mekanika Batuan Lanjut 2

21

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

C. METODE ANELASTIC STRAIN RELAXATION (ASR) Anelastic strain relaxation (ASR) merupakan metode pengukuran tegangan in-situ secara tidak langsung dengan memanfaatkan prinsip pemulihan regangan. Ketika inti bor dihilangkan dari massa batuan, maka batuan akan cenderung rileks dan mengembang dikarenakan hilangnya tekanan dari inti batuan. Pengukuran lapangan menunjukkan bahwa pembukaan dan propagasi microcracks biasanya disertai pemulihan regangan anelastik. Dengan mengukur pemulihan regangan (gambar 21), orientasi regangan utama dapat ditentukan. Dengan demikian orientasi tegangan utama juga dapat diperoleh. Namun, penentuan besar tegangan lebih sulit ditentukan dan model konstitutif untuk batuan harus digunakan. Metode ASR mengharuskan inti batuan berorientasi, yang mungkin akan mengeluarkan biaya yang besar. Metode ASR (tidak umum dilakukan) sebagian besar telah diuji pada lubang bor yang sangat dalam di mana metode hydraulic fracturing tidak mungkin atau terlalu mahal untuk dilakukan.

Gambar 21. Instrumen pengukuran Anelastic strain relaxation (ASR)

5.

KESIMPULAN  Tegangan Insitu merupakan tegangan alamiah yang bekerja di dalam massa batuan yang terdiri dari tegangan gravitasi, tegangan tektonik, dan tegangan termal  Beberapa faktor yang mempengaruhi kondisi tegangan insitu menurut Brady dan Brown (1985) adalah (a) Topografi permukaan, (b) Erosi, (c) Tegangan sisa, (d) Inklusi, (e) Aktivitas tektonik, (f) Bidang diskontinu

Mekanika Batuan Lanjut 2

22

PENGUKURAN TEGANGAN IN-SITU

MEKANIKA BATUAN LANJUT 2

 Pengukuran in-situ terbagi menjadi 2, yaitu melalui: Pendekatan teoritis dan pengukuran tegangan in situ melalui pengujian  Secara pendekatan teoritis, (tanpa melakukan pengukuran tegangan in situ secara langsung di lapangan perancangan lubang bukaan dapat dilakukan hanya berdasarkan tegangan vertikal ( σv) dan tegangan horisontal (σh) yang bekerja pada massa batuan.  Pengujian tegangan in-situ terbagi 2 yaitu metode langsung (direct method) dan metode tak langsung (indirect method)  Metode langsung terdiri atas Metode Flat jack, Metode hydraulic fracturing, Metode Overcoring dan Metode Rosette Deformasi  Metode tak langsung terdiri atas Emisi Akustik (AE), Deformation rate analysis (DRA), Differential strain curve analysis (DSCA), dan Anelastic strain relaxation (ASR).

[DAFTAR PUSTAKA] Brady, B.H.G., dan Brown, E.T., 2004, Rock Mechanics for Underground Mining Third Edition, USA: Springer Hudson, J.A. and Harrison, J.P., 1997, Engineering Rock Mechanics An Introduction to The Principles, Elsevier Science Ltd, United Kingdom Ljunggren, C, Chang, Y, Janson, T and Christiansson, R, 2003. An overview of rock stress measurement methods, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2003: 975-989. Nazri, Muhammad. Giatman, M. Analisis Kestabilan Lubang Bukaan Dengan Menggunakan Data Dari Alat Ukur Flat Jack Pada Dinding Tambang Bawah Tanah PT. Nusa Alam Lestari, Sawahlunto. Jurnal Bina Tambang. Vol. 3, No. 4: 1761-1770. Rai, M. A., Kramadibrata, S, dan Wattimena, R. K., 2014, Mekanika Batuan, Penerbit ITB, Bandung.

Mekanika Batuan Lanjut 2

23