![4 & 5 Sifat Fisik Dan Mekanik Batuan Utuh PDF [PDF]](https://pdfs.asia/img/200x200/4-amp-5-sifat-fisik-dan-mekanik-batuan-utuh-pdf.jpg)
5 0 13 MB
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 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
**
