4 & 5 sifat fisik dan mekanik batuan utuh

SIFAT FISIK DAN MEKANIK

BATUAN UTUH

MEKANIKA BATUAN

Romla Noor Hakim – Eko Santoso - Sari Melati

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 1


Efek Skala – Batuan Utuh – Massa Batuan

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.


Persiapan Pengujian



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

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

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.

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 rata-

rata 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.

Kekerasan Mineral



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:

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.


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 rata-

rata dari berbagai orientasi crystallographic.


Knoop vs. Mohs' Hardness &

Log Knoop vs. Mohs' Hardness


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

Kekerasan Mineral


Kekerasan Mineral

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


Kekerasan Mineral

Mineral Mohs' Scale Toughness

Talc 1 poor

Gypsum 2 poor

Calcite 3 poor to good

Malachite 3.5-4 poor

Fluorite 4 poor

Apatite 5 fair

Hornblende 5-6 poor to excellent

Lazulite 5 - 6 poor

Hematite 5.5-6.5 excellent

Orthoclase 6-6.5 poor

Mineral Mohs' Scale Toughness

Plagioclase 6-6.5 poor

Nephrite 6-6.5 exceptional

Peridot 6.5-7 fair to good

Quartz 7 good

Garnet 7 - 7 .5 fair to good

Tourmaline 7 - 7 .5 fair

Beryl 7.5- 8 good

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)

I. Uji Sifat Fisik


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

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


Udara (air)

Air (water)

Butiran (grain)

Pori (void)

Padatan

(solid)

Kondisi

Asli

(natural) Kondisi

Kering

(dry)

Kondisi

Jenuh

(saturated)

Konsep dasar pengujian –

Hukum Archimedes


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


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


• 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

Cara Pengujian


Parameter Sifat Fisik

density Water

WsWo

Wo

density True

density Water

WsWn

Wo

density Apparent

WsWw

Wwdensity Saturated

WsWw

Wodensity Dry

Ws-Ww

Wn density Natural

n - 1

n ratio Void

100% x Ws-Ww

Wo-Ww n -Porosity

100% x Wo-Ww

Wo- Wn saturation of Degree

100% x Wo

Wo-Ww content waterSaturated

100% x Wo

Wo- Wn content waterNatural

II. Uji Kecepatan Ultrasonik



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)


Peralatan dan Perlengkapan • PUNDIT (Portable Unit Non-

Destructive Digital Indicated

Tester), untuk mengukur waktu

tempuh gelombang ultrasonik

• Gemuk, untuk menutup pori-

pori di permukaan kontak

contoh

Cara Pengujian 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.


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

𝑣𝑠𝑣𝑝

2

2 1−𝑣𝑠𝑣𝑝

2

• Modulus Young dinamik (Edyn)

Edyn = 2 (1+) G

• Modulus Ruah (K dyn)

K dyn = 3 (3𝑣𝑝

2- 4𝑣𝑠2)

• Konstanta Lame ()

= (𝑣𝑝2- 2𝑣𝑠

2)

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


Contoh Hasil Uji Sifat Fisik

III. Uji Kuat Tekan Uniaksial



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

Manfaat


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

Spherical seat

Steel platen


Cara Pengujian

1. Contoh batuan diletakkan di

tengah-tengah pelat dasar alat uji.

2. Tiga unit dial gauge dipasang

untuk mengukur perpindahan

selama pembebanan, 1 unit untuk

mengukur perpindahan aksial, dan

dua unit lainnya untuk mengukur

perpindahan lateral.

3. 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.

4. Dial gauge diatur pada posisi nol.

5. Ketika jarum hitam pada alat pengukur

gaya mulai bergerak meninggalkan titik

nol, pembebanan aksial dimulai dan

stopwatch dihidupkan.

6. Deformasi aksial dan lateral dicatat

saat jarum hitam pada alat pengukur

gaya berada tepat di nilai-nilai tertentu,

tergantung estimasi kuat tekan batuan.

Mekanisme keruntuhan batuan menurut

Uji Kuat Tekan



Parameter Sifat Mekanik Batuan yang

Diperoleh dari Hasil Uji Kuat Tekan

• Kuat Tekan

Uniaksial

(c)

c = 𝐹

𝐴

• Modulus

Young (E)

• Nisbah

Poisson ()


Contoh Hasil Uji Kuat Tekan

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


e Axial (%)

(MPa)

σc

50% σc

Δε

Δσ

σYP

Secant

e Axial (%)

(MPa)

Δσ

σc σYP

Δε

Average

e Axial (%)

(MPa)

σc

Δε

Δσ

50% σc

σYP

Tangent

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%.

Penentuan Modulus Young


Modulus Young

Hubungan

Kekuatan dan

Deformabilitas

Batuan (Deere & Miller,

1966) (Bell, 1993)


Modulus Young


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:

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


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.


Nisbah Poisson

Batuan

H. Gercek. International

Journal of Rock Mechanics &

Mining Sciences 44/2007/1-13


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

Homogeneous Shear Combination Axial

& Local Shear Splintery & Onion Leaves & Buckling

Cataclasis Axial Splitting Cone Failure Homogeneous Shear


Kurva Tegangan

Regangan Untuk

Kekuatan vs.

Deformabilitas


Persamaan Konstitutif


Klasifikasi

UCS (MPa)

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

Kuat Tekan Uniaksial (UCS)


Strength

Classification UCS (MPa) Typical rock types

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 coarse-

grained 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

Classification of Rock Hardnesses

(Attewell & Farmer 1976)


Modulus Elastisitas & Nisbah Poisson Untuk

Batuan Isotropik Transversal (H. Gercek, 2006)


Modulus Elastisitas & Nisbah Poisson Untuk

Batuan Ortothropik (H. Gercek, 2006)


Kategori Nisbah Poisson


Nisbah Poisson Berbagai Batuan


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


Tipikal Kurva Tegangan Regangan

Batuan Kelas I & II


Karakteristik Kurva Tegangan Regangan Pasca

Runtuh untuk Batuan Lunak dan Batuan Kaku


Pengaruh Bentuk

pada UCS

Protodiakonov

c( = 2D) = 8 c

7 + 2

/ D

ASTM

c D( )

= c

0,778 + 0,222

/ D

L/D=2 L/D=2.5 L/D=3


Orientasi Contoh Batu Terhadap Bidang

Perlapisan


0

100

200

300

400

500

600

0 25 50 75 100 125 150 175

Diameter mm

UCS MPa

BASALTMAFIC

PORPHYRY

GMD-U8 Ore

GMD-U8 MULLOCK

Hoek & Brown (1980)

Pengaruh Skala pada UCS


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‟‟


Pengaruh Anistropik pada UCS

Devonian Slate & Graphitic Phyllite

(Brown et al, 1977 & Salcedo, 1983)


Pengaruh Anistropik UCS Pada Batuan

Schist

IV. Uji Kuat Geser



Memperoleh parameter uji kuat

geser untuk analisis kestabilan

lereng tambang terbuka

Manfaat

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)

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

Ilustrasi aplikasi Uji Kuat Geser


5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

10

15

20

25

30

35

40

45

50

ip ir

Fs

FN

Area

Displacement


Alat Uji Kuat Geser Langsung


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


Contoh Data

Hasil Uji Kuat

Geser

Perpindahan

geser (mm) Gaya geser, kg

Perpindahan normal

( x 0,01 mm )

Maju

Geser

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

Ba

lik g

eser

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

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


Natural shear strength

s = 217,02 + n tan 40,74o

R2 = 0,8767

p = 728,68 + n tan 44,28o

R2 = 0,9368

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Normal strength (kPa)

Sh

ear

str

en

gth

(k

Pa)

Puncak Sisa

Saturated shear strength

s = 108.64 + n tan 52,17o

R2 = 0.8903

p = 105,92 + n tan 57,25o

R2 = 0,9401

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800 1000

Normal strength (kPa)S

hear

str

en

gth

(k

Pa)

Puncak Sisa

Peak

Residual

Residual

Peak

Peak Peak

Contoh Hasil Uji Kuat Geser


Faktor Yang mempengaruhi Kuat Geser Batuan

Faktor Intrinsik

Kohesi

Sudut gesek dalam

Faktor Extrinsik (environmental factors)

Tegangan normal,

Pre-existing cracks,

Air,

Mineralogi contoh batuan,

Ukuran butiran,

Kekasaran bidang geser,

Laju perpindahan,

Ukuran contoh uji

Derajat kekompakan contoh batuan


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.


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.


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.


Keberadaan Material Pengisi Pada Rekahan am

plit

udo g

elo

mban

g

tebal

mat

eri

al p

engi

si

a

b

c

d

i

Filled discontinuity



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)


Pengukuran Sudut Kekasaran Permukaan

Geser Batuan (Patton,1966)

iII-1 iII-2iII-3iII-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.



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


p

n

(b)

i

Dx

(a)

m

Dy

n

p

ci

p

n

fi

i f

(c)

i h

σn

ks 0,5 Fp

Fp

F (kN)

Y

u (mm)

Pengaruh Kekasaran Bidang Geser pada

Sifat Kuat Geser

V. Uji Kuat Tarik



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)

Manfaat Uji Kuat Tarik (Tensile Strength)


Kuat Tarik Tak Langsung – Brazilian Test

t = Indirect tensile strength, MPa

D = Diameter, mm

F = Load, N

t = Thickness, mm

UTS << UCS

UCS/UTS = Toughness ratio = Brittleness Index

BI menaik kinerja rock cutting menjadi baik

πDt

F2σ t

Bottom Jig Brazilian

Top Jig Brazilian

Crack Tensile force Tensile force D


Kuat Tarik Langsung

Bonded End-pull Grip


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).

VI. Uji Triaksial


Keruntuhan Atap pada Lubang Tambang

Emas Bawah Tanah


Variasi Kondisi Tegangan Pengukungan


Uji Triaksial


Uji ini dimaksudkan untuk menentukan kekuatan batuan

utuh di dalam kondisi tegangan triaksial.

Data yang diperoleh dari uji ini dibutuhkan untuk

menentukan:

Selubung kekuatan (intrinsic curve)

Kuat geser ()

Sudut gesek dalam (f)

Kohesi (C)

Skematik Diagram Uji Triaksial


Uji Triaksial disertai Uji Kecepatan

Ultrasonik


PUNDIT (UV)

Pompa Tekan (3)

Sel Triaksial

Mesin Tekan (1)


Berbagai Tipe Sel Triaksial


Triaksial Sel

Von Karman (1911) Sel Triaksial

Hoek & Franklin (1968)

Uji Triaksial Konvensional


e

1 2

3

31 < 32 < 33 11 < 12 < 13

1 31

11

11

31

failure

2 32

12

12

32

3 33

13

13

33

Get sample out Get sample out

failure failure


Lingkaran Mohr &

Kurva Intrinsic

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

Normal Stress (MPa)

Sh

ear

Str

ess (

MP

a)

= 5.22 + N Tan 32.81 No

3

1

(MPa) (MPa)

1 1.00 22.61

2 2.00 25.70

3 3.00 29.34

f

= c + N Tan f

c

31

32

33 11

12 13

Kriteria Failure Hoek & Brown dan Ekivalen Mohr-Coulomb (TX-Konvensional)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

3 (MPa)

1 (

MP

a)

TXHB - KONV

TXMC - KONV

3 1-3

MPa MPa

0 72

50 159

100 248

200 418


Dredging Processes

Cutting Of Rock -

Prof. Ir. W.J.

Vlasblom (January

2007) dalam Rai

dkk (2014)

Pengaruh 3 Terhadap Perilaku

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik

Batuan Utuh

95

Perilaku Keruntuhan Menurut Kecepatan

Ultrasonik pada Uji Triaksial


Faktor Berpengaruh Pada Kurva Triaksial

– e


Pengaruh Suhu

5

500

1

3 (

MP

a)

1500

1000

25 °C

2000

1510

Regangan aksial (%)

500 °C

300 °C

800 °C

Pengaruh Strain Rate

98

Kwasnieski (1990)

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

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6

Strain (%)

Dev

iato

ric s

tress (

MP

a)

Granite (void ratio = 0.022)

Sandstone (void ratio = 0.163)

Applied 3 = 35 MPa

= 7 MPa

= 21 MPa

= 35 MPa

= 35 MPa

= 21 MPa

= 7 MPa

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 2 4 6 8 10 12

Longitudinal strain (%)

Dev

iato

ric

stes

s (M

Pa)

air-dry specimen

wet specimen

specimen

3 = 20 MPa

Schwartz (1964)

Tekanan air pori mempunyai sedikit pengaruh

pada kekuatan batuan jika angka pori spesimen

batuan kurang < 0,02.

Pengaruh Air Pada Kurva Triaksial e


150

100

tekanan

aksial

(MPa)

50

regangan aksial (%)

1 2

55.2

69.0

62.1

41.4

0

27.6

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


Pengaruh arah bidang lemah terhadap tegangan

deviatorik (Donath, 1972; Mc Lamore & Gray 1967; Brown et. 1977)


Pengaruh Tekanan Pemampatan

Terhadap Sudut Fraktur


Metode Tak Langsung Menentukan UCS & UTS

= 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)

b 2 )cos-(2

1)(

2

13131n

b 2)sin -(2

131

f

ff

sin -1

cos 2c)sin (131

f

f

sin -1

cos 2cc

f

f

sin 1

cos 2ct


Uji Triaksial Metode Multistage

11 < 12 < 13 31 < 32 < 33

a1

a2

a3

n

X detik

X + a detik

X + n detik Pembebanan dihentikan

e

1

2

3

Titik terminasi

1 31

11

11

31

Tepat

akan

failure

1 32

12

12

32

Tepat

akan

failure

1 33

13

13

33

failure

pembebanan dihentikan

Sample tidak dikeluarkan

pembebanan dihentikan

Sample tidak dikeluarkan


Kurva Tegangan Aksial – Regangan Aksial – Kecepatan Ultrasonik

Hasil Uji Triaksial Multitahap Andesit Baleendah

Pengaruh Stress Paths pada Uji Triaksial

Multitahap (Melati, 2014)


Uji Triaksial Tekanan pemampatan (MPa)

8 12 16 20 24

Konvensional 175.35 222.56 272.25 327.56 347

Multitahap I contoh A 161.07 229.90 263.38 297.23 365.87

contoh B 169.91 221.77 270.45 316.55 335.21

Multitahap II contoh A 164.13 213.04 243.96 280.85 316.22

contoh B 170.68 201.58 232.49 263.37 337.80


Uji triaksial C (MPa) f (°) c (MPa) k y (°)

Konvensional 13.39 56.74 89.62 11.21 84.90

Multitahap I 13.65 56.30 90.17 10.90 84.76

Perbedaan relatif (%) 2.00 -0.77 0.61 -2.71 -0.17

Multitahap II 14.33 54.23 88.81 9.60 84.05

Perbedaan relatif (%) 7.07 -4.43 -0.91 -14.34 -1.00

Kriteria Mohr-Coulomb Andesit Baleendah


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

Kriteria Hoek-Brown Andesit Baleendah

Kriteria Failure Bieniawski

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik

Batuan Utuh

108

Kriteria failure Bieniawski I

multistage terhadap konvensional

0

1

2

3

4

5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

3/c

1/

c


Regresi linier Modulus Young

terhadap tekanan pemampatan

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

E = 7,45 GPa = konstan

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

E = 7,87 GPa = konstan

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30 35

Tekanan Pemampatan, 3 (MPa)

Mo

du

lus Y

ou

ng

, E

(G

Pa

)

Pengaruh Tekanan Pemampatan Terhadap

Modulus Young


Pengaruh 3 Pada

Kurva - e


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.


5 Tipe Pecah Batuan Akibat Pembebanan

Triaksial (Griggs & Handin, 1960)


Homogeneous Shear & Local Shear

VII. Uji Indeks – Point Load Test



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

Point Load Index (PLI)


Tipe & Syarat Contoh Batuan Uji PLI

(ISRM, 1985)

L

P

D

W

L > 0,7D

a. Uji Diametrikal

D

D/W = 1.1 ± 0.05

b. Uji Aksial

D

L

W1

W2

D/ W =1.0 – 1.4

W = (W1+W2)/2

L > 0,5D

P

P

P

P P

Peralatan



Tipikal Model Failure Untuk Valid

dan Invalid Test

Valid diametrical test

Valid axial test

Valid block test

Invalid core test Invalid axial test


Point Load Index

2sD

FI

2s(50)D

FkI

45.0

50

D k

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


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

R4

Very

Strong

100-250 4-10 40-50

Requires many blows of a

geological hammer to break intact

rock specimens

Amphibolite, sandstone, basalt,

gabbro, gneiss, granodiorite,

limestone, marble rhyolite, tuff

R3

Strong 50-100 2-4 30-40

Hand held specimens broken by a

single blow of a geological

hammer

Limestone, marble, phyllite,

sandstone, schist, shale

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

VIII. Uji Indeks – ISI, BPI, Schmidt

Hammer



ISI (Evans & Pomeroy, 1966) & uji Protodyakonov adalah sejenis.

Uji ISI menggunakan peralatan khusus

Contoh batu:

ukuran 0.95 - 0. 32 cm

berat 100 gram

dipukul dengan piston sebanyak 20 kali

sisa batuan berukuran semula ditimbang dan sama dengan ISI

Impact Strength Index (ISI)


Block Punch Index (BPI)

a. Contoh Sebelum Runtuh b. Contoh Setelah Runtuh

Keterangan

1. Punch Block 4. Contoh batuan sebelum runtuh

2. Rangka Bawah 5. Contoh batuan setelah runtuh

3. Penjepit

1

2

3

4

4

F (kN)

5

5


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 = Beban runtuh (N)

A = Luas bagian runtuh (mm2)

r = Jari-jari contoh (mm)

K = Lebar BPI = 15 mm

t = tebal contoh (mm)

5,02

2

2

Krt4

FBPI

Block Punch Index (BPI)


Schmidt Hammer

Ada 2 tipe untuk batu dan beton: L & N. Energi impak (EI) tipe L = 0,735 J =

1/3 EI tipe N & dimensinya juga lebih besar.

Tipe L untuk uji contoh batuan silinder & tipe N untuk contoh batuan besar;

blok batuan / langsung pada massa batuan.

Terdiri dari piston yang dikombinasikan dengan per. Piston secara otomatis

terlepas dan menumbuk permukaan kontak dengan batuan ketika hammer

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

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

relatif ke arah bawah menghasilkan nilai pantul < daripada menekan hammer

ke arah atas. Gaya gravitasi akan menghambat pantulan piston pada saat

hammer ditekan ke arah bawah sebab arah pantul dari piston berlawanan

arah dengan gaya gravitasi.

Perlu dikalibrasi dengan melakukan 10x pembacaan pada anvil standar.

1

2

3

Keterangan

1. Contoh batuan

2. Impact Plunger

3. Indikator angka pantul

1. Contoh batuan

2. Impact plunger

3. Indikator angka pantul


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


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)

Ulusay & Gokceoglu (1998)

Rivai (2001)

c= 6,1BPI – 3,3

c = 5,5BPIc

c = 7,13BPIc

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

batu pasir, batu lempung, batu lanau, batu andesit


Joint Condition

Joint Strength

Estimate of JCS

Based on Schmidt

Hammer & SW of

Rock

Schmidt Hammer – L type hammer

Ham

me

r D

ire

cti

on

S

pec

ific

We

igh

t o

f R

ock

- k

N/m

3

Un

iax

ial C

om

pre

ss

ive

Str

en

gth

of

Jo

int

- M

Pa

Range of Average UCS of Rocks - MPa

UCS = 1.058 R - 5.189

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

15 20 25 30 35 40

Un

iax

ial

Com

pre

ssiv

e S

tren

gth

, M

Pa

R Schmidt Hammer (Rebound Value)


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

2. Kidybinski, 1968

3. Beverly et al., 1979

4. Haramy & DeMarco, 1985

5. Cargill & Shakoor, 1990

5.1. batu pasir

5.2. karbonat

6. Kahraman, 2001

1. c = 6,9 ×10(0,16+0,0087Rn)

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

3. c = 12,74e(0,0185Rn)

4. c = 0.094Rn – 0,383

5.1. c = e(0,043Rnd + 1,2)

5.2. c = e(0.018Rnd + 2,9)

6. c = 6,97e(0,014Rn)

1. -

2. -

3. -

4. batu bara

5. sedimen, metamorf

6. tiga jenis batuan

L

-

L

L

L

N

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.

4 & 5 sifat fisik dan mekanik batuan utuh

Documents