4 & 5 sifat fisik dan mekanik batuan utuh
Post on 12-Feb-2016
402 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
SIFAT FISIK DAN MEKANIK
BATUAN UTUH
MEKANIKA BATUAN
Romla Noor Hakim – Eko Santoso - Sari Melati
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 1
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 2
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.
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 3
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 4
Persiapan Pengujian
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 5
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 6
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 7
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 8
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 9
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 10
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.
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 11
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.
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 12
Knoop vs. Mohs' Hardness &
Log Knoop vs. Mohs' Hardness
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 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
Kekerasan Mineral
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 14
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 15
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 16
Manfaat
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 17
• 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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 18
Udara (air)
Air (water)
Butiran (grain)
Pori (void)
Padatan
(solid)
Kondisi
Asli
(natural) Kondisi
Kering
(dry)
Kondisi
Jenuh
(saturated)
Konsep dasar pengujian –
Hukum Archimedes
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 19
Konsep dasar pengujian –
Hydrostatic Weighing
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 20
Perbandingan densitas benda terhadap densitas fluida :
Densitas benda yang dibenamkan relatif terhadap densitas fluida dapat
dihitung tanpa melakukan pengukuran terhadap volumenya
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 21
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 22
• 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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 23
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 24
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 25
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)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 26
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.
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 27
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 28
Contoh Hasil Uji Sifat Fisik
III. Uji Kuat Tekan Uniaksial
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 29
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 30
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 31
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 32
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 33
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 34
Parameter Sifat Mekanik Batuan yang
Diperoleh dari Hasil Uji Kuat Tekan
• Kuat Tekan
Uniaksial
(c)
c = 𝐹
𝐴
• Modulus
Young (E)
• Nisbah
Poisson ()
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 35
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 36
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 37
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 38
Modulus Young
Hubungan
Kekuatan dan
Deformabilitas
Batuan (Deere & Miller,
1966) (Bell, 1993)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 39
Modulus Young
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 40
Modulus Young
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 41
Modulus Young
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 42
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 43
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.
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 44
Nisbah Poisson
Batuan
H. Gercek. International
Journal of Rock Mechanics &
Mining Sciences 44/2007/1-13
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 45
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 46
Kurva Tegangan
Regangan Untuk
Kekuatan vs.
Deformabilitas
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 47
Persamaan Konstitutif
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 48
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)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 49
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)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 50
Modulus Elastisitas & Nisbah Poisson Untuk
Batuan Isotropik Transversal (H. Gercek, 2006)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 51
Modulus Elastisitas & Nisbah Poisson Untuk
Batuan Ortothropik (H. Gercek, 2006)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 52
Kategori Nisbah Poisson
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 53
Nisbah Poisson Berbagai Batuan
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 54
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 55
Tipikal Kurva Tegangan Regangan
Batuan Kelas I & II
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 56
Karakteristik Kurva Tegangan Regangan Pasca
Runtuh untuk Batuan Lunak dan Batuan Kaku
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 57
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 58
Orientasi Contoh Batu Terhadap Bidang
Perlapisan
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 59
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 60
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‟‟
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 61
Pengaruh Anistropik pada UCS
Devonian Slate & Graphitic Phyllite
(Brown et al, 1977 & Salcedo, 1983)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 62
Pengaruh Anistropik UCS Pada Batuan
Schist
IV. Uji Kuat Geser
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 63
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 64
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 65
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 66
Alat Uji Kuat Geser Langsung
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 67
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 68
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 69
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 70
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 71
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.
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 72
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.
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 73
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.
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 74
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 75
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)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 76
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.
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 77
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 78
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 79
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 80
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)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 81
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 82
Kuat Tarik Langsung
Bonded End-pull Grip
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 83
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 84
Keruntuhan Atap pada Lubang Tambang
Emas Bawah Tanah
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 85
Variasi Kondisi Tegangan Pengukungan
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 86
Uji Triaksial
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 87
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 88
Uji Triaksial disertai Uji Kecepatan
Ultrasonik
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 89
PUNDIT (UV)
Pompa Tekan (3)
Sel Triaksial
Mesin Tekan (1)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 90
Berbagai Tipe Sel Triaksial
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 91
Triaksial Sel
Von Karman (1911) Sel Triaksial
Hoek & Franklin (1968)
Uji Triaksial Konvensional
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 92
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 93
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 94
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 96
Faktor Berpengaruh Pada Kurva Triaksial
– e
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 97
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 99
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)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 100
Pengaruh arah bidang lemah terhadap tegangan
deviatorik (Donath, 1972; Mc Lamore & Gray 1967; Brown et. 1977)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 101
Pengaruh Tekanan Pemampatan
Terhadap Sudut Fraktur
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 102
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 103
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 104
Kurva Tegangan Aksial – Regangan Aksial – Kecepatan Ultrasonik
Hasil Uji Triaksial Multitahap Andesit Baleendah
Pengaruh Stress Paths pada Uji Triaksial
Multitahap (Melati, 2014)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 105
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 106
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 107
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 109
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 110
Pengaruh 3 Pada
Kurva - e
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 111
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.
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 112
5 Tipe Pecah Batuan Akibat Pembebanan
Triaksial (Griggs & Handin, 1960)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 113
Homogeneous Shear & Local Shear
VII. Uji Indeks – Point Load Test
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 114
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 115
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)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 116
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 117
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 118
Tipikal Model Failure Untuk Valid
dan Invalid Test
Valid diametrical test
Valid axial test
Valid block test
Invalid core test Invalid axial test
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 119
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 120
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 121
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 122
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)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 123
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 124
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)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 125
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 126
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 127
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 128
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)
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 129
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
Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh 130
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.
top related