KEMAMPUGARUAN BATUAN

TERHADAP UJI KUAT TEKAN

MEKANIKA BATUAN

Oleh :

HENYTIAH NOVIANTI

1209055076

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MULAWARMAN

SAMARINDA

2013

Mekanika batuan adalah salah cabang disiplin ilmu geomekanika. Mekanika

batuan merupakan ilmu yang mempelajari sifat-sifat mekanik batuan dan massa

batuan. Hal ini menyebabkan mekanika batuan memiliki peran yang dominan dalam

operasi penambangan, seperti pekerjaan penerowongan, pemboran, penggalian, peledakan

dan pekerjaan lainnya.

Batuan mempunyai sifat-sifat tertentu yang perlu diketahui dalam mekanika batuan dan dapat

dikelompokkan menjadi dua, yaitu :

- Sifat fisik batuan seperti bobot isi, berat jenis, porositas, absorpsi.

- Sifat mekanik batuan seperti kuat tekan, kuat tarik, modulus elastisitas, dan nisbah Poisson.

Terdapat beberapa jenis kekuatan batuan, yaitu :

- Kuat kompresif tak tertekan (uniaksial) yang diuji dengan suatu silinder atau

prisma terhadap titik pecahnya

- Kuat tarik (tensile strength) ditentukan dengan uji Brazilian dimana suatu

piringan ditekan sepanjang diameter atau dengan uji langsung yang meliputi tarikan

sebenarnya atau bengkokan dari prisma batuan.

- Kuat geser (shear strength) yang diuji secara langsung dalam suatu “shear box” atau

diukur sebagai komponen pecahan kompresi.

1. Uji Kuat Tekan Uniaksial (Uniaxial Compressive Strength)

Penekanan uniaksial terhadap contoh batuan selinder merupakan uji sifat mekanik yang paling

umum digunakan. Uji kuat tekan uniaksial dilakukan untuk menentukan kuat tekan batuan

(σt ), Modulus Young (E), Nisbah Poisson (v), dan kurva tegangan - regangan. Contoh

batuan berbentuk silinder ditekan atau dibebani sampai runtuh. Perbandingan antara

tinggi dan diameter contoh silinder yang umum digunakan adalah 2 sampai 2,5 dengan

luas permukaan pembebanan yang datar, halus dan paralel tegak lurus terhadap

sumbu aksis contoh batuan. Dari hasil pengujian akan didapat beberapa data :

a) Kuat Tekan Batuan (σc)

Tujuan utama uji kuat tekan uniaksial adalah untuk mendapatkan nilai kuat tekan

dari contoh batuan.

b) Modulus Young ( E ) 

Modulus Young atau modulus elastisitas merupakan faktor penting dalam

mengevaluasi deformasi batuan pada kondisi pembebanan yang bervariasi. Nilai

modulus elastisitas batuan bervariasi dari satu contoh batuan dari satu daerah geologi ke daerah

geologi lainnya karena adanya perbedaan dalam hal formasi batuan dan genesa atau

mineral pembentuknya. Modulus elastisitas dipengaruhi oleh tipe batuan,

porositas, ukuran partikel, dan kandungan air. Modulus elastisitas akan lebih besar

nilainya apabila diukur tegak lurus perlapisan daripada diukur sejajar arah perlapisan.

Terdapat tiga cara yang dapat digunakan untuk menentukan nilai modulus

elastisitas yaitu :

1. Tangent Young’s Modulus, yaitu perbandingan antara tegangan aksial dengan

regangan aksial yang dihitung pada persentase tetap dari nilai kuattekan. Umumnya diambil

50% dari nilai kuat tekan uniaksial.

2. Average Young’s Modulus, yaitu perbandingan antara tegangan aksial dengan

regangan aksial yang dihitung pada bagian linier dari kurvategangan- tegangan.

3. Secant Young’s Modulus, yaitu perbandingan antara tegangan aksial dengan regangan aksial

yang dihitung dengan membuat garis lurus dari tegangan nol ke suatu titik pada kurva

regangan-tegangan pada persentase yang tetap dari nilai kuat tekan. Umumnya diambil

50% dari nilai kuat tekan uniaksial.

c) Nisbah Poisson ( Poisson Ratio )

Nisbah Poisson didefinisikan sebagai perbandingan negatif antara regangan lateral dan regangan

aksial. Nisbah Poisson menunjukkan adanya pemanjangan ke arah lateral (lateral

expansion) akibat adanya tegangan dalam arah aksial. Pada uji kuat tekan uniaksial

terdapat tipe pecah suatu contoh batuan pada saat runtuh. Tipe pecah contoh

batuan bergantung pada tingkat ketahanan contoh batuan dan kualitas permukaan contoh

batuan yang bersentuhan langsung dengan permukaan alat penekan saat pembebanan.

Kramadibrata (1991) mengatakan bahwa uji kuat tekan uniaksial

menghasilkantujuh tipe pecah, yaitu :

- Cataclasis

- Belahan arah aksial (axial splitting)

- Hancuran kerucut (cone runtuh)

- Hancuran geser (homogeneous shear)

- Hancuran geser dari sudut ke sudut (homogeneous shear corner to corner)

- Kombinasi belahan aksial dan geser (combination axial dan local shear)

- Serpihan mengulit bawang dan menekuk (splintery union-leaves and buckling)

2. Uji Kuat Tarik Tak Langsung ( Brazilian Test )

Sifat mekanik batuan yang diperoleh dari uji ini adalah kuat tarik batuan (σt). Ada

dua metode yang dapat dipergunakan untuk mengetahui kuat tarik contoh batuan

di laboratorium, yaitu metode kuat tarik langsung dan metode kuat tarik tak

langsung. Metode kuat tarik tak langsung merupakan uji yang paling sering

digunakan. Hal ini disebabkan uji ini lebih mudah dan murah dari pada uji kuat tarik

langsung. Salah satu uji kuat tarik tak langsung adalah Brazilian test.

Secara umum, aplikasi geomekanika dalam dunia pertambangan adalah :

- Rancangan peledakan

- Perencanaan penambangan

- Perhitungan beban dan analisis regangan

- Analisis kemantapan lereng

3. Kemampugaruan (Rippability)

Dalam suatu kegiatan penambangan selalu dijumpai kegiatan penggalian. Sebelum

penggalian dilakukan maka dilakukan pembongkaran massa batuan. Penggalian bisa

dilakukan secara langsung tanpa pembongkaran apabila material bersifat lunak

atau soft, metode penggalian ini biasa disebut direct digging. Namun apabila

material bersifat keras maka perlu pembongkaran terlebih dahulu sebelum

dilakukan penggalian. Pembongkaran bisa dilakukan dengan penggaruan (ripping)

maupun peledakan (blasting).

Penggaruan maupun peledakan tidak dilakukan serta merta begitu saja saat

menjumpai material keras. Namun perlu ada analisis lebih lanjut untuk

menentukan metode pembongkaran yang sesuai dengan sifat-sifat batuan maupun

kondisi lapangan. Pada umumnya penggalian dipengaruhi oleh 3 (tiga) kondisi

sebagai berikut:

Kondisi I : Bila tanah biasa (normal), bisa langsung dilakukan penumpukan

stock atau langsung dimuat (loading).

Kondisi II : Bila kondisi tanah keras harus dilakukan penggaruan (ripping)

terlebih dahulu, kemudian dilakukan stock pilling dan

pemuatan(loading).

Kondisi III : Bila tanah terlalu keras dimana pekerjaan ripping tidak ekonomis

(tidak mampu) maka harus dilakukan peledakan (blasting) guna

memecah belahkan material terlebih dahulu sebelum dilakukan

stock pilling kemudian dilakukan pemuatan (loading).

Metode penggalian sangat dipengaruhi oleh sifat material terutama kekerasannya.

Oleh sebab itu dalam suatu penggaruan (ripping), suatu massa batuan memiliki

tingkat kemampugaruan (rippability) tertentu, dari easy ripping sampai very

hard ripping. Kemampugaruan (rippability) merupakan suatu ukuran apakah suatu

massa batuan mudah digaru, sulit digaru atau bahkan tidak dapat digaru.

Untuk menentukan tingkat kemampugaruan suatu massa batuan, maka perlu studi

atau investigasi lapangan seperti pengumpulan data struktur, tingkat pelapukan

dan air tanah. Hal ini dilakukan guna mengklasifikasikan suatu massa batuan ke

dalam kelas tertentu. Dari kelas-kelas tersebut, akan diketahui seberapa

kemampugaruan massa batuan tersebut. Selain itu, akan diperoleh rekomendasi

metode penggalian dan alat yang sesuai untuk digunakan.

Kemampugaruan yang merupakan ukuran tingkat kemudahan suatu batuan

untuk digaru diperoleh dari studi lapangan, geologi maupun geoteknik. Dalam

setiap kegiatan penggalian batuan, salah satu sifat batuan yang sangat penting

yang harus diukur adalah spasi kekar dan orientasinya.

Secara umum kemampugaruan dipengaruhi oleh:

- Kuat tekan batuan

- Struktur batuan

- Pelapukan

Para peneliti terdahulu telah menemukan banyak faktor yang

mempengaruhikemampugaruan batuan seperti perilaku massa batuan, kekuatan

massa batuan, ukuran dan kekuatan dari mesin yang digunakan dan faktor

ekonomi. Ada peneliti yang menemukan bahwa yang termasuk dalam sifat massa

batuan meliputi jenis batuan, kekuatan, derajat alterasi, struktur, abrasif, kadar air

dan kecepatan gelombang seismik. Peneliti lain menyebutkan bahwa

kemapugaruan dipengaruhi oleh kekuatan dari batuan utuh dan perilaku kekar

pada massa batuan. Dalam perkiraan kemampugaruan, parameter batuan harus

dimasukan dan diuji untuk memperkirakan perilaku batuan tersebut. Dalam

mekanika batuan sendiri, penentuan sifat fisik dan mekanik batuan merupakan inti

dalam perkiraan perilaku massa batuan.

Pemilihan alat garu yang sesuai tidak lepas dari studi lapangan dan uji

laboratorium mengenai sifat-sifat material, terutama kekuatan batuan. Di lapangan

selalu dijumpai material dengan ragam kekuatan. Oleh sebab itu, ada material

yang sangat mudah digaru, mudah digaru, sulit digaru, sangat sulit digaru atau

bahkan tidak dapat digaru.

Kemampugaruan merupakan suatu ukuran apakah material dapat digaru, yang

kemudian diklasifikasikan berdasarkan tingkat kemudahan penggaruan.

Kemampugaruan didasarkan pada sifat-sifat material dan kondisi geologi, seperti

kekerasan, kecepatan seismik, struktur, pelapukan dan air tanah, yang diperoleh

dari studi lapangan dan uji laboratorium. 

Banyak ilmuwan yang mengusulkan sistem klasifikasi kemampugaruan dengan

ragam metode dan parameter yang digunakan. Meskipun begitu, para peneliti

setuju bahwa kekuatan batuan dan karakteristik diskontinu memiliki peranan yang

penting dalam menentukan metode penggalian. Dalam rekayasa batuan,

menentukan sifat fisik dan mekanik batuan merupakan inti dalam memperkirakan

perilaku suatu massa batuan. Pengaruh sifat batuan tidak hanya digunakan pada

pemilihan alat yang sesuai namun juga pada tahap operasi.

- Tipe Batuan

Tipe batuan tertentu memilki karakteristik tersendiri, maka identifikasi tipe batuan

menjadi hal pertama yang mungkin dilakukan untuk memperoleh petunjuk

tentang perilaku batuan. Pada umumnya, penggaruan sering dilakukan pada

batuan sedimen, yang merupakan batuan yang terbentuk dari partikel-partikel

batuan yang sudah ada, baik dari batuan beku, metamorf maupun batuan sedimen

itu sendiri.

- Kekuatan Batuan

Kekuatan mekanik batuan merupakan sifat kekuatan terhadap gaya luar. Pada

prinsipnya kekuatan batuan tergantung pada komposisi dari mineralnya yang

terkandung di dalam batuan.

Penggaruan maupun metode penggalian lainnya sangat dipengaruhi oleh kekuatan

batuan. Pada proses penggaruan, batuan terbongkar karena adanya gaya

compressive dan tensile yang bekerja sehingga dalam penaksiran kemampugaruan

tidak lepas dari uji kekuatan batuan. Kuat tarik dianggap memilki peranan lebih

penting daripada kuat tekan dalam klasifikasi kemampugaruan batuan.

- Abrasivitas

Parameter yang sering diabaikan dalam evaluasi kemampugaruan batuan adalah

abrasivitas. Abrasivitas merupakan sifat batuan dalam menggores permukaan

material lain. Sifat ini umumnya digunakan sebagai parameter yang

mempengaruhi keausan matabor (bit) dan batang bor. Parameter ini sangat penting

hubungannya dengan keekonomisan penggunaan alat garu. Dalam estimasi biaya,

pengeluaran terbesar terletak pada penggunaan shank dan tip. Karena komponen

ini  bekerja dengan kontak langsung dan melawan kekuatan batuan saat proses

pembongkaran batuan.

Singh (1983) telah mengusulkan sistem klasifikasi abrasivitas berdasarkan

mineral pembentuk batuan, derajat kebundaran mineral (mineral angularity),

kekuatan material perekat (cementing material), cechar index dan indeks

kekerasan batuan (toughness).

- Tingkat Pelapukan

Pelapukan batuan terjadi karena adanya pengaruh hydrosphere dan atmosphere.

Pelapukan bisa terjadi karena disintegrasi mekanis maupun dekomposisi kimia

atau keduanya. Pelapukan yang terjadi karena disintegrasi mekanis dapat dilihat

dengan adanya retakan batuan atau kekar dan retakan pada belahan (cleavage)

butir mineral. Sedangkan pelapukan kimia menghasilkan perubahan kimia pada

mineralnya. Karena adanya pelapukan, maka kekuatan, densitas dan stabilitas

volumetrik batuan akan menurun, sedangkan deformabilitas dan porositas akan

meningkat. Oleh sebab itu, tingkat pelapukan merupakan parameter sangat

berpengaruh pada kekuatan batuan hubungannya dengan proses penggalian.

- Struktur Batuan

Salah satu faktor utama yang mempengaruhi perilaku massa batuan adalah

struktur seperti kekar, bidang perlapisan, laminasi, belahan dan patahan. Struktur

batuan berupa ketidakmenerusan dapat menggambarkan gangguan mekanis pada

sifat batuan. Parameter kekar yang harus diukur hubungannya dengan

pengaruhnya terhadap kemampugaruan batuan antara lain orientasi kekar, spasi,

kemenerusan dan material pengisi.

- Densitas Material

Densitas juga merupakan faktor yang dipertimbangkan dalam penaksiran

kemampugaruan batuan. Tingkat sementasi, sortasi, kekompakan dan ukuran butir

dapat ditaksir melalui densitas. Semakin tinggi densitas maka semakin sedikit pori

dalam batuan dan kekuatan ikat antar butir mineral semakin tinggi.

- Kemas Batuan (Rock Fabric)

Kemas (fabric) merupakan suatu ukuran untuk menggambarkan struktur mikro

dan tekstur material batuan. Para peneliti mengemukakan bahwa kemas batuan

berpengaruh terhadap kemampugaruan. Batuan berbutir kasar (ukuran butir

> 5 mm) seperti pegmatite dan batupasir bisa digaru dengan lebih mudah daripada

batuan berbutir halus (ukuran butir < 1 mm) seperti quartzite, basalt dan

batugamping.

- Kecepatan Seismik

Metode dengan menggunakan parameter kecepatan seismik telah banyak

digunakan secara luas untuk memprediksi tingkat kemampugaruan batuan.

Kecepatan gelombang seismik tergantung pada densitas, porositas, kadar air dan

tingkat pelapukan batuan (Singh dkk, 1986). Semakin tinggi kecepatan seismik

pada batuan maka penggaruan akan relatif lebih sulit. Secara umum batuan

dengan kecepatan seismik 1950 m/s termasuk batuan yang mudah digaru, 1950 –

2250 m/s termasuk sulit digaru dan > 2250 m/s tidak mungkin digaru. Namun

banyak peneliti yang mengemukakan bahwa metode ini kurang akurat

(Kramadibrata, 1998; Singh dkk, 1986; Kirsten, 1982).

- Topografi

Topografi dari suatu massa batuan yang akan digali merupakan faktor penting

yang perlu dievaluasi sebelum menerapakan metode penggalian. Meskipun begitu,

faktor ini tidak masuk dalam pertimbangan para peneliti sebelumnya. Penggaruan

biasanya dilakukan di daerah yang datar, namun apabila dijumpai slope atau

batuan yang menonjol tidak beraturan, maka akan menjadi problema tersendiri.

- Bidang Perlapisan dan Batas Pelapukan

Perbedaan tingkat pelapukan pada perlapisan batuan memiliki pengaruh penting

hubungannya dengan perfomance penggaruan. Para peneliti menemukan bahwa

material dengan kekuatan rendah (low strength), akan mudah digaru apabila

material tersebut ‘berdiri sendiri’, namun akan sulit digaru apabila material

tersebut tersisip diantara material yang tidak bisa digaru (unrippable). Selain itu,

penggaruan pada material dengan banyak perlapisan menyebabkan perfomance

penggaruan tidak menentu dimana kekerasan tiap perlapisan dapat saling berbeda

satu dengan lainnya.

Dalam mekanisme penggaruan, penetrasi gigi ripper kedalam massa batuan sangat

menentukan apakah suatu massa batuan dapat digaru. Apabila penetrasi dapat

dilakukan maka ripper dapat ditarik oleh bulldozer sehingga batuan dapat

terbongkar. Semakin dalam penetrasi maka semakin besar volume yang diperoleh.

Semakin keras massa batuan maka penetrasi semakin dangkal dan volume yang

diperoleh juga kecil sehingga menurunkan tingkat produktivitas, sehingga

kegiatan penggaruan perlu dievaluasi.

Untuk mengetahui kekuatan batuan dilakukan uji kuat tekan uniaksial batuan

dilaboratorium. Uji kuat tekan uniaksial (Uniaxial Compressive Strength)

mengecu pada SNI 2825:2008. Jumlah sampel uji minimal adalah 3 buah dengan

dimensi sampel 2 < l/d < 2.5 dimana sampel-sampel tersebut diambil secara acak

dari hasil garuan. Tingkat produktivitas ripper dihitung dengan metode volume by

length. Parameter yang diukur ialah kedalaman penetrasi, lebar penggaruan,

panjang lintasan dan waktu penggaruan.

3.1 Hubungan Rock Mass Rating dan Rippability (Kemampugaruan)

Pada awalnya, RMR memang digunakan untuk menghitung kestabilan lubang

bukaan pada pekerjaan penggalian bawah tanah. Namun, para peneliti

mengembangkan aplikasi sistem klasifikasi ini dalam pekerjaan penggalian

lainnya, termasuk penggaruan. Pada prinsipnya, orientasi kekar dihubungkan

dengan arah kemajuan penggalian.

Abdullatif dan Cruden (1983) telah melakukan studi di 23 kuari hubungannya

dengan kemampugalian (excavatability) massa batuan. Massa batuan digali

dengan 3 metode: penggalian langsung, penggaruan dan peledakan. Studi yang

dilakukan meliputi kekuatan massa batuan dan karakteristik bidang lemah pada

batuan yang berbeda-beda dan melakukan pengujian metode penggalian secara

langsung. Data-data diperoleh dengan menggunakan scanline pada massa batuan

yang telah terbuka.

Pengujian yang dilakukan didasarkan pada sistem klasifikasi berikut:

-          Point Load Index dan spasi kekar

-          Q-system

-          RMR

Metode yang digunakan oleh Abdullatif dan Cruden (1983) untuk memperoleh

RQD adalah dengan rumus yang diusulkan oleh Priest dan Hudson (1976).

Para peneliti yang melakukan studi mengenai hubungan antara RMR dan Q-

system antara lain Bieniawski (1984), Abad dkk (1983), Udd dan Wang (1985)

dan Kramadibrata (1996). Meskipun Q-system pada awalnya dikembangkan untuk

membantu perhitungan kestabilan lubang bukaan tambang bawah tanah, ternyata

juga dapat diaplikasikan pada penggalian di permukaan (Kramadibrata, 1996).

Rippability adalah kemudahan tanah atau batuan yang dapat digali secara

mekanis. rippability batuan dikendalikan oleh banyak parameter termasuk

kekuatan uniaksial, derajat pelapukan, abrasivitas, dan jarak diskontinuitas.

Biasanya, lapuk batuan bertingkat atau dilaminasi, dan batuan rekah dengan luas

yang rippable. Sebaliknya, batu besar atau kristal, dan batu tanpa pesawat

kelemahan biasanya non-rippable.

Seismik refraksi secara historis metode geofisika digunakan untuk secara tidak

langsung mentakdirkan tingkat rippability. Ini telah menjadi metode yang disukai

berdasarkan uji lapangan yang dilakukan oleh Perusahaan Caterpillar, berkaitan

kecepatan seismik untuk rippability. Kecepatan seismik yang diukur dalam survei

seismik refraksi menyediakan ukuran kualitatif dari kekuatan batuan dan adanya

patah tulang utama. Dalam sebuah survei seismik refraksi khas data diproses dan

hasilnya disajikan sebagai model layered, dengan masing-masing lapisan terdiri

dari kecepatan seismik konstan. Survei tomografi modern dapat memberikan

model resolusi yang lebih tinggi dari variasi kecepatan seismik dengan

kedalaman, memungkinkan untuk analisis yang lebih rinci. Metode resistivitas

listrik dapat digunakan sebagai metode pelengkap dengan survei seismik refraksi,

karena resistivitas berguna dalam membedakan kompeten dari batuan batu dalam

banyak kasus.

Contoh di bawah ini menampilkan refraksi survei seismik tomografi dilakukan

selama terak tumpukan di situs smelter tua untuk membantu dalam perencanaan

perbaikan untuk daerah. Panel atas menampilkan hasil pemodelan tomografi

kecepatan seismik, antarmuka antara layer 1 dan layer 2 dari berlapis hasil model

bumi yang lebih tradisional juga ditampilkan untuk perbandingan. Analisis

kecepatan seismik dikombinasikan dengan data lubang bor di seluruh situs

menghasilkan model berlapis kekuatan batuan di tengah panel. Hal ini telah

dibatasi oleh cakupan raypath (sensitivitas model) di panel bawah.