sifat fisik tanah dan batuan

REKAYASA TANAH & BATUAN 1

SIFAT FISIK TANAH DAN BATUAN

Batuan mempunyai sifat-sifat tertentu yang perlu diketahui dalam

mekanika batuan dan dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu :

a. Sifat fisik batuan seperti bobot isi, berat jenis, porositas, absorpsi, dan void

ratio

b. Sifat mekanik batuan seperti kuat tekan, kuat tarik, modulus elastisitas,

dan nisbah Poisson.

Kedua sifat tersebut dapat ditentukan baik di laboratorium maupun di

lapangan (in-situ).

1. Penentuan di laboratorium pada umumnya dilakukan terhadap contoh

(sample) yang diambil dilapangan. Satu contoh dapat digunakan untuk

menentukan kedua sifat batuan. Pertama-tama adalah penentuan sifat fisik

batuan yang merupakan uji tanpa merusak (non destructive test), kemudian

dilanjutkan dengan penentukan sifat mekanik batuan yang merupakan uji

merusak (destructivetest) sehingga contoh batu hancur.

2. Di lapangan hasil pemboran inti ke dalam massa batuan yang akan berupa

contoh inti batuan dapat digunakan untuk uji dilaboratorium dengan syarat

tinggi contoh dua kali diameternya. Setiap contoh yang diperoleh

kemudian diukur diameter dan tingginya, dihitung luas permukaan dan

volumenya.


1.1 Sifat Fisik Batuan

1. Porositas

Porositas didefinisikan sebagai perbandingan volume pori-pori (yaitu

volume yang ditempati oleh fluida) terhadap volume total batuan. Ada dua jenis

porositas yaitu porositas antar butir dan porositas rekahan. Pada kenyataannya,

porositas didalam suatu sistem panasbumi sangat bervariasi. Contohnya didalam

sistem reservoir rekah alami, porositas berkisar sedikit lebih besar dari nol, akan

tetapi dapat berharga sama dengan satu (1) pada rekahannya. Pada umumnya

porositas rata-rata dari suatu sistem media berpori berharga antara 5 – 30%.

2. Kecepatan Aliran Fluida

Kecepatan aliran darcy atau flux velocity (v) adalah laju alir rata-rata

volume flux per satuan luas penampang di media berpori. Sedangkan kecepatan

rata-rata fluida yang melalui media berpori dikenal sebagai interstitial velocity (u).

Hubungan antara kedua parameter kecepatan tersebut adalah sebagai berikut:

Harga flux velocity pada umumnya sekitar 10-6 m/s. Besarnya interstitial velocity

digunakan untuk kecepatan suatu partikel (partikel kimia penjejak atau tracer)

yang mengalir pada media berpori.

3. Permeabilitas

Permeabilitas adalah parameter yang memvisualisasikan kemudahan suatu fluida

untuk mengalir pada media berpori.


Permeabilitas mempunyai arah, dimana ke arah x dan y biasanya

mempunyai permeabilitas lebih besar dari pada ke arah z. Sistem ini disebut

anisotropic. Apabila permeabilitas tersebut seragam ke arah horizontal maupun

vertikal disebut sistem isotropik.

Satuan permeabilitas adalah m2. Pada umumnya pada reservoir panasbumi,

permeabilitas vertikal berkisar antara 10-14 m2, dengan permeabilitas horizontal

dapat mencapai 10 kali lebih besar dari permeabilitas vertikalnya (sekitar 10-13

m2). Satuan permeabilitas yang umum digunakan didunia perminyakan adalah

Darcy (1 Darcy = 10-12 m2).

4. Densitas Batuan

Densitas batuan dari batuan berpori adalah perbandingan antara berat

terhadap volume (rata-rata dari material tersebut). Densitas spesifik adalah

perbandingan antara densitas material tersebut terhadap densitas air pada tekanan

dan temperatur yang normal, yaitu kurang lebih 103 kg/m3.

Batuan mempunyai sifat-sifat tertentu yang perlu diketahui, dalam

mekanika

batuan dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu ;

a. Sifat fisik batuan seperti bobot isi ”Spesific Gravity” porositas dan absorbsi

”Void Ratio”.

b. Sifat mekanika batuan seperti kuat tekan, kuat tarik, modulus elastisitas, ”

Poisson `s Ratio”.


Kedua sifat tersebut dapat ditentukan, pada umumnya ditentukan terhadap

sampel yang diambil dari lapangan. Satu persatu dapat digunakan untuk

menentukan kedua sifat batuan.

1.2 SIFAT MEKANIK BATUAN

Selain daripada sifat-sifat fisik dari batuan terdapat sifat-sifat mekanik

batuan yang berpengaruh pula dalam penembusan batuan. Sifat-sifat mekanik

tersebut meliputi :

strength batuan,

drillabilitas batuan,

hardness batuan,

abrasivitas batuan,

tekanan batuan dan

elastisitas batuan.

V Awal = p x l x t = plt


V Akhir = (p + Δp) x (l + Δl) x (t + Δt)

Uji Kuat Tekan

= p (1 + εa) x l (1+ εl) x t (1+ εl)

= p (1 + εa) x lt (1+ εl)²

= plt (1 + εa)(1+ εl)²

ΔV = plt (1 + εa)(1+ εl)² - plt

= plt {(1 + εa)(1+ εl)² - 1}

= plt {(1 + εa)(1+ 2εl + εl² )-1}

lt {2εl + εl² + ε + 2ε εl + ε εl² )}

= plt εa 2εa εa = plt (εa + 2εl )

Regangan Volumetrik :

Δ V /V = εa + 2 ε

1. Strength Batuan

Arthur menyatakan bahwa strength pada batuan merupakan faktor yang

sangat penting untuk penentuan laju pemboran. Strength pada batuan adalah

kemampuan batuan untuk mengikat komponen-komponennya bersama-sama. Jadi

dengan kata lain apabila suatu batuan diberikan tekanan yang lebih besar dari

kekuatan batuan tersebut, maka komponen-komponennya akan terpisah-pisah atau

dapat dikatakan hancur. Lebih lanjut lagi, criteria kehancuran batuan diakibatkan

oleh adanya : Stress (tegangan) dan Strain (regangan). Tegangan dan regangan ini

terjadi apabila ada suatu gaya yang dikenakan pada batuan tersebut.


Konsisi Awal Perubahan bentuk akibat stress

ε = Strain = Regangan

Arah Axial : ε a = Δa /a

Arah Lateral : ε l = Δl / l


Goodman, menyatakan variasi beban yang diberikan pada suatu batuan

mengakibatkan kehancuran batuan. Terdapat empat jenis kerusakan batuan yang

umum, yaitu :

a. Flexure Failure

Flexure failure terjadi karena adanya beban pada potongan batuan akibat

gaya berat yang ditanggungnya, karena adanya ruang pori formasi dibawahnya.

b. Shear Failure


Shear failure, kerusakan yang terjadi akibat geseran pada suatu bidang

perlapisan karena adanya suatu ruang pori pada formasi dibawahnya.

c. Crushing dan Tensile Failure

Crushing dan tensile failure merupakan kerusakan batuan yang terjadi

akibat gerusan suatu benda atau tekanan sehingga membentuk suatu bidang

retakan.

d. Direct Tension Failure

Direct tension failure, kerusakan terjadi searah dengan bidang geser dari

suatu perlapisan.

2. Drillabilitas

Drillabilitas batuan (rock drillability) merupakan ukuran kemudahan

batuan untuk dibor, yang dinyatakan dalam satuan besarnya volume batuan yang

bisa dibor pada setiap unit energi yang diberikan pada batuan tersebut.

Drillabilitas batuan dapat ditentukan melalui data pemboran (drilling record).

E = energi mekanik yang dibutuhkan, lb-in

W = weigth on bit, lbf

r = jari-jari pahat, in

R = laju pemboran, ft/hr

N = kecepatan putar, rpm


V = volume batuan yang dihasilkan, in3

Selanjutnya dengan pengembangan model pemboran, drillabilitas batuan

dapat ditentukan dengan menggunakan roller cone bit.

3.Hardness

Hardness atau kekerasan dari batuan, merupakan ketahanan mineral batuan

terhadap goresan. Skala kekerasan yang sering digunakan untuk mendriskripsikan

batuan diberikan oleh Mohs. Gatlin, menyatakan batuan diklasifikasikan dalam

tiga kelompok, yaitu

Soft rock (lunak) : clay yang lunak, shale yang lunak dan batuan pasir

yang unconsolidated atau kurang tersemen.

Medium rock (sedang) : beberapa shale, limestone dan dolomite yang

porous, pasir yang terkonsolidasi dan gypsum.

Hard rock (keras) : limestone dan dolomite yang padat, pasir yang

tersemen padat/keras dan chert.

4. Abrasivitas

Merupakan sifat menggores dan mengikis dari batuan, sehingga sering

menyebabkan keausan pada gigi pahat dan diameter pahat. Setiap batuan

mempunyai sifat abrasivitas yang berbeda-beda, pada umumnya batuan beku

mempunyai tingkat abrasivitas sedang sampai tinggi, batu pasir lebih abrasif

daripada shale, serta limestone lebih abrasif dari batu pasir atau shale. Ukuran dan


bentuk dari partikel batuan menyebabkan berbagai tipe keausan, seperti juga torsi

dan daya tekan pada pahat.

5. Tekanan Pada Batuan

Merupakan tekanan-tekanan yang bekerja pada batuan formasi. Tekanan-

tekanan tersebut harus diperhatikan dalam kegiatan pemboran. Karena

berpengaruh dalam cepat-lambatnya laju penembusan batuan formasi. Secara

umum, batuan yang berada pada kedalaman tertentu akan mengalami tekanan :

Internal Stress yang berasal dari desakan fluida yang terkandung di dalam

pori-pori batuan (tekanan hidrostatik fluida formasi).

Eksternal Stress yang berasal dari pembebanan batuan yang ada di atasnya

(tekanan overburden).

1.3. SIFAT BATUAN

Sifat batuan yang sebenarnya di alam adalah :

1. HETEROGEN

a. Jenis mineral pembentuk batuan yang berbeda.

b. Ukuran dan bentuk partikel/butir berbeda di dalam batuan.

c. Ukuran, bentuk, dan penyebaran void berbeda di dalam batuan.

2. DISKONTINU

Massa batuan di alam tidak kontinu (diskontinu) karena adanya bidang-

bidang lemah (crack, joint, fault, fissure) di mana kekerapan, perluasan dan

orientasi dari bidang-bidang lemah tersebut tidak kontinu.


3. ANISOTROP

Karena sifat batuan yang heterogen, diskontinu, anisotrope maka untuk

dapat menghitung secara matematis misalnya sebuah lubang bukaan yang

disekitarnya terdiri dari batuan B1, B2, B3, diasumsikan batuan ekivalen B'

sebagai pengganti batuan B1, B2, B3 yang mempunyai sifat homogen, kontinu

dan isotrop

sifat fisik tanah dan batuan

Documents