P1O-06
STUDI KEKUATAN GESER TERHADAP PENGARUH KEKASARAN
PERMUKAAN DIAKLAS BATU GAMPING
Singgih Saptono1*, Sudarsono1, Hartono1, Karin Fiorettha1
1
Program Studi Teknik Pertambangan UPN “Veteran” Yogyakarta, *Email: singgihsaptono@upnyk.ac.id Diterima 20 Oktober 2014
Abstrak
Kekasaran permukaan bidang geser batuan dapat mempengaruhi kekuatan geser batuan. Pada kegiatan penambangan, baik tambang terbuka maupun tambang bawah tanah, hal ini sangat penting untuk ditentukan karena perubahan kekuatan geser tersebut dapat menyebabkan penurunan faktor keamanan baik pada lereng maupun lubang bukaan tambang. Penurunan faktor keamanan ini dapat menyebabkan terjadinya longsoran ataupun runtuhan yang mengakibatkan kerusakan lingkungan, terancamnya keselamatan jiwa serta kerugian dari segi ekonomi. Penelitian ini dilakukan terhadap batugamping yang diambil dari daerah Kecamatan Pengasih, Kabupaten Kulonprogo, Provinsi Daerah Istimewa Yogyakarta. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa berdasarkan kriteria kekuatan batuan Barton, diketahui bahwa nilai JRC bidang geser batugamping pada diaklas mengalami penurunan kohesi sebesar 37,75% dari kondisi permukaaan diaklas kasar ke mendekati halus, sedangkan terhadap sudut gesek dalam mengalami penurunan dari kondisi permukaan kasar ke halus sebesar 33%, akan tetapi pada kondisi permukaan yang lurus atau planar mengalami penurunan sebesar 61%. Dengan hasil penelitian ini menunjukkan bahwa penurunan kekuatan geser batugamping ini dapat disebabkan oleh perbedaan kekasaran permukaan bidang geser batuan. Hasil ini menunjukan bahwa kekuatan geser kohesi pada diaklas sangat dipenguhi oleh kekasaran dibandingkan pangaruh kekasaran terhadap sudut gesek dalam.
Kata Kunci: Batugamping, Diaklas, Kekasaran JRC, Kohesi, Sudut Gesek Dalam.
Pendahuluan
Struktur batuan merupakan bidang lemah pada massa batuan yang menyebabkan suatu lereng di tambang ataupun di jalan raya lebih rentan terhadap kondisi suatu kelongsoran. Pada penelitian ini, akan dititikberatkan untuk mengetahui pengaruh bidang diskontinu pada batugamping. Pada batugamping terdapat bidang diskontinu berupa diaklas dan perlapisan. Untuk itu penelitian ini akan mempelajari pengaruh kekasaran permukaan bidang geser pada diaklas dan perlapisan. Penelitian ini adalah awal dari penelitian mengenai kondisi bidang diskontinu pada batugamping. Diaklas dan perlapisan pada batugamping dapat menciptakan ketidakstabilan dimana diaklas dan perlapisan sebagai bidang luncur longsoran. Penelitian ini melakukan pengujian terhadap diaklas dan perlapisan batugamping untuk mengetahui pengaruh kekuatan geser batugamping terhadap kekasaran permukaan bidang geser diaklas dan perlapisan. Perbedaan bentuk akibat proses pelapukan menyebabkan terjadinya perbedaan kekasaran pada permukaan bidang geser batugamping. Parameter yang menunjukkan kekuatan geser adalah kohesi (c) dan sudut gesek dalam (ϕ). Parameter tersebut diperoleh dengan melakukan uji geser langsung di laboratorium. Selanjutnya dapat digunakan untuk mendapatkan hubungan antara kekasaran permukaan bidang geser dengan kohesi dan sudut gesek dalam. Sehingga pada penelitian ini dapat memperkirakan geometri lereng di penambangan batugamping lebih akurat.
Latar Belakang
Untuk menganalisis kestabilan dari sistem blok batuan tertentu, misalnya pada lereng tambang, sangatlah penting memahami faktor- faktor yang mempengaruhi kekuatan bidang-bidang diskontinu yang memisahkan blok dari massa batuannya. Adapun faktor-faktor tersebut dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu faktor-faktor intrinsik dan ekstrinsik. Faktor intrinsik merupakan faktor yang menunjukkan karakteristik internal batuan, terdiri dari kohesi (c) dan sudut gesek dalam (ϕ) yang diperoleh dari hasil uji geser langsung. Faktor ekstrinsik merupakan faktor yang berasal dari lingkungan batuan baik yang alami maupun tidak serta yang dapat dikontrol maupun yang tidak dapat dikontrol oleh manusia. Faktor-faktor tersebut antara lain: tegangan normal, keberadaan dan tekanan air, mineralogi dan ukuran butir, kekasaran permukaan geser, banyaknya bidang diskontinu, keberadaan material pengisi pada rekahan, laju pembebanan geser, dan tingkat kerusakan conto batuan. Semakin kasar permukaan geser, semakin besar kekuatan geser batuan. Kekasaran ini akan berpengaruh hanya pada tegangan normal yang rendah 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 (σ/JCS) sama dengan 0,15. Artinya bahwa kekasaran permukaan geser batuan masih dikatakan berpengaruh hingga batas tegangan normal efektif yang bekerja pada permukaan rekahan batuan tersebut sekitar 15 % dari kuat tekan uniaksialnya (Gambar 1). Menurut Graselli (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. Gambar 2, 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 dengan 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 (ϕ + i).
Hasil Pengujian
Uji Sifat Fisik
Pengujian sifat fisik dilakukan untuk mendapatkan nilai bobot isi baik pada perconto batugamping. Hal ini dilakukan untuk mengetahui variasi fisik batugamping di lapangan. Selain itu, uji sifat fisik dilakukan untuk mendapatkan nilai kandungan air natural, derajat kejenuhan, angka pori serta porositas batuan (Tabel 1). Dalam hal ini, porositas batuan sangat perlu diketahui karena dianggap sama dengan awal mula terbentuknya crack (pre-existing cracks) atau diaklas pada batugamping.
Uji Kuat Tekan Uniaksial
Nilai kuat tekan uniaksial ini pada dasarnya tidak digunakan dalam perhitungan kekuatan geser tetapi digunakan sebagai acuan dalam memberikan variasi tegangan normal sehingga tegangan normal yang diberikan tidak melebihi batas sesuai dengan hasil peneliti sebelumnya (Gambar 1).
Ladanyi dan Archambault (1970 &1972) kekasaran permukaan geser masih dikatakan berpengaruh sekitar 15% , menurut Graselli (2001) 20% dan menurut Kramadibrata,dkk (2009) dan Saptono (2012) sebesar 12,5% dari kuat tekan uniaksial. Hasilnya memperlihat bahwa batuan di Indonesia dikenakan tegangan normal lebih kecil dari hasil penelitian terdahulu (Tabel 2).
Uji Kuat Tekan Uniaksial
Pengujian dilakukan untuk mendapatkan nilai kohesi (c) dan sudut gesek dalam (ф) residu. Parameter tersebut juga akan digunakan dalam menganalisis kestabilan lereng.
Untuk mendapatkan nilai sudut orde (i) dan bentuk penampang dari kekasaran permukaan bidang geser, maka dilakukan digitasi permukaan bidang geser. Bentuk penampang permukaan bidang geser dicocokkan pada penampang kekasaran (Barton & Choubey 1977) untuk menentukan nilai Joint Roughness Coefficient.
Berdasarkan hasil pengujian geser langsung, dapat dilihat bahwa pada perconto bidang geser diaklas, nilai kohesi batuan lebih besar dibanding bidang geser perlapisan. Hal ini dikarenakan pada perlapisan, terdapat sisipan Wackstone sehingga kohesi dan sudut gesek dalam sama dengan kohesi dan sudut gesek dalam material pengisi. Hal ini diikarenakan isian lebih dari 50% daripada amplitudo gelombang muka bidang gesernya (undulation). Hal ini tidak terjadi pada perconto diaklas, pada perconto permukaan bidang geser diaklas, kekasaran masih berpengaruh terhadap penentuan nilai kekuatan batuan itu sendiri.
Analisis
Analisis menggunakan Kriteria Patton
Kriteria kekuatan batuan Patton menggunakan persamaan 1 yang menunjukkan tegangan geser τmyang bekerja pada arah i (Gambar 3) dengan asumsi bahwa kohesi sama dengan nol.
τm= σmtan ϕ [1]
Dengan memproyeksikan gaya τpdan σnterhadap arah i pada sumbu normalnya, dapat dihitung nilai τmdan σmseperti pada persamaan [2] & [3] adalah
τm = τpcos i – σnsin i [2]
σm = σncos i + τp sin i [3]
Analisis menggunakan Kriteria Patton
Pendekatan alternatif untuk memperkirakan kekuatan geser permukaan bidang diskontinu yang kasar diajukan oleh Barton (1973,1976,1977,1990) yang berpendapat bahwa kriteria
sederhana seperti Mohr-Coulomb ataupun Patton (1966) tidak cukup untuk
menggambarkan kekuatan geser batuan. Barton menggunakan kekar buatan dalam melakukan penelitiannya dan diperoleh persamaan [4].
Nilai JRC dapat ditentukan dengan dua cara, yang pertama yaitu dengan memperkirakan secara visual dan mencocokkannya secara langsung dengan penampang kekasaran pada Gambar 4 (cara ini dilakukan pada skala laboratorium). Sedangkan sudut gesek dasar (ϕb) adalah sudut gesek dalam yang diperoleh dari pengujian geser langsung. Perhitungan nilai ϕi pada tegangan normal tertentu dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan ϕi= arc tan (∂τ/∂τn), dimana nilai ∂τ/∂σn dapat dihitung dengan menggunakan persamaan [5], sedangkan kohesi seketika dapat dihitung dengan persamaan [6].
డఛ డఙ୬= tan {ܬܴܥ log ቀ ௌ ఙቁ+ ߶ܾ} ቂݐܽ݊ଶቄܬܴܥ log ቀ ௌ ఙቁ+ ߶ܾቅ+ 1ቃ [5] Ci= τ – σntan ϕi [6]
Berdasarkan perhitungan bahwa kriteria Mohr coulomb berada diantara kriteria Patton dan Barton (lihat Gambar 3), sehingga Mohr coulomb lebih cocok digunakan pada pengujian laboratorium karena tidak underestimate ataupun overesstimate dalam penggambaran nilai kohesi dan sudut gesek dalam batugamping (Packstone).
Penutup
Kekasaran permukaan bidang geser pada batugamping berpengaruh terhadap kekuatan geser batuan. Pada kriteria kekuatan batuan Mohr Coulomb, batugamping (Packstone) dengan diaklas memiliki kekuatan τ sebesar 369,04 kPa dan batugamping (Packstone) berlapis memiliki nilai τ sebesar 46,66 kPa. Perbedaan ini menandakan kekuatan batugamping dengan diaklas lebih besar dibanding batugamping berlapis yang disisipi Wackstone.
Kekasaran permukaan bidang geser diaklas menyebabkan perbedaan nilai kohesi, koefisien kekasaran permukaan bidang geser dan sudut gesek dalam. Pada kriteria kekuatan batuan Barton, nilai kohesi mengalami penurunan dari conto bidang geser diaklas permukaan kasar (Rough) 93kPa, halus (Smooth) 58kPa dan halus mendekati lurus (Smooth nearly planar) 17 kPa. Sudut gesek dalam berdasarkan kriteria kekuatan batuan Barton juga mengalami penurunan dari kondisi permukaan bidang geser kasar (Rough) 54⁰, halus (Smooth) 36⁰ hingga halus mendekati lurus (Smooth nearly planar) 21⁰.
Kriteria Patton dan Barton dapat menggambarkan karakteristik kekuatan geser batugamping (Packstone) dengan diaklas, tetapi tidak pada batugamping (Packstone) berlapis.
Ucapan Terimakasih
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Ketua Program Studi Teknik Pertambangan dan Ketua Laboratorium Mekanika Batuan Prodi Teknik Pertambangan FTM-UPN “Veteran” Yogyakarta yang telah member fasilitas terhadap penelitian pengaruh kekasaran permukaan bidang geser terhadap parameter kuat geser, dan seluruh mahasiswa dan teknisi yang terlibat dalam pengujian di laboratorium dan karakterisasi massa batuan di lapangan.
Daftar Pustaka
Barton, N.R, 1973. “Review of a New Shear Strength Criteration for Rock Joints”. Engineering Geology.
Grasselli G., Egger P., Wirth J., Hopkins D., 2001, “Characterization of The Parameters That Govern The Peak Shear Strength of Rock Joint”. Washington DC, USA.
Hoek, E. and Bray, J.W. 1981, “Rock Slope Engineering”, Revised Third Edition. London: Institute of Mining and Metallurgy.
Kramadibrata, S., Saptono, S., Wicaksana, Y. and Prasetyo H. S., 2009 “Soft Rock Behavior with Particular Reference to Coal Bearing Strata”, The 2nd International Symposium of Novel Carbon Resources Science, Earth Resource Science and Technology, Joint Symposium Kyushu University – Institut Teknologi Bandung. Ladanyi, B. and Archambault, G, 1970. “Simulation of Shear Behaviour of a Jointed rock
mass”. New York: American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers.
Ladanyi, B. and Archambault, G, 1972. “Evaluation de la resistance au cisaillement d’un massif rocheux fragmente”. Montreal: American Institute Geology.
Patton, F.D, 1966. “Multiple Modes of Shear Failure in Rock”. Lisbon: Institute Intnl. Cong. Rock Mech.
Saptono, S., 2012, “Pengembangan Metode Analisis Stabilitas Lereng Berdasarkan Karakterisasi Batuan di Tambang Terbuka Batubara”. Disertasi Doktor, Rekayasa Pertambangan, Institut Teknologi Bandung.
Tabel 1. Hasil Uji Fisik Batugamping No ρn ρd ρs w S n e conto t/m3 t/m3 t/m3 % % % 1 1,97 1,72 2,27 14,13 44,79 54,38 1,02 2 1,95 1,69 2,15 15,23 56,06 45,87 1,02 3 2,13 1,83 2,33 16,33 59,79 50,07 1,02 Rata-rata 2,02 1,75 2,25 15,23 53,55 50,11 1,02
Tabel 2. Batas Pemberian Tegangan Normal
Kondisi permukaan conto
Batas Tegangan normal (σn) kPa Ladanyi & Archambault (1972) Graselli (2002) Kramadibrata dkk (2009) Tegangan normal yang digunakan Halus mendekati lurus 1009,5 1346 841,3 527 Halus 1900,5 2534 1583,8 478 Kasar 3030 4040 2525 405
Tabel 3. Hasil pengujian kuat geser batugamping berdasarkan kekasaran permukaan
diaklas dan perlapisan dengan Kriteria Mohr-Coulomb
Parameter
Jenis conto bidang geser
Diaklas Perlapisan
Kasar Halus
Halus mendekati
lurus
Kasar Halus Halus mendekati lurus
Kohesi
(kPa) 77,98 72,26 63,89 27,3 23,78 19,79
Sudut gesek dalam
(⁰) 37,23 26,35 16,75 2,75 2,11 1,6
Tabel 4. Parameter hasil uji geser Batugamping berdasarkan kriteria Patton
Parameter
Jenis conto permukaan bidang geser Diaklas
Kasar Halus Halus mendekati
lurus
Kohesi(kPa) 61,79 61,19 58,7
Prosentase penurunan (%) 0 0,97 5
Sudut gesek dalam (⁰) 17,2 5,9 5,14
Tabel 5. Parameter hasil uji geser batugamping berdasarkan kriteria Barton
Parameter
Jenis permukaan bidang geser Diaklas
Kasar Halus Halus mendekati
lurus
JRC 14 12 11
Kohesi(kPa) 92,8 57,76 17
Prosentase penurunan (%) 0 37,75 81,68
Sudut gesek dalam (⁰) 54 36 21
Prosentase penurunan (%) 0 33,33 61,11
Gambar 1. Batas pengaruh kekasaran permukaan geser terhadap pemberian tegangan
normal
Gambar 3. Perbandingan kriteria kekuatan geser; (a) diaklas permukaan kasar, (b) diaklas
Permukaan halus, dan (c) diaklas permukaan halus mendekati lurus
a b
