SIFAT FISIK DAN MEKANIK BATUAN UTUH 3B2. Uji Triaksial

(1)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

ifat Fisik & Mekanik Batuan-1

SIFAT FISIK DAN

MEKANIK BATUAN UTUH – 3B2

Suseno Kramadibrata

Made Astawa Rai

Ridho K Wattimena

Laboratorium Geomeknika

FIKTM - ITB

TA 3111 Mekanika Batuan – S

Uji Triaksial

Uji ini untuk mengukur kekuatan contoh batu

berbentuk silinder dibawah tekanan triaxial.

Data hasil pengujian sangat diperlukan untuk

perhitungan:

strength envelope (kurva intrinsic)

shear strength (τ)

sudut geser dalam (φ)

kohesi (C)

(2)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Triaksial Sel Von Karman (1911) &

Hoek & Franklin (1968)

Tidak perlu penirisan minyak antar uji Ukuran terbatas BQ, NQ & HQ

L/D = 2 – 2.5 σ_{3 max} = 70 MPa

Selubung polyethylene mahal

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Sel Triaksial Tipe

Von Karman

Dept. Teknik Pertambangan ITB Wattimena & Kramadibrata (1997)

Kramadibrata, Wattimena and Simangunsong (1998)

1. Platen penekan 2. Bola baja 3. Spheical seat 4. Alat bantu transducer 5. Contoh batuan

6. Piston berongga utk tekanan pori 7. Sonic transmitter

8. Sonic receiver 9. Selubung karet

10. Ring pengikat selubung karet 11. Strain gauges

12. Pipa utk tekanan pori 13. Pipa utk kabel transducer 14. Ruang fluida pemampat 15. Dinding sel

16. Lubang masuk fluida pemampat 17. Lubang keluar fluida pemampat 18. Lubang masuk tekanan udara 19. Slide bearing

20. Sliding seal 21. Baut

22. Seal pada plat dasar sel 23. Lubang masuk tekanan pori 24. Lubang keluar tekanan pori 25. Port kable strain gauges 26. Port kable transducer

(3)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

(4)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

(5)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Berbagai Triaksial Sel

(6)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Mohr Circles & Intrinsic Curve

0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30

Normal Stress (MPa)

S h ear S tr ess ( M P a) _{τ = 5.22 + σ} NTan 32.81 No σ3 σ1 (MPa) (MPa) 1 1.00 22.61 2 2.00 25.70 3 3.00 29.34 φ τ = c + σ_NTan φ c TA 3111 Mekanika Batuan – S

Mohr Coulomb – Linear

Mohr – Curve linear concave downwards; in the limit, the envelope may assume the form of a straight line (Coulomb criterion)

σ₃Minor principal stress /confining pressure

σ1

Maximum major principa

l stress at failure τ= ½ (σ₁–σ₃) Sin 2β

σ = ½ (σ₁+ σ₃) + ½ (σ₁–σ₃) Cos 2 β A B D E Mohr - Coulomb Mohr 2β β β σN σ3 σ1 τ τmax

(7)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Metode Tak Langsung Menentukan

UCS & UTS

τ = σ_ntan φ + c 2β = 90° + φ

Pada kondisi tekan, σ1= σc& σ3= 0

Pada kondisi tarik, σ1= 0 dan σ3= -σt

Keterangan

τ = Tegangan geser

σ_N = Tegangan normal

σ₁ = Tegangan prinsipal mayor σ₃ = Tegangan prinsipal minor

c = Kohesi

β = Sudut antara s1 dan sn

φ = Sudut gesek dalam

σ_c = Kuat tekan uniaksial (UCS) σ_t = Kuat tarik uniaksial (UTS)

β

σ

=

+

(

-

)cos

2

1 )

(

2

1

3 1 3 1 n

β

σ

τ

=

(

-

)sin

2

1

3 1

φ

σ

=

+

sin

-1

cos

2c

)

sin

(1

3 1

φ

σ

=

sin

-1

cos

2c

c

φ

σ

+

=

sin

1 cos

2c

t TA 3111 Mekanika Batuan – S

(8)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Multistage Triaxial Test

-20 0 20 40 60 80 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Strain σ 1 -σ3 (M P a ) σ32= 5 MPa σ31= 2 MPa σ33= 7.5 MPa σ₃₄= 10 MPa E1 E2 E3 TA 3111 Mekanika Batuan – S

σ

_ax

&V

_p

vs.

ε

_ax

pada triaksial

konvensional

pada batu pasir

Batupasir PT. Kideco Jaya Agung ROTO

NORTH Pit 4 Ardian Rosadi

(9)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Pengaruh

σ

₃

Pada

Kurva

σ

-

ε

Marmer Carrara (Von Karman, 1911) TA 3111 Mekanika Batuan – S

Pengaruh

σ

₃

Pada Kurva

σ

-

ε

0 MPa 2 Tegangan aksi al (M Pa) 200 100 400 300 6 4 Regangan aksial (%) 8 23.5 MPa 50.0 MPa 600 500 165.6 MPa

(10)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

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 (%) D e v ia to ri c st re ss ( M P a )

Granite (void ratio = 0.022) Sandstone (void ratio = 0.163) Applied σ3 = 35 MPa μ = 7 MPa μ = 21 MPa μ = 35 MPa μ = 35 MPa μ = 21 MPa μ = 7 MPa 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 2 4 6 8 10 12 Longitudinal strain (%) D e v ia to ri c st e ss ( M P a ) air-dry specimen wet specimen σ3 = 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

σ

−

ε

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

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

σ

–

ε

Batupasir (Schwartz, 1964)

(11)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Perilaku Keruntuhan Menurut Kecepatan

Ultrasonik pada Uji Triaksial

a. Contoh Jenuh; b. Contoh Kering

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2.86 3.06 3.26 3.46 3.66 3.86 4.06 Sonic velocity (km/s) D evi at or ic s tr es s ( M P a) σ3 = 4 MPa σ3 = 16 MPa σ3 = 12 MPa σ3 = 8 MPa σ3 = 4 MPa σ3 = 8 MPaσ3 = 12 MPa σ3 = 16 MPa Dried specimen Saturated specimen TA 3111 Mekanika Batuan – S

Faktor Berpengaruh Pada Kurva Triaksial

σ

–

ε

Pengaruh Suhu 5 500 σ 1 − σ 3 (M P a) 1500 1000 25 °C 2000 15 10 Regangan aksial (%) 500 °C 300 °C 800 °C Compr essive s trength, MPa C o n fin in g p re s s u re , M P a 2 0 0 5 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 6 0 0 4 0 0 ε = o 1 0-4 o -4 ε = 1 0 2 0 0 0 2 5 0 0 ε = o 1 0-2 ε = o 1 ε = o _{1 0}-1

(12)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Variasi Deviatoric

Stress vs Kemiringan

Bidang Lemah & s3

(Donath, 1972 &

Mc Lamore – Gray 1967)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Uji Kuat Geser Langsung

Kuat geser batuan merupakan perlawanan internal batuan terhadap tegangan yang bekerja sepanjang bidang geser dalam batuan tersebut, yang dipengaruhi oleh karakteristik intrinsik dan faktor eksternal

Untuk mengetahui kuat geser batuan pada tegangan normal tertentu. Minimal 3 contoh.

Masing-masing contoh dikenakan gaya normal tertentu yang diaplikasikan tegak lurus terhadap permukaan bidang diskontinu garis Coulomb's shear strength,

kuat geser (shear strength), sudut geser dalam (φ), kohesi (C).

(13)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Faktor

-

faktor Yang Mempengaruhi Kuat

Geser Batuan

Laju perpindahan geser konstan akan mengindikasikan gaya geser yang bekerja pada batuan tersebut. τ yang dibutuhkan batuan tersebut untuk mulai membentuk rekahan bidang geser dan berpindah akan bertambah sesuai pertambahan F_N.

Pada Uji Geser langsung, τ & σ_Nadalah representatif dari F_S& F_Ndibagi luas kontak.

Saat Uji Geser: τ meningkat secara linear terhadap perpindahan, akan tetapi berangsur-angsur menjadi tidak linear hingga pada saat tercapai nilai

maksimumnya. Nilai τ maksimum = nilai τ_P& nilai perpindahan pada saat kondisi ini disebut perpindahan geser puncak.

Setelah τ_Ptercapai, τ akan turun dan berangsur-angsur mencapai nilai konstan & disebut τ_R.

Jika τ_P& τ_Rdiperoleh dari tingkat τ_Nyang berbeda dengan jenis batuan yang sama, secara ideal akan diperoleh kurva hubungan linear antara kuat geser terhadap masing-masing tingkat tegangan normal.

Permukaan bidang diskontinu alami pada batuan tidak selalu halus, bahkan hampir 100% kasar. Semakin kasar permukaan batuan meningkatkan kekuatan geser pada batuan.

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Alat Uji Geser

Langsung & Creep

(14)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Creep Geser

0. 34 m 0. 5 m 0 .4 7 m 7 6 5 8 9 10 12 1 2 3 4 11 0.6 m 0.9 m 1.59 m 0.22 m TA 3111 Mekanika Batuan – S

tegangan geser τ perpindahan u contoh contoh tegangan normal σ Tegangan geser τ Perpindahan u

kuat geser puncak

kuat geser sisa Tegangan ges

er τ Tegangan normal σ τ_P φp φr τ = Cp + σtan φp τ = Cr+ σ tan φr τ_R Residual strength T egangan ges er τ Tegangan normal σ τ_P Cp – cohesive strength φp τ = Cp + σtan φp σ tan φp Peak strength Clay Kuarsa

(15)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Bentuk patahan yang terjadi setelah

batuan mengalami pergeseran

i_p ir

F

n

F

s Cetakan semen Contoh batuan TA 3111 Mekanika Batuan – S

Batu Pasir

KURVA KEKUATAN GESER NATURAL

τs = 217,02 + σn tan 40,74o R2_{= 0,8767} τp = 728,68 + σn tan 44,28o R2_{= 0,9368} 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 200 400 600 800 1000 1200 1400

TEGANGAN NORMAL (kPa)

T E G A N G A N G ESE R ( kPa ) Puncak Sisa

KURVA KEKUATAN GESER JENUH

τs = 108.64 + σn tan 52,17o R2_{= 0.8903} τp = 105,92 + σn tan 57,25o R2_{= 0,9401} 0 200 400 600 800 1000 0 200 400 600 800 1000

TEGANGAN NORMAL (kPa)

T E GA N G A N GE S E R ( kP a) Puncak Sisa

(16)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

τ 45o σ_N σ_N T P 5 x 5 x 5 cm Ball bearing Tegangan Normal σ_N

Bevelled Dies Shear Test

A N A 45 Sin N = = o P

σ

A

T

A

45 Cos

₌

=

P

o

τ

Tegangan Geser τ α α=30o _α=40o _α=50o P (kg) 1076.92 1938.91 3383.86 A (cm2₎ _21.48 _22.52 _22.16 σ_N(kg.cm2₎ _25.07 _55.34 _116.98 τ (kg.cm2₎ _43.42 _65.95 _98.15 TA 3111 Mekanika Batuan – S

Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan

Tegangan normal

Massa batuan pada umumnya mempunyai rekahan yang ditimbulkan oleh pembebanan sejak awal pembetukan 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.

(17)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Data Uji Geser

-

1

Horizontal Displacement

(mm}

FH{kN} σH {kPa} Displacement Vertical {mm} FN {kPa} σN {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 TA 3111 Mekanika Batuan – S

SHER DISP (mm) SHEARING FORCE, kg NORMAL DISPL ( x 0,01 mm ) FORWARD SHEARING 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 REVERSE SHEARING 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 : ( σn ) = Pn /A

(18)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan

Bidang geser dan material pengisi pada bidang geser

Kuat geser akan berkurang secara signifikan ketika sebagian atau seluruh permukaan tidak sepenuhnya kontak, melainkan ditutupi oleh material pengisi yang relatif lunak seperti lempung

Keruntuhan geser batuan dengan bidang diskontinu yang terisi material lunak mengalami dua tahap. Pertama tegangan dan perpindahan geser hanya

dipengaruhi oleh kekuatan material pengisi. Kedua, setelah terjadi perpindahan, permukaan batuan mengalami kontak kemudian kekuatan dari bidang diskontinu ditentukan oleh kekasaran dan kekuatan bidang geser itu sendiri

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan

Pengaruh kehadiran air dan tekanan air

Kehadiran air pada massa batuan menyebabkan permukaan bidang diskontinu akan tertekan sebagian sehingga tegangan normal

menjadi berkurang.

Kecepatan geser pada permukaan yang basah lebih lambat dibandingkan dengan permukaan yang kering.

(19)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan

Dimensi contoh uji

Massa batuan di alam mempunyai sifat & struktur yang heterogen serta kompleks. Contoh batuan yang digunakan untuk uji di laboratorium diharapkan sebagai representatif dari massa batuan berikut sifat dan perilakunya. Semakin besar dimensi contoh yang digunakan, maka contoh tersebut semakin merepresentasikan massa batuan.

Tetapi menurut hasil penelitian uji geser tidak terlalu fungsi dari ukuran

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

K

riteria Kuat Geser Batuan

Kriteria Mohr-Coulomb Linear

τ = C + μσ

Keterangan:

τ = tegangan geser

C = kohesi

σ = tegangan normal

(20)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

K

riteria Kuat Geser Batuan

Kriteria Dilatansi

Pada pengujian kuat geser langsung, selain perpindahan lateral, terjadi juga perilaku dilatansi.

Dilatansi merupakan perpindahan vertikal (searah tegangan normal) selama uji kuat geser. Model gigi gergaji merupakan ilustrasi yang baik untuk menjelaskan perilaku ini.

Pada kondisi ini tidak akan ada perpindahan selama resultan gaya berada pada batas sudut geser gerigi.

Akan tetapi jika resultan gaya di luar batas tersebut, akan terjadi pergerakan pada arah i. Rekahan akan terbuka dan dilatansi terjadi pada bidang geser tersebut.

Tegangan normal σn akan bereaksi melawan dilatansi ini. Apabila penggeseran dilanjutkan, gerigi akan kelebihan beban dan akan tergeserkan secara langsung. Pergeseran akan terus berlanjut sejajar terhadap bidang geser umum tanpa ada dilatansi

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

τ = C + σ tan (Φ + i)

Keterangan:

τ = tegangan geser

C = kohesi

σ = tegangan normal

μ = koefisien geser dalam dari batuan = tan Φ

i = sudut dilatasi

i i σ_H σ_H σ_N σ_N

(21)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Kecepatan

U

ltrasonik

Uji (ISRM 1981) untuk mengukur cepat rambat gelombang ultrasonik pada contoh batu sebelum uji UCS.

9 cepat rambat gelombang primer (VLp) 9 cepat rambat gelombang sekunder (VLs).

Modulus Elastik dinamik dapat dihitung.

Kemampugalian batuan ditentukan juga oleh karakteristik dinamiknya, karena perjalanan gelombang akibat benturan mata bor dan gigi-gigi alat gali terhadap batuan merupakan gerakan dinamik.

Setiap batuan selalu memiliki rekahan awal (pre-existing cracks). Tergantung dari proses pematangannya didalam, rekahan awal ini dapat saja bertambah.

Menaiknya rekahan awal akan menurunkan kecepatan ultrasonik.

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Kecepatan Rambat Gelombang

Ultrasonik

Kecepatan rambat gelombang tekan

Kecepatan rambat gelombang geser

Modulus Young dinamik

Modulus geser dinamik

Nisbah Poisson dinamik

(22)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Gelombang suara

Gelombang infrasonik, frekuensi < 20 Hz Gelombang sonik, frekuensi 20 Hz – 20 kHz Gelombang ultrasonik, frekuensi > 20 kHz

Tipe Batuan Lokasi Jumlah

Contoh vp(m/s) SD CoV (%)

Gamping Cibinong 5 3870,57 190,56 4,92

Breksi Tufa Pongkor 5 3691,21 224,60 6,08

Granit Karimun 5 5402,34 178,24 3,30

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Gelombang Ultrasonik

Gelombang merupakan suatu getaran mekanik, hal ini dapat dijelaskan dengan

karakteristik gelombang sinusoida seperti dijelaskan dengan sebuah getaran pada seutas tali yang getaran pada seutas tali yang bergerak ke arah sumbu x dengan waktu t dan kecepatan v yang berbentuk kurva sinus.

Gelombang ultrasonik termasuk dalam kelompok getaran mekanik yang melibatkan gaya-gaya mekanik selama melakukan penjalaran dalam suatu medium. Akibatnya gelombang ini tergantung pada elastisitas medium penjalarnya. Fenomena ini terlihat pada perubahan panjang gelombang (l), jika gelombang ultrasonik tersebut dijalarkan pada medium yang berbeda elastisitasnya.

Gelombang Longitudinal

Apabila arah pergerakan partikel-partikel medium sama arahnya dengan arah penjalaran gelombang, maka gelombang tersebut dinamakan gelombang longitudinal atau

gelombang tekan. Gelombang longitudinal dapat dijalarkan dalam medium padatan maupun medium fluida cair dan gas.

Gelombang Transversal

Arah pergerakan partikel-partikel medium dapat menyudut terhadap arah penjalaran gelombang. Gelombang seperti ini disebut gelombang transversal atau gelombang geser. Umumnya kecepatan penjalaran gelombang transversal setengah kali kecepatan

penjalaran gelombang longitudinal pada medium yang sama. Gelombang permukaan

Penjalaran gelombang ultrasonik dapat juga terjadi di permukaan medium padatan. Kedalaman medium padatan yang dipengaruhi oleh gerak gelombang adalah kira-kira satu panjang gelombang.

(23)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Cepat Rambat Gelombang Tekan & Geser

L = panjang contoh (m)

tp = waktu yang dibutuhkan gelombang tekan merambat sepanjang contoh (detik) ts = waktu yang dibutuhkan gelombang geser merambat sepanjang contoh (detik)

p

t

L

V

=

s

p

t

L

V

=

Parameter Dinamik

Modulus Geser: G = ρ.v

_s2

ρ = massa per satuan volume

⎪⎭

⎪

⎬

⎫

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

−

⎪⎭

⎪

⎬

⎫

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

−

=

₂ p s 2 p s

V

1

2 V

V

2

1 v

Nisbah Possion:

Modulus Young Dinamik: E = 2 (1+ν)

G

Konstanta Lame: λ = ρ (v

_p2

_{– 2 v}

s2

)

Modulus Ruah: K = (ρ/3)

(3v

_p2

_{– 4 v}

(24)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Hubungan UCS &

Kecepatan Ultrasonik Vp

Vp untuk pemilihan alat gali dan penentuan keberadaan kekar

Hubungan UCS & Vp sulit ditentukan tanpa memperhitungkan faktor-faktor di dalam batuan.

Faktor-faktor: beban pada contoh saat pengujian, porositas, pre-existing

crack, bobot isi, kandungan air, ukuran butir & komposisi mineral.

Kahraman (2001) hubungan non-linear antara σc dan Vp dengan

menggunakan variasi contoh batuan dari penelitiannya Goktan & Wade et al. sehingga lebih andal utk prediksi UCS daripada Vp.

Referensi Persamaan Tipe Batuan Goktan (1988) Wade et al. (1993) Kahraman (2001) σ_c= 0,036v_p*_{- 31,18} σc = 0,055v_p* - 91,44 σ_c= 9,95v_p1,21 batuan sedimen

-batuan beku, -batuan sedimen, -batuan metamorf

vp*= Kecepatan gelombang tekan (m/det) vp = Kecepatan gelombang tekan (km/det)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Kriteria Runtuh Hoek

-

Brown

Hoek & Brown (1980) usul metoda untuk menduga

kekuatan massa batuan terkekarkan.

Metodanya dimodifikasi sejak diusulkan (Hoek, 1983;

Hoek & Brown, 1988).

Aplikasinya berlaku untuk kualitas massa batuan sangat

buruk yang perlu perubahan (Hoek, Wood & Shah,

1992)

Pengembangan Klasifikasi Baru disebut Geological

Strength Index – GSI (Hoek, Kaiser & Bawden, 1995;

Hoek, 1995; Hoek & Brown, 1997).

Sejarah pengembangannya dapt ditemukan di Hoek

(25)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Kriteria Hoek

-

Brown

σ’₁& σ’₃adalah tegangan efektif maksimum & minimum saat batuan runtuh, m_b adalah nilai konstanta Hoek & Brown m untuk massa batuan

s & a adalah konstanta yg bergantung pada karakteristik massa batuan σ_ciadalah UCS batuan utuh

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Sifat Batuan Utuh

Hubungan antara tegangan prinsipal saat suatu batuan runtuh

diberikan oleh σ

_ci

& m

_i

.

Selang nilai σ

₃

’ sangat kritikal.

Hoek & Brown (1980) gunakan 0 < σ

₃

’ < 0.5 σ

_ci

(26)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Penentuan

σ

_ci

and m

_i

y = mσ_cix + sσ_ci x = σ₃’ y = (σ₁’ –σ₃’)2 TA 3111 Mekanika Batuan – S

Penentuan

(27)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Pendugaan Lapangan UCS

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Pendugaan Lapangan UCS

(28)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Nilai m

_i

Untuk Batuan Utuh

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Nilai m

(29)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Catatan

Uji laboratorium pada batuan sangat britel kuat cenderung

memberikan nilai tinggi pada kuat tekan batuan insitu.

Uji laboratorium & lapangan pada Lac du Bonnet granite dgn

kualitas baik (Martin & Chandler, 1994) menunjukkan bhw

kuat tekan insitu hanya sekitar 70% dari UCS laboratorium

Penentuan UCS pada batuan anisotropic & foliated sangat

sulit.

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Peak Strength of Moura DU Coal

(Medhurst & Brown, 1996)

(30)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Kekuatan Puncak

Moura DU Coal

(Medhurst & Brown, 1996)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Geological

Strength

Index

(31)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Pendugaan m & s Dengan GSI

(Hoek, 1994; Hoek et al., 1995)

m

_b

= m

_i

exp [(GSI – 100)/28]

For GSI > 25

9

s = exp [(GSI-100)/9]

9

a = 0.5

For GSI < 25

9

s = 0

9

a = 0.65 – (GSI/200)

Pendugaan m & s Dengan GSI

(Hoek, 1994; Hoek et al., 1995)

Massa batuan kualitas baik (GSI>25), nilai GSI dapat diduga secara langsung dari RMR Bieniawski Ver. 1976 dgn groundwater rating 10 (dry) & adjustment utk joint orientation 0 (very favourable).

Bieniawski’s RMR tidak digunakan untuk menduga nilai GSI pada massa batuan buruk.

Bila RMR Bieniawski Ver. 1989 digunakan maka:

GSI = RMR89’ – 5

RMR89’ punya groundwater rating 15 & adjustment utk joint

(32)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Apakah GSI ?

Controlled blasting Bulk blasting

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Pendugaan m & s Dengan GSI

(Hoek, 2002)

m

_b

= m

_i

exp [(GSI – 100)/(28-14D)]

s = exp [(GSI-100)/(9-3D)]

D = Disturbance Factor

(33)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Disturbance Factor, D

Appearance or rock

mass Description of rock mass

Suggested value of D Excellent quality controlled

blasting or excavation by Tunnel Boring Machine results in minimal disturbance to the confined rock mass

surrounding a tunnel.

D = 0

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Disturbance Factor, D

Appearance or rock

Suggested value of D Mechanical or hand

excavation in poor quality rock masses (no blasting) results in minimal disturbance to he surrounding rock mass. Where squeezing problems result in significant floor heave, disturbance can be severe unless a temporary invert, as shown in the photograph, is placed.

D = 0

D = 0.5 (no invert)

(34)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Disturbance Factor, D

Appearance or rock

Suggested value of D

Very poor quality blasting in a hard rock tunnel results in severe local damage, extending 2 or 3 m, in the surrounding rock mass.

D = 0.8

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Disturbance Factor, D

Appearance or rock

Suggested value of D Small scale blasting in civil

engineering slopes results in modest rock mass damage, particularly if controlled blasting is used as shown on the left hand side of the photograph. However, stress relief results in some

disturbance. D = 0.7 Poor blasting D = 1.0 Good blasting

(35)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Disturbance Factor, D

Appearance or rock

Suggested value of D Very large open pit mine

slopes suffer significant disturbance due to heavy production blasting and also due to stress relief from overburden removal. In some softer rocks

excavation can be carried out by ripping and dozing and the degree of damage to the slopes is less. D = 1.0 Production blasting D = 0.7 Mechanical excavation TA 3111 Mekanika Batuan – S

Parameter Mohr

(36)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Parameter Mohr

-

Coulomb

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Ringkasan Sejarah Pengembangan

Kriteria Runtuh Hoek

-

Brown

1980

Hoek E. and Brown E.T. 1980. Underground Excavations

in Rock . London: Institution of Mining and Metallurgy 527

pages.

Hoek, E. and Brown, E.T. 1980. Empirical strength

criterion for rock masses. J. Geotech. Engng Div., ASCE

106(GT9), 1013-1035.

1983

Hoek, E. 1983. Strength of jointed rock masses, 23rd.

Rankine Lecture. Géotechnique 33(3), 187-223.

(37)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Ringkasan Sejarah Pengembangan

Kriteria Runtuh Hoek

-

Brown

1988

Hoek E and Brown E.T. 1988. The Hoek-Brown failure

criterion - a 1988 update. Proc. 15th Canadian Rock Mech.

Symp. (ed. J.H. Curran), pp. 31-38. Toronto: Civil

Engineering Dept., University of Toronto.

1990

Hoek, E. 1990. Estimating Mohr-Coulomb friction and

cohesion values from the Hoek-Brown failure criterion.

Intnl. J. Rock Mech. & Mining Sci. & Geomechanics

Abstracts. 12(3), 227-229.

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Ringkasan Sejarah Pengembangan

Kriteria Runtuh Hoek

-

Brown

1992

Hoek, E., Wood, D. and Shah, S. 1992. A modified

Hoek-Brown criterion for jointed rock masses. Proc. rock

characterization, symp. Int. Soc. Rock Mech.: Eurock ‘92,

(J.Hudson ed.). 209-213.

1994

Hoek, E. 1994. Strength of rock and rock masses, ISRM

News Journal, 2(2), 4-16.

(38)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Ringkasan Sejarah Pengembangan

Kriteria Runtuh Hoek

-

Brown

1995

Hoek, E., Kaiser, P.K. and Bawden. W.F. 1995. Support of

underground excavations in hard rock. Rotterdam:

Balkema

1997

Hoek, E. and Brown, E.T. 1997. Practical estimates of rock

mass strength. Intnl. J. Rock Mech. & Mining Sci. &

Geomechanics Abstracts. 34(8), 1165-1186.

1998

Hoek, E., Marinos, P. and Benissi, M. (1998) Applicability

of the Geological Strength Index (GSI) classification for

very weak and sheared rock masses. The case of the Athens

Schist Formation. Bull. Engg. Geol. Env. 57(2), 151-160.

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

Ringkasan Sejarah Pengembangan

Kriteria Runtuh Hoek

-

Brown

2000

Hoek, E. and Marinos, P. (2000) Predicting Tunnel

Squeezing. Tunnels and Tunnelling International. Part 1

-November Issue 2000,. 45-51, Part 2 - December, 2000,

34-36.

Marinos, P.G. and Hoek, E. (2000): "GSI: A geological

friendly tool for rock mass strength estimation",

Proceedings of the International Conference on

Geotechnical & Geological Engineering (GeoEng 2000),

Technomic Publishing Co. Inc., p.p. 1422-1440,

Melbourne, Australia.

2001

Marinos. P, and Hoek, E. (2001) - Estimating the

geotechnical properties of heterogeneous rock masses such

as flysch, Bull. Engg. Geol. Env. 60, 85-92.

(39)

TA 3111 Mekanika

Batuan –

S

SIFAT FISIK DAN MEKANIK BATUAN UTUH 3B2. Uji Triaksial

SIFAT FISIK DAN

MEKANIK BATUAN UTUH – 3B2

Suseno Kramadibrata

Made Astawa Rai

Ridho K Wattimena

Laboratorium Geomeknika

FIKTM - ITB

Uji Triaksial

Uji Triaksial



Uji ini untuk mengukur kekuatan contoh batu

berbentuk silinder dibawah tekanan triaxial.



Data hasil pengujian sangat diperlukan untuk

perhitungan:

strength envelope (kurva intrinsic)

shear strength (τ)

sudut geser dalam (φ)

kohesi (C)

Triaksial Sel Von Karman (1911) &

Triaksial Sel Von Karman (1911) &

Hoek & Franklin (1968)

Hoek & Franklin (1968)

Sel Triaksial Tipe

Sel Triaksial Tipe

Von Karman

Von Karman

Berbagai Triaksial Sel

Berbagai Triaksial Sel

Mohr Circles & Intrinsic Curve

Mohr Circles & Intrinsic Curve

Metode Tak Langsung Menentukan

Metode Tak Langsung Menentukan

UCS & UTS

UCS & UTS

β

σ

σ

σ

σ

σ

=

+

+

(

-

)cos

2

2

1

)

(

2

1

β

σ

σ

τ

=

(

-

)sin

2

2

1

φ

φ

φ

σ

σ

=

+

+

sin

-1

cos

2c

)

sin

_ax

_p

_ax

₃

₃

₃

₃