Geoteknik - 001- Sifat Fisik Dan Mekanik Batuan

(1)

n P e le dak & T e k nik P e le dak a n S K Depa rtem e n T e k nik P e rtam banga n ITB

(2)

1 # T A 3 2 1 1 Baha n P e le dak & T e k nik P e le dak a n S K Depa rtem e n T e k nik P e rtam banga n ITB 2

(3)

n P e le dak & T e k nik P e le dak a n S K Depa rtem e n T e k nik P e rtam banga n

ITB

Klasifikasi Penggalian

Gali bebas dengan BWE _{Gali bebas dengan Dragline}

Penggaruan dengan Bulldozer Gali potong dengan VASM2D

(4)

(5)

Karakteristik Batuan Utuh

SIFAT FISIK



bobot isi



porositas



absorpsi



void ratio dan



kandungan air

SIFAT MEKANIK



kuat tekan, statik & dinamik



kuat tarik, statik & dinamik



modulus Young, statik & dinamik



nisbah Poisson, statik & dinamik



kuat geser

(6)

Kekuatan Batuan Utuh & Massa

Batuan

(7)

Karakteristik Fisik & Mekanik Statik

Batuan Utuh

Jenis batuan

Bobot isi

(t/m

3

₎

Kuat Tekan

(MPa)

Kuat Tarik

(MPa)

Modulus Young

(GPa)

Granit

2,5 – 2,8

70 - 300

8 - 30

35 – 80

Basalt

2,4 – 2,9

50 - 300

6 - 30

20 – 100

Batupasir

2,2 – 2,7

40 - 150

2 - 15

10 – 40

Dolerit

2,9 – 3,1

100 - 300

8 - 30

40 – 90

Batugamping

2,0 – 2,8

40 - 130

2 - 12

10 – 50

Andesit

2,5 – 2,8

70 - 150

5 - 15

30 – 60

(8)

Kuat Tekan Uniaksial (UCS)

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

(9)



Energi Fraktur Spesifik UCS = Wsf =

s

_c

x

e

_p

E

c

2

2 s



Toughness Indeks (Singh, 1983) = TI = x 100



Energi Fraktur UCS = Wf = ½ Fp x

D

l



Rock Toughness (Farmer, 1986) = RT=

E

c

2 s

Persamaan Kurva Tegangan

(10)

Kuat Tarik Brazilian

(UTS)



UTS << UCS



UCS/UTS =

Toughness ratio

=

Brittleness Index (BI)



BI semakin besar, kinerja

alat gali potong meningkat

beberapa kali lipat

F

Contoh

Batuan

Plat tekan

atas

Plat tekan

bawah

D

(11)

Kuat Tarik Dinamik



Kuat tarik dinamik batuan << kuat tekan statiknya.



Kuat tarik dinamik sangat penting untuk diketahui dalam

proses penggalian mekanis dan peledakan.



Tegangan tarik tangensial harus lebih besar daripada

kuat tarik dinamik agar terjadi rekahan radial



Bila spalling diinginkan untuk terjadi, kuat tarik dinamik

harus lebih kecil daripada tegangan tarik radial yang

dihasilkan dari pantulan pulsa tegangan tekan awal di

bidang bebas.

(12)

Klasifikasi Brittleness Index

Brittleness Index

Keterangan

6 – 7

Sangat tough & plastik

7 – 8

Tough & plastik

8 – 12

Rata-rata jenis batuan

12 – 15

Sangat brittle tak plastik

(13)

Kecepatan Ultrasonik



Uji (ISRM 1981) untuk mengukur cepat rambat gelombang

ultrasonik pada contoh batu sebelum uji UCS.



cepat rambat gelombang primer (V

_Lp

)



cepat rambat gelombang sekunder (V

_L

s).



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.

(14)

Kecepatan Rambat Gelombang

Ultrasonik



Kecepatan rambat gelombang tekan



Kecepatan rambat gelombang geser



Modulus Young dinamik



Modulus geser dinamik



Nisbah Poisson dinamik

Contoh PUNDIT l Transmitter Transducer Receiver Transducer F F

(15)

Point Load Index (PLI)



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

(16)

Tipe & Syarat Contoh Batuan Uji PLI

(ISRM, 1985)

L P D W L > 0,5D a. Uji Diametrikal D 0,3W < D < W b. Uji Aksial D L W1 W2 0,3W < D < W W = (W₁+W₂)/2 L > 0,5D P P P P P

(17)

Point Load Index

2 s

D

F

I



_s(50) ₂

D

F

k

I



45 . 0















50 D

k

I

_s

= Point load index, MPa

F = Failure load, N

D = Jarak antara dua konus penekan, mm

s

_c

= 23 I

_s

- Untuk diamater contoh 50 mm

Jika Is = 1 MPa, indeks tsb tidak memiliki arti, maka penentuan

kekuatan harus berdasarkan uji UCS

(18)



Rock Quality Designation (RQD)



Bidang diskontinuiti



Jarak antar bidang diskontinuiti

(19)

Bentuk Struktur Umum

(a)

(d)

(f)

(c)

(b)

(e)

(20)

Pengaruh Kekar Pada Peledakan

A

Orientasi bidang diskontinuitas ke arah pit : - Ketidakmantapan lereng

- Backbreak berlebih

Orientasi bidang diskontinuitas ke arah massa batuan :

- Toe tidak hancur

- Potensi batuan menggantung

B

Orientasi bidang diskontinuitas sejajar bidang bebas :

- Lereng mantap

- Arah lemparan terkontrol

Orientasi bidang diskontinuitas menyudut terhadap bidang bebas :

- Muka jenjang berblok-blok - Hancuran berlebih

(21)

Klasifikasi Jarak Kekar

(Attewell, 1993)

Deskripsi

Strukture Bidang Diskontinuiti

Jarak - mm

Very wide spaced

Very thickly bedded

> 2000

Widely spaced

Thickly bedded

600 - 2000

Moderately widely spaced

Medium bedded

200 - 600

Closely spaced

Thinly bedded

60 - 200

Very closely spaced

Very thinly bedded

20 - 60

Thickly laminated (sedimentary)

6 - 20

Narrow (metamorphic and igneous)

6 - 20

Foliated, cleaved, flow-banded, etc. metamorphic

6 - 20

Extremely closely spaced

< 20

Thinly laminated (sedimentary)

< 6

Very closely foliated, cleaved flow-banded, etc.

( metamorphic and igneous)

(22)

RQD vs.

l



Bila inti bor tidak tersedia, RQD dapat dihitung secara

tidak langsung dengan melakukan pengukuran orientasi

dan jarak antar diskontinuiti pada singkapan batuan.



Persamaan Priest & Hudson (1976):

RQD = 100 e

-0.1

l

_(0.1

l

_{+ 1)}

(23)

Rock Quality Designation - RQD



RQD =

X 100%

(m)

bor

total

Panjang

m

0.10 bor

inti

total

Panjang



L = 24 cm L = 18 cm L = 0 L = 11 cm L = 49 cm

Tidak ada yang lebih besar sama dengan 10 cm a n ja n g T o ta l C o re R u n = 2 0 0 c m RQD = ((24+18+11+49)/200)) x 100% RQD = 51%



Jumlah potongan inti

bor diukur pada inti bor

sepanjang 2 m,



Potongan akibat

penanganan pemboran

harus diabaikan dari

perhitungan



Into bor yang lembek

dan tidak baik berbobot

RQD = 0 (Bieniawski,

(24)

(25)

Klasifikasi Metode Penggalian

Menurut UCS

Metoda

s

c

(Mpa)

Alat

Free digging

1 - 10

Shovel/loader/BWE

Ripping

10 - 25

Ripper

Rock Cutting

10 - 50

Rock cutter

(26)

Kriteria Indeks Kekuatan Batu

(27)

Klasifikasi Massa Batuan



Sistem klasifikasi massa batuan sering gunakan > 2 parameter,

tergantung kepentingannya.



Klasifikasi massa batuan dibuat untuk memenuhi (Bieniawski, 1989):

1. Untuk mengidentifikasi parameter yang paling mempengaruhi

perilaku massa batuan.

2. Untuk membagi massa batuan kepada kelompok grup yang

berperilaku sama, yaitu kelas massa batuan dengan kualitas

berbeda.

3. Untuk melengkapi suatu dasar pengertian karakteristik

masing-masing kelas.

4. Untuk menghubungkan pengalaman atas pengamatan suatu

kondisi massa batuan di satu tempat dengan lainnya.

(28)

Rock Mass Rating

(Bieniawski, 1973)



Sistem Rock Mass Rating (RMR), atau sering juga dikenal sebagai

Geomechanics Classification



Klasifikasi ini telah dimodifikasi berulang kali begitu informasi baru dari

studi-studi kasus diperoleh dan menjadikannya sesuai dengan

International Standard dan prosedur.



RMR terdiri dari 5 parameter utama & 1 parameter pengontrol untuk

membagi massa batuan

1. Kuat Tekan Batuan utuh (UCS)

2. RQD

3. Jarak diskontinuiti/kekar

4. Kondisi diskontinuiti/kekar

5. Kondisi air tanah

6. Koreksi dapat dilakukan bila diperlukan untuk “Orientasi

diskontinuiti/kekar

”

(29)

RMR – A

Klasifikasi Parameter & Pembobotan

Parameter Selang Nilai

1

Kuat tekan PLI (MPa) > 10 4 - 10 2 - 4 1 - 2 Untuk kuat tekan rendah perlu UCS batuan utuh UCS (MPa) > 250 100 - 250 50 - 100 25 - 50 5-25 1-5 <1

Bobot 15 12 7 4 2 1 0 2 RQD (%) 90 - 100 75 - 90 50 - 75 25 - 50 < 25 Bobot 20 17 13 8 3 3 Jarak diskontinuiti > 2 m 0.6-2 m 0.2-0.6 m 0.06-0.2 m < 0.06 m Bobot 20 15 10 8 5 4 Kondisi diskontinuiti sangat kasar, tdk menerus, tdk ada pemisahan, dinding batu tdk lapuk agak kasar. pemisahan < 1 mm, dinding agak lapuk agak kasar. pemisahan < 1 mm, dinding sangat lapuk Slicken-sided /tebal gouge < 5 mm, atau pemisahan 1-5 mm, menerus

Gouge lunak tebal > 5 mm, atau pemisahan > 5 mm, menerus Bobot 30 25 20 10 0 Air tanah Aliran/10 m panjang tero-wongan (Lt/min) None < 10 10 - 25 25 - 125 > 125 5 Tekanan air kekar/MaksTegang 0 < 0.1 0.1 - 0.2 0.2 - 0.5 > 0.5

(30)

RMR - B

Peubah bobot orientasi diskontinuiti

Jurus & kemiringan orientasi diskontinuiti Sangat mengun-tungkan Mengun-tungkan Sedang Tidak menguntungkan Sangat tidak menguntungkan Terowongan 0 - 2 - 5 - 10 - 12 Bobot Fondasi 0 - 2 - 7 - 15 - 25 Lereng 0 - 5 - 25 - 50 - 60 Bobot 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 - 21 < 20

No. Kelas I II III IV V

Description Batuan sangat baik Batuan baik Batuan sedang

Batuan buruk Batuan sangat buruk

No. Kelas I II III IV V

Stand up time rata-rata 20 th. utk 15 m span 1 th. utk 10 m span 1 mgg utk 5 m span 10 jam utk 2.5 m span 30 min utk 1 m span Kohesi massa batuan (kPa) > 400 300 - 400 200 - 300 100 - 200 < 100

Sudut gesek dalam > 450 ₃₅0_{- 45}0 ₂₅0_{- 35}0 ₁₅0_{- 25}0 _{< 15}0

RMR - C

Kelas massa batuan menurut bobot total

RMR - D

(31)

ITB

Profil kekasaran

(roughness) & pemeriannya

(ISRM, 1981).

Panjang profile dalam

selang 1 - 10 m

Skala vertikal & horizontal

(32)

Pengaruh Orientasi Kekar Dalam

Pembuatan Terowongan & Penggalian

(Bieniawski, 1989: Fowell & Johnson, 1991)

1 Pengaruh jurus & kemiringan kekar untuk penerowongan

Jurus tegak lurus sumbu terowongan Jurus paralel Dip 0 - 20o

Galian searah

kemiringan Galian melawan kemiringan sumbu terowongan

Tdk tergantung jurus kemiringan 45-90o a = 20-450

a

= 45-900

a

= 20-450

a

= 45-900

a

= 20-450 Sangat mengun-tungkan Mengun-tungkan Sedang Tidak mengun-tungkan Sangat tdk menguntungkan Sedang Tdk menguntungkan

2 Koreksi orientasi untuk penggalian dengan RMR (Fowell & Johnson, 1991)

Kelas Batuan I II III IV V

Orientasi jurus & kemiringan

Sangat

mengun-tungkan Menguntungkan Sedang

Tidak menguntungkan Sangat tidak menguntungkan Bobot untuk penggalian -12 -10 -5 -2 0

(33)

Rock Mass Quality - Q System



Klasifikasi Massa Batuan menurut Q-System dibuat di

Norwegia pada tahun 1974 oleh Barton, Lien dan Lunde,

semuanya dari Norwegian Geotechnical Institute.



Pembobotan Q-System didasarkan atas penaksiran

numerik kualitas massa batuan dengan menggunakan 6

parameter berikut ini:



RQD



Jumlah set kekar



Kekasaran kekar atau diskontinuiti utama



Derajat alterasi atau pengisian sepanjang kekar yang paling

lemah

(34)

Q System



RQD = Rock quality designation

Jn

= Jumlah set kekar



Jr

= Angka kekasaran kekar

Ja

= Angka alterasi kekar



Jw

= Angka reduksi kondisi air

SRF = Faktor reduksi tegangan



Ukuran blok - (RQD/Jn)



Kuat geser blok utuh - (Jr/Jn)



Tegangan aktif - (Jw/SRF)

SRF

J

x

J

x

J

RQD

Q

w

a

r

n



(35)

ITB

Deskripsi & Nilai Q-Sistem (Barton dkk,

1974)

1. Rock Quality Designation RQD (%)

A. Very poor 0 - 25

B. Poor 25 - 50

C. Fair 50 - 75

D. Good 75 - 90

E. Excellent 90 -100

2. Modified Joint Set Number (Kirsten, 1982) Jn

A. Massive, none or few joints 1.0 B. One joint set / fissure set 1.22 C. One joint set / fissure set / plus random 1.5 D. Two joint sets / fissure set 1.83 E. Two joint sets / fissure set / plus random 2.24 F. Three joint sets / fissure set 2.73 G. Three joint sets / fissure set / plus random 3.34 H. Four joint sets / fissure set 4.09 J. Multiple joint / fissure set 5.0

3. Joint Roughness Number Jr

(a) Rock wall contact and Note :

(b) Rock wall contact before 10 cm shear 1.0 Add 1.0 if the meanspacing of the relevant A. Discontinuous joint 4.0 joint set is greater than 3 m

B. Rough or irregular, undulating 3.0 2. Jr = 0.5 can be used for planar slickensided C. Smooth, undulating 2.0 joints the lineations are favorable oriented

(c) No rock wall contact when sheared

H. Zone containing clay minerals thick

enough to prevent rock wall contact 1.0b J. Sandy, gravelly/crushed zone thick enough

(36)

1 # T A 3 2 1 1 Baha n P e le dak & T e k nik P e le dak a n S K Depa rtem e n T e k nik P e rtam banga n ITB 36 4. Joint Alteration Number

Ja fr (a) Rock wall contact

A. Tightly healed, hard, nonsoftening, impermeable filling, i.e., quartz or epidote 0.75

B. Unaltered joint walls, surface staining only 1 25-35o

C. Slightly altered joint walls. Non-softening mineral

coatings, sandy particles, clay-free disintegrated rock, etc. 2 25-30o

D. Silty or sandy clay coatings, small clay fraction (non-softening) 3 20-25o

E. Softening or low-friction clay mineral coatings, i.e., kaolinite, mica. Also chlorite, talc, gypsum,

& graphite, etc., & small quantities of swelling clays (discontinuous coatings, 1-2 mm or less in thickness) 4 8-16o

(b) Rock wall contact before 10 cm shear

F. Sandy particles, clay-free disintegrate rock etc. 4 25-30o

G. Strongly over-consolidated, non-softening clay mineral fillings (continuous, < 5 mm in thickness) 6 16-24o

H. Medium or low over-consolidation, softening, clay mineral fillings (continuous,< 5 mm in thickness) 8 12-16o

J. Swelling clay fillings, i.e., monmorilonite (continuous, < 5 mm in thickness). Value of Ja depends on percentage of swelling clay sized particles, and acces to water, etc.

8 6-12o

(c) No rock wall contact when sheared

K. Zones or bands of disintegrated or crushed rock & clay (see G., H., J., for description of clay condition) 6-8 or 16-24o

8-12 L. Zones or bands of silty or sandy clay, small clay fraction (nonsoftening) 5.0 M. Thick, continuous zones or bands of clay (see G., H., J., for description of clay condition) 10-13 or

13-20 6-24o

(37)

ITB _{5. Stress Reduction Factor} _`SRF

(a) Weakness zones intersecting excavation, which may cause loosening of rock mass when tunnel is excavated A. Multiple occurences of weakness zonescontaining clay or chemically disintegrated rock,

very loose surrounding rock (any depth) 10.0

B. Single-weakness zones containing clay or chemicallydisintegrated rock (depth of excavation < 50 m) 5.0 C. Single-weakness zones containing clay or chemically disintegrated rock (depth > 50 m) 2.5 D. Multiple-shear zones in competent rock (clay-free), loose surrounding rock (any depth) 7.5 E. Single-shear zones in competent rock (clay-free) & (depth of excavation < 50 m) 5.0 F. Single-shear zones in competent rock (clay-free) & (depth of excavation > 50 m) 2.5 G. Loose open joints, heavily jointed or "sugar cube", etc. (any depth) 5.0

(b) Competent rock, rock stress problems s_c/s1 s_t/s1

H. Low stress, near surface >200 >13 2.5

J. Medium stress 200-10 13-0.66 1.0

K. High-stress, very tight structure (usually favorableto stability, may be

unfavorable to wall stability 10-5 0.66-0.33 0.5-2.0

L. Mild rock burst (massive rock) < 25 < 0.16 10-20

(c) Squeezing rock; plastic flow of incompetent rock under the influence of high rock pressures

N. Mild squeezing rock pressure 5-10

O. Heavy squeezing rock pressure 10-20

(d) Swelling rock: chemical swelling activity depending on presence of water

P. Mild swelling rock pressure 5-10

(38)

6. Joint Water Reduction Factor

Approx water pressure Jw

(kg/cm

2