SIFAT FISIK DAN MEKANIK BATUAN UTUH

(1)

1

SIFAT FISIK DAN MEKANIK

BATUAN UTUH

YULIADI, S.T.,M.T

3.1 Proses Penyelidikan Geoteknkik

Proses perancangan sebuah tambang terbuka dan tambang bawah tanah biasanya mengikuti tahapan berikut :

• Pengeboran inti di lapangan

• Penyelidikan detail terhadap conto

• Pengujian geoteknik (optional)

• Perancangan dengan hasil berupa model, misalnya untuk tambang bawah tanah

(2)

2

Proses perancangan dan penyelidikan

geoteknik

Kualitas conto inti batuan adalah kunci awal keberhasilan proses penyelidikan geoteknik. Conto batuan harus diperoleh tanpa mengubah karakteristik aslinya. Jika dijumpai conto dalam kondisi sangat buruk, maka kehati-hatian dalam menganalisa perlu dilakukan.

(3)

3

3.2 Preparasi Contoh Batuan Utuh

Contoh batuan utuh dari lapangan dapat berupa :

• Bongkah (permukaan)

Preparasi dilakukan dengan pemotongan bongkah dengan alat potong untuk geometri dan dimensi yang sesuai dengan syarat pengujian.

• Inti silinder (pengeboran)

Preparasi dengan membor menggunakan alat bor inti (coring) yang diameter bit nya BQ, NQ, HQ (35-75 mm)

SIFAT BATUAN PARAMETER

Sifat fisik • Kandungan air • Bobot isi • Porositas

Kekerasan material • Kekerasan mineralogi • Kekerasan Mohs dan Rosival • Koefisien cementasi • Cone indenter

• Uji dynamic rebound • Shore sclrescope • Schmidt rebound hammer • Modified schmidt hammer Standar kuat batuan • Kuat tekan – UCS

• Kuat tarik brazilian • Kuat geser Perilaku konstitusi uji UCS • Young modulus

• Spesifik fracture energi • Toughness index Indeks kekuatan batuan • Index kegetasan

• Point load index – PLI • Impact stregth index – ISI • O & K wedge test

• Hargroove grindability index

• Breaking characteristic • Rock drilability • Driliing rate index • Drilability barre granite

Sifat dinamik • Kecepatan seismik lab

Abrasivitas • Schimazek factor

• Cerchar abrasivity index (CAI) Uji cuttability • Core cuttability

(4)

4

Pemboran inti dan pemotongan contoh

batuan di Laboratorium

3.3 Sifat Fisik Batuan Utuh

Sifat fisik batuan yang ditentukan untuk kepentingan penelitain geoteknik :

• Bobot isi asli (natural density)

• Bobot isi kering (dry density)

• Bobot isi jenuh (saturated density)

• Berat jenis semu (apparent specific density)

• Berat jenis sejati (true spesific gravity)

• Kadar air asli (natural water content)

• Kadar air jenuh (absorpsion)

• Derajat kejernuhan

• Porositas (n)

(5)

5

Peralatan untuk penentuan sifat fisik

batuan

3.5.1 Penimbangan Berat Contoh

1. Berat contoh asli (natural) : Wn

2. Berat contoh kering : Wo

3. Berat contoh jenuh : Ww

4. Berat contoh jenuh tergantung di dalam air : Ws

5. Volume contoh tanpa pori – pori : Wo – Ws

(6)

6

3.5.2 Perhitungan

Penentuan

Sifat

Fisik Batuan

1. Bobot isi asli :

2. Bobot isi kering :

3. Bobot isi jenuh :

4. Bobot jenis semu :

5. Bobot jenis sejati :

3.5.2 Perhitungan

Penentuan

Sifat

Fisik Batuan

6. Kadar air asli :

x 100%

7. Saturated water content :

x 100%

8. Derajat kejenuhan :

x 100%

9. Porositas (n) :

x 100%

10.Void ratio (e) :

(7)

7

3.4 Kekerasan Material Kristal Padat

Dan Kekerasan Mineral

Kekerasan mineral dapat dinyatakan dalam berbagai tipe seperti :

• Skala mohs kekerasan relatif mineral • Sifat toughness kekerasan relatif mineral • Knoop kekerasan indentantasi

• Vickers kekerasan indentantasi

3.5 Penentuan Sifat Mekanik Batuan di

Laboratorium

I. Uji kuat tekan uniaksial

II. Uji kuat tarik

III.Uji triaksial

IV.Uji kuat geser

(8)

8

1. Tujuan

Tujuan utama uji ini adalah untuk klasifikasi kekuatan dan karakteristik batuan utuh.

I. Uji Kuat Tekan Uniaksial

2. Syarat

Menurut SRTM (1981), contoh batuan uji berbentuk silinder dengan L/D bervariasi dari 2,5 – 3,0 dan sebaiknya diameter berukuran tidak kurang dari ukuran NX, ± 54 mm.

(9)

9

Pengukuran perpindahan aksial

Perubahan bentuk contoh batuan pada

uji kuat tekan (UCS)

(10)

10

3. Proses

Tahap ini menjelaskan tentang mekanisme pecah contoh batuan uji berupa penyebaran tegangan yaitu searah dengan gaya yang dikenakan pada contoh tersebut.

I. Uji Kuat Tekan Uniaksial

• Kurva tegangan regangan

• Kuat tekan uniaksial

• Modulus young

• Nisbah poisson

• Fraktur energi dan spesifik fraktur energi

4. Hasil

Susunan contoh batuan uji dengan

pelat baja penekan dan spherical seat

(11)

11

Tipe pecah contoh batuan hasil uji

kuat tekan uniaksial

Kurva tegangan regangan uji kuat

tekan uniaksial

(12)

12

Kurva lengkap tegangan regangan

Uji kuat tarik tak langsung - Brazilian

Menurut bieniawski (1967) dan Hawkes & Mellor (1971) serta ISRM (1981), kuat tarik suatu contoh batuan dapat dihitung dengan persamaan :

σt =

Keterangan :

σt: kuat tarik (MPa)

F : beban/gaya tarik yang menyebabkan contoh batuan hancur

D : diameter contoh batuan (mm) t : ketebalan contoh batuan (mm)

(13)

13

Contoh batuan uji kuat tarik brazilian

dan susunan jig

Uji kuat tarik langsung

Beberapa metode pelaksanaan uji kuat tarik langsung :

• Sistem grip (Obert, Windes & Duval, 1946)

• Sistem lem (Fairhurst, 1961)

(14)

14

Uji kuat tarik langsung (sistem grip

dan sistem lem)

Parameter Andesit_Lapuk Gamping

A B

Bobot isi (kN/m3) 0,024 0,025 0,027 Porositas (%) 16,37 7,98 0,85 Kuat tekan (MPa) 35,3 30,1 96,9 Modulus elastisitas (GPa) 4,913 3,1 2,4 Nisbah poisson 0,38 0,33 0,29 Kuat tarik brazillian (MPa) 3,73 3,79 5,92 Kuat tarik langsung rerata (MPa) - 4,54 8,13 Kuat tarik langsung dog-bone 11 contoh (MPa) - 4,69 9,11 Kuat tarik langsung silinder 12 contoh (MPa) 2,81 4,38 5,87 σc/σt - Brazillian 9,5 7,9 16,4 σc/σt – Rata–Rata 12,6 6,6 11,9 σc/σt – Silinder 12,6 6,9 16,5 σc/σt – Dog-Bone - 6,4 10,6

(15)

15

Kuat tarik Hoop

Prinsip : teori silinder berdinding tebal yang menunjukkan tekanan dari dalam lubang silinder berdinding tebal yang bersifat elastik akan menyebabkan tegangan tangensial dan radial.

(16)

16

Uji triaksial

Kriteria keruntuhan yang sering digunakan dalam pengolahan data uji triaksial adalah kriteria Mohr Coulomb dengan persamaan.

Τ = c + σntanΦ Parameter kekuatan batuannya :

• Kurva intrinsik

• Kuat geser

• Kohesi (C)

• Tegangan normal (σn)

• Sudut geser dalam (Φ)

III. Uji Triaksial

Lubang permukaan kerja tambang batubara

bawah tanah di Sawah Rasau IV Ombilin

(17)

17

Sel Triaksial

(18)

18

Sel triaksial tipe Hoek & Franklin (1968)

Pengaruh dari hasil uji triaksial

Terdapat beberapa pengaruh terhadap hasil uji triaksial :

• Tekanan pemampatan

• Tekanan pori

• Temperatur

• Laju deformasi

• Bentuk dan dimensi contoh batuan

• Anisotropik

(19)

19

Pengaruh tekanan pemampatan

terhadap kurva tegangan regangan

Pengaruh tekanan pori terhadap kurva

tegangan regangan (pasir & gamping)

(20)

20

Tipe deformasi batuan pada hasil uji

triaksial

Griggs & Handin (1960) menjelaskan deformasi makroskopik yang dialami batuan pada tekanan pemampatan yang tinggi dalam uji triaksial.

Tipe 1. deformasi getas berupa splitting

Tipe 2. deformasi getas berupa belahan berbentuk kerucut

Tipe 3. transisi dari getas ke duktil

III. Uji Triaksial

Contoh batu pasir merah hasil uji triaksial,

homogeneus shear & local shear

(21)

21

Diagram skematik berbagai tipe deformasi

batuan pada pengujian triaksial

Uji Triaksial Konvensional

Menurut Hoek (2000), untuk menentukan sifat mekanik batuan melalui uji triaksial konvensional diperlukan sekurang-kurangnya lima contoh batuan

(22)

22

Tahapan prosedur uji triaksial metode

konvensional

Uji triaksial multitahap

Uji ini merupakan variasi uji triaksial yang menghasilkan sifat mekanik batuan dengan tekanan pemampatan berbeda dan hanya 1 contoh.

• Uji triaksial multitahap oleh Kovari & Tisa (1975)

• Uji triaksial multitahap oleh Wylie & Crawford (1987)

• Uji triaksial multitahap oleh Pagoulatos (2004)

(23)

23

Uji triaksial metode multitahap

Skematik

alat

uji

triaksial

dengan

(24)

24

Foto pecahnya batuan hasil uji

triaksial multitahap

Uji kuat geser

Faktor – faktor yang mempengaruhi kuat geser batuan :

• Faktor intrinsik : kohesi dan sudut geser dalam • Faktor ekstrinsik : tegangan normal, keberadaan

dan tekanan air, mineralogi dan ukuran butiran, kekasaran permukaan geser, banyaknya bidang diskontinu, keberadaan material pengisi pada rekahan, laju pembebanan geser, tingkat kerusakan dan ukuran contoh.

(25)

25

Mekanisme uji geser langsung dan alat

uji geser langsung

Uji Cepat Rambat Gelombang

Ultrasonik

Ada beberapa gelombang yang berkaitan dengan uji ini yaitu :

• Gelombang longitudinal

• Gelombang tranversal

• Gelombang permukaan

• Gelombang ultrasonik

(26)

26

Diagram cara pengukuran gelombang

ultrasonik pada PUNDIT

3.6 Penentuan Sifat Mekanik Batuan di

Labooratorium Menurut Uji Indeks

1. Point Load Index (PLI) : uji index untuk

memprediksi nilai UCS secara tidak langsung.

2. Impact Strength Index (ISI) : penghancuran contoh batuan yang ditempatkan pada ISI dengan menjatuhkan piston 20x.

3. Block Punch Index (BPI) : alternatif baru uji index untuk nilai kuat tekan batuan

4. Schmidt hammer : menguji tingkat kekerasan dari batuan/beton.

(27)

27

Alat point load index

(28)

28

Alat uji block punch index

(29)

29

3.7 Penentuan Sifat Mekanik Massa

Batuan Insitu – 3D

1. Penentuan sifat mekanik batuan insitu

2. Karakteristik mekanik massa batuan

• Uji beban batuan rock loading test/jacking test

• Uji deformabilitas dengan Goodman Jack

• Uji geser insitu

• Uji triaksial in-situ

1. Penentuan sifat mekanik batuan

insitu

Dilakukan uji in-situ untuk menentukan sifat mekanik batuan yang lebih menguntungkan dibandingkan dengan uji di laboratorium karena menyangkut volume batuan yang besar sehingga hasilnya lebih representatif dan lebih menggambarkan keadaan massa batuan yang sebenarnya.

(30)

30

Berbagai

bentuk

runtuhan

bawah

tanah

Penetapan titik pemantauan convergence dan extensometer pada dinding terowongan

(31)

31

2. Karakteristik mekanik massa batuan

Hal ini ditentukan oleh sifat deformabilitas yang diinterpretasikan oleh modulus yang menjelaskan hubungan antara beban dengan deformasi yang dihasilkan.