MAKALAH
MEKANIKA BATUAN
SIFAT MEKANIK BATUAN
DISUSUN OLEH
S1 TEKNIK PERTAMBANGAN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MULAWARMAN
SAMARINDA
2016
ARDI PURNAWAN
1309055026
BAB I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Mekanika batuan adalah salah cabang disiplin ilmu geomekanika. Mekanika batuan
merupakan ilmu yang mempelajari sifat-sifat mekanik batuan dan massa batuan.
Hal ini menyebabkan mekanika batuan memiliki peran yang dominan dalam
operasi penambangan, seperti pekerjaan penerowongan, pemboran, penggalian,
peledakan dan pekerjaan lainnya.
Sehingga untuk mengetahui sifat mekanik batuan dan massa batuan dilakukan
berbagai macam uji coba baik itu dilaboratorium maupun dilapangan langsung atau
secara insitu.
Untuk mengetahui sifat mekanik batuan dilakukan beberapa percobaan seperti uji
kuat tekan uniaksial, uji kuat tarik, uji triaksial dan uji tegangan insitu.
Mekanika batuan sendiri mempunyai karakteristik mekanik yang diperoleh dari
penelitian ini adalah kuat tekan batuan (σt), kuat tarik batuan (σc ), Modulus Young
(E), Nisbah Poisson (v), selubung kekuatan batuan (strength envelope), kuat geser
(τ), kohesi (C), dan sudut geser dalam (φ).
Masing-masing karakter mekanik batuan tersebut diperoleh dari uji yang berbeda.
Kuat tekan batuan dan Modulus Young diperoleh dari uji kuat tekan uniaksial. Pada
penelitian ini nilai kuat tekan batuan dan Modulus Young diambil dari nilai
rata-rata hasil pengujian lima contoh batuan. Untuk kuat tarik batuan diperoleh dari uji
kuat tarik tak langsung (Brazillian test). Sama dengan uji kuat tekan uniaksial, uji
kuat tarik tak langsung menggunakan lima contoh batuan untuk memperoleh kuat
tarik rata-rata. Sedangkan selubung kekuatan batuan, kuat geser, kohesi, dan sudut
geser dalam diperoleh dari pengujian triaksial konvensional dan multitahap.
Selain mengamati sifat mekanik atau dinamik dari batuan dalam praktikum ini juga
akan diamati sifat fisik batuan tersebut, dengan mengamati bobot dan masa jenisnya
dalam beberapa keadaan.
BAB II
PEMBAHASAN
Sifat Fisik dan Sifat Mekanik Batuan
Batuan merupakan zat padat yang terbentuk dari kumpulan mineral yang berbeda dan mempunyai komposisi kimia yang tetap dan merupakan penyusun kerak bumi. Batuan terbentuk melalui proses geologi yang panjang dan selama proses geologi seperti aktivitas magmatisme dan proses sedimentasi sangat berpengaruh terhadap sifat fisik batuan tersebut sedangkan pengaruh struktur geologi akan berpengaruh terhadap sifat mekanis dari batuan tersebut. Oleh sebab itulah batuan memiliki sifat fisiki maupun sifat mekanis.
Sifat Fisik
Sifat fisik batuan merupakan sifat yang dimiliki oleh batuan tersebut bersamaan saat batuan tersebut terbentuk. Sifat fisik batuan tersebut misalnya porositas, berat jenis, permaebilitas, absorpsii, dan derajat kejenuhan.
Sifat Mekanik Batuan
Sifat mekanik batuan adalah sifat yang dimiliki batuan karena adanya pengaruh gaya – gaya dari luar yang bekerja pada batuan tersebut.
Pengujian Sifat Mekanis Batuan
a) Uji Kuat Tekan (Unconfined Compressive Strength Test)
Uji ini menggunakan mesin tekan (compression machine) untuk menekan sampel batuan yang berbentuk silinder dari satu arah (uniaxial). Penyebaran tegangan di dalam sampel batuan secara teoritis adalah searah dengan gaya yang dikenakan pada sampel tersebut. Tetapi dalam kenyataannya arah tegangan tidak searah dengan gaya yang dikenakan pada sampel tersebut karena ada pengaruh dari plat penekan mesin tekan yang menghimpit sampel, sehingga bentuk pecahan tidak terbentuk bidang pecah yang searah dengan gaya melainkan berbentuk kerucut cone.
Perbandingan antara tinggi dan diameter sampel (l/d) mempengaruhi nilai kuat tekan batuan. Untuk pengujian kuat tekan digunakan yaitu 2 < l/d < 2,5. Semakin besar maka kuat tekannya bertambah kecil seperti ditunjukkan oleh persamaaan dibawah ini.
Menurut ASTM : C (l = d) = C 0,788 +
d
l /
222
,
0
Menurut Proto Diakonov : C (l = 2d) =
d
l
C/
2
7
8
Dengan C kuat tekan batuan.Makin besar
d
l
, maka kuat tekannya akan bertambah kecil.
Gambar 1 Perubahan Sampel
Persamaan umum kuat tekan (tegangan)
A
F
Keterangan : D = Diameter (m) l = Panjang (m)
= Tegangan (N/m2)F = Besarnya gaya yang bekerja pada percontohan batuan pada saat terjadi keruntuhan (failure) sehingga pada grafik merupakan keadaan yang paling puncak (N).
A = Luas penampang percontohan batuan yang diuji (m2)
Batas Elastis
Plastisitas adalah karakteristik batuan yang membuat regangan (deformasi) permanen yang besar sebelum batuan tersebut hancur (failure). Perilaku batuan
dikatakan elastis (linier maupun non linier) jika tidak terjadi deformasi permanen jika suatu tegangan dibuat nol.
Pada tahap awal batuan dikenakan gaya. Kurva berbentuk landai dan tidak linier yang berarti bahwa gaya yang diterima oleh batuan dipergunakan untuk menutup rekahan awal (pre exiting cracks) yang terdapat di dalam batuan. Sesudah itu kurva menjadi linier sampai batas tegangan tertentu, yang kita kenal dengan batas elastis lalu terbentuk rekahan baru dengan batas elastis perambatan stabil sehingga kurva tetap linier. Sesudah batas elastis dilewati maka perambatan rekahan menjadi tidak stabil, kurva tidak linier lagi dan tidak berapa lama kemudian batuan akan hancur. Titik hancur ini menyatakan kekuatan batuan. Harga batas elastis dinotasikan dengan C dimana pada grafik diukur pada saat
grafik regangan aksial meninggalkan keadaan linier pada suatu titik tertentu, Titik ini dapat ditentukan dengan membuat sebuah garis singgung pada daerah linier dengan kelengkungan tertentu hingga mencapai puncak (peak). Pada titik tersebut diproyeksikan tegak lurus ke sumbu tegangan aksial sehingga didapat nilai batas elastis C.
Gambar 2 Kurva Tegangan-Regangan
Harga batas elastis dinotasikan dengan C dimana pada grafik diukur pada saat
grafik regangan aksial meninggalkan keadaan linier pada suatu titik tertentu, titik ini dapat ditentukan dengan membuat sebuah garis singgung pada daerah linier dengan kelengkungan tertentu hingga mencapai puncak (peak). Pada titik tersebut diproyeksikan tegak lurus ke sumbu tegangan aksial sehingga didapat nilai batas elastis C.
τ
Modulus Young
Harga dari Modulus Young dapat ditentukan sebagai perbandingan antara selisih tegangan aksial (τ) dengan selisih tegangan aksial (o), yangdiambil pada
perbandingan tertentu pada grafis regangan aksial dihitung pada rata-rata kemiringan kurva dalam kondisi linier, atau bagian linier yang terbesar di kurva sehingga didapat nilai Modulus Young rata-rata dalam hubungan sebagai berikut :
Gambar 3
Kurva Pengambilan Nilai 𝝈 dan a Possion’s Ratio
Harga poisson’s ratio didefinisikan sebagai harga perbandingan antara regangan lateral dan regangan aksial pada kondisi tegangan sebesar σi. Harga tegangan
sebesar σi yang diukur pada titik singgungantara grafik tegangan volumetrik
dengan garis sejajar sumbu tegangan aksial pada saat regangan grafik volumetrik mulai berubah arah.
Titik singgung tersebut diproyeksikan tegak lurus sumbu tegangan aksial didapat nilai σi. Melalui titik σi buat garis tegak lurus ke sumbu tegangan aksial, sehingga
memotong kurva regangan aksial dan lateral.Kemudian masing-masing titik potong tersebut diproyeksikan tegak lurus ke sumbu regangan aksial dan lateral sehingga didapatkan nilai εai dan εli.
Sehingga dari nilai-nilai tersebut dapat ditentukan besarnya poisson’s ratio dalam hubungan sebagai berikut :
ai li
v
, pada tegangan
i Gambar 4Pengambilan Nilai εai dan εli b) Uji Kuat Tarik Tak Langsung
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kuat tarik (tensile strength) dari percontoh batu berbentuk silinder secara tidak langsung. Alat yang digunakan adalah mesin tekan seperti pada pengujian kuat tekan.
Kuat tarik :
𝜎𝑡 = 𝑃 𝜋𝑅𝐻
Gambar 5 Pengujian Kuat Tarik
Uji ini dilakukan untuk mengetahui kekuatan dari sampel batuan secara tak langsung di lapangan. Sampel batuan dapat berbentuk silinder atau tidak beraturan.
Gambar 6
Bentuk Sampel Batu Untuk Point Load Test
d) Uji Triaksial
Salah Pengujian ini adalah salah satu pengujian yang terpenting dalam mekanika batuan untuk menentukan kekuatan batuan di bawah tekanan triaksial. Percontoh yang digunakan berbentuk silinder dengan syarat-syarat sama pada pengujian kuat tekan.
Gambar 7
Kondisi Tekanan Pada Pengujian Triaksial
Dari hasil uji triaksial dapat ditentukan :
Diametricaltest P L > P L D Irregular lump P 𝐷 𝐿= 1,0 − 1,4 D = 50 L L D Axial test D P 𝐷 𝐿= 1,1+ 0,05
Strength envelope (kurva intrinsik), yaitu kurva yang menunjukan kekuatan batuan terhadap tahanan batuan yang berada di atasnya dimana terdapat kohesi dan sudut geser dalam sebagai parameter keruntuhan batuan.
Kuat geser (shear strength), yaitu gaya tahanan internal yang bekerja per satuan luas masa batuan untuk menahan keruntuhan atau kegagalan sepanjang bidang runtuh dalam masa batuan tersebut.
Sudut geser dalam (ϕ), yaitu sudut yang dibentuk dari hubungan antara tegangan normal dan tegangan geser di dalam material tanah atau batuan. Sudut geser dalam adalah sudut rekahan yang dibentuk jika suatu material dikenai tegangan atau gaya terhadapnya yang melebihi tegangan gesernya.
Kohesi (C), yaitu gaya tarik menarik antara partikel dalam batuan, dinyatakan dalam satuan berat per satuan luas. Kohesi batuan akan semakin besar jika kekuatan gesernya makin besar.
f) Uji Sudut Geser Langsung
Uji ini untuk mengetahui kuat geser batuan pada tegangan normal tertentu. Dari hasil uji dapat ditentukan:
Garis coulomb`s shear strength Kuat geser (shear strength) Sudut geser dalam (ϕ) Kohesi (C)
g) Kuat Tekan (Uniaxial)
Kuat tekan (uniaxial) yang diuji dengan suatu silinder atau prisma terhadap titik pecahnya. Penekanan uniaksial terhadap contoh batuan silinder merupakan uji sifat mekanik yang paling umum digunakan. Uji kuat tekan uniaksial dilakukan untuk menentukan kuat tekan batuan (σi), Modulus Young (E), Nisbah Poisson (v) dan kurva
tegangan-regangan. Contoh batuan berbentuk silinder ditekan atau dibebani sampai
runtuh. Perbandingan antara tinggi dan diameter contoh silinder yang umum digunakan adalah 2 sampai 2.5 dengan luas permukaan pembebanan yang datar, halus dan paralel tegak lurus terhadap sumbu aksis contoh batuan.
h) Kuat Tarik (Tensile Strength)
Kuat tarik (tensile strength) ditentukan dengan uji Brazilian dimana suatu piringan ditekan sepanjang diameter atau dengan uji langsung yang meliputi tarikan sebenarnya atau bengkokan dari prisma batuan.Kekuatan batuan dapat diukur secara insitu (di lapangan) sebaik pengukuran di laboratorium. Regangan (deformasi)
diukur di areatambang kemudian dihubungkan terhadap tegangan dengan berpedoman pada konstanta elastik dari laboratorium. Tegangan sebelum penambangan merupakan kondisi tegangan asli, sulit dihitung, tetapi merupakan parameter desain tambang yang penting. Kondisi tegangan yang berkembang selama penambangan merupakan hal penting yang harus diperhatikan dalam operasi tambang sebaik dalam perancangan tambang. Regangan yang dihasilkan dari pola tegangan baru diukur dari waktu ke waktu atau dimonitor secara menerus selama penambangan berlangsung. Kekuatan batuan dapat diukur secara insitu (di lapangan) sebaik pengukuran dilaboratorium. Regangan (deformasi) diukur di area tambang kemudian dihubungkan terhadap tegangan dengan berpedoman pada konstanta elastik dari laboratorium. Tegangan sebelum penambangan merupakan kondisi tegangan asli, sulit dihitung, tetapi merupakan parameter desain tambang yang penting. Tegangan tersebut umumnya diperkirakan dan diberi beberapa kuantifikasi dengan memasang sekelompok pengukur tegangan elektrik dalam rosette pada permukaan batuan, memindahkan batuan-batuan yang berdekatan, dan mengukur respons tegangan sebenarnya yang dilepaskan. Kondisi tegangan yang berkembang selama penambangan merupakan hal penting yang harus diperhatikan dalam operasi tambang sebaik dalam perancangan.
i) Hammer test
Hammer Test adalah suatu metode pemeriksaan mutu batuan tanpa merusak batuan.
Disamping itu dengan menggunakan metode ini akan diperoleh cukup banyak data dalam waktu yang relatif singkat dengan biaya yang murah. Metode pengujian ini dilakukan dengan memberikan beban impact (tumbukan) pada permukaan batuan dengan menggunakan suatu massa yang diaktifkan dengan menggunakan energi yang besarnya tertentu. Jarak pantulan yang timbul dari massa tersebut pada saat terjadi tumbukan dengan permukaan batuan dapat memberikan indikasi kekerasan juga setelah dikalibrasi, dapat memberikan pengujian ini adalah jenis hammer.
Alat ini sangat berguna untuk mengetahui keseragaman batuan pada struktur. Karena kesederhanaannya, pengujian dengan menggunakan alat ini sangat cepat, sehingga dapat mencakup area pengujian yang luas dalam waktu yang singkat. Alat ini sangat peka terhadap variasi yang ada pada permukaan batuan, misalnya keberadaan partikel batu pada bagian-bagian tertentu dekat permukaan. Oleh karena itu, diperlukan pengambilan beberapa kali pengukuran disekitar setiap lokasi pengukuran, yang hasilnya kemudian dirata-ratakan. British Standards (BS) mengisyaratkan
pengambilan antara 9 sampai 25 kali pengukuran untuk setiap daerah pengujian seluas maksimum 300 mm2.
j) Uji Sifat Fisik Batuan Dengan Gelombang Ultrasonik
Uji sifat fisik batuan dengan gelombang ultrasonik ini yaitu menggunakan alat sonic
viewer sx 5251. Alat ini mampu memancarkan gelombang ultrasonik yang memiliki
frekuensi 20 KHz. Gelombang ultrasonik digunakan untuk mendeteksi objek jauh lebih detail terutama pada benda – benda yang padat, gelombang ultrasonik tersebut dipantulkan melalui permukaan benda yang akan diamati. Gelombang ultrasonik tersebut merambay karena merupakan rambatan energi dan momentum mekanika sehingga merambat sebagai interaksi dengan molekul dan inersia medium yang dilaluinya. Perrambatan gelombang tersebut menyebabkan getaran partikel dengan medium amplitudo sejajar dengan arah rambat secara longitudinal sehingga menyebabkan partikel maedium membentuk rapatan dan tegangan. Periode rapatan dan rengangan benda tersebutlah yang akan diamati untuk mengetahui sejauh mana sifat elastisitas batuan, density, dan rigiditas suatu batuan, melalui korelasi data nilai kecepatan rambat gelombang S dan P, modulus geser, dan possion ratio.
D. Hubungan Tegangan dan Rengangan
a) Tegangan
Tegangan adalah suatu reaksi akibat adanya beban atau gaya. Ada 3 macam tegangan sebelum massa batuan mengalami gangguan, antara lain :
Tegangan gravitasi, yaitu tegangan yang terjadi karena berat dari batuan yang berada di atas massa batuan.
Tegangan tektonik, yaitu tegangan yang terjadi akibat aktivitas tektonik pada kulit bumi.
Tegangan sisa, yaitu tegangan yang masih tersisa walaupun penyebab terjadinya tegangan tersebut sudah hilang.
Pada gambar di bawah memeperlihatkan diagram tegangan yang berkerja pada sebuah benda berbentuk segi empat dalam dua dimensi (bidang) dengan sumbu x dan y. pada bidang miring dimana normalnya membuat sudut θ terhadap sumbu x bekerja tegangan normal Tn dan tegangan geser tnt yang nilainya merupakan fungsi dari Tx,
Ty dan Txy yang bekerja pada bidang-bidang yang tegak lurus terhadap sumbu x dan y.
Gambar 8
Diagram Tegangan pada Bidang
Ax = An cos θ Ay = An sin θ Dimana :
Ax = Luas penampang bidang yang tegak lurus sumbu x Ay = Luas penampang bidang yang tegak lurus sumbu y An = Luas penampang bidang miring
Dalam keadaan setimbang : Tn = 2 2 Ty Tx Ty Tx
cos 2 θ + Txy sin 2 θ b) Regangan
Regangan adalah perubahan bentuk atau volume akibat adanya tegangan. Pada saat sampel batuan yang di uji menerima beban yang meningkat secara teratur, maka kondisi sampel batuan cenderung mengalami perubahan bentuk. Perubahan bentuk ini akan terjadi dalam arah lateral (Δd) dan aksial (Δ1), sehingga pada sampel batuan
secara langsung mengalami pula perubahan bentuk secara volumetrik. Berdasarkan keadaan tersbut dapatlah didefinisikan bahwa perubahan bentuk arah lateral terhadap diameter disebut ”regangan lateral” (εl) dan perubahan bentuk arah aksial terhadap
tinggi disebut ”regangan aksial” (εa) serta perubahan bentuk secara volumetrik disebut
”regangan volumetrik” (εv). x T Tx Tx Tx Txy T y A Ay A θ Txyθ Txy Tx Ty θ Tn θ Tn
Δd = Δd1 – Δd2
Gambar 9
Kondisi Batuan Yang Menerima Beban
Sehingga didapat :
Regangan lateral :εl = Δd / d
Regangan aksial : εa = Δl / l
Regangan volumetrik : εv = εa + 2 εl
Perubahan yang terjadi dari gambar di atas adalah bertambahnya diameter dan berkurangnya tinggi dari benda uji. Sehingga regangan lateral seringkali dinyatakan dalam minus. Dengan nilai-nilai regangan tersebut oleh Bieniawski ditentukan sebagai dasar untuk menyatakan gambaran tahap utama dari kelakukan batuan, yang digambarkan dalam suatu grafik hubungan antara tegangan aksial dengan regangan aksial, regangan lateral, serta regangan volumetrik. Grafik tersebut dapat digunakan untuk menentukan sifat mekanik batuan.
c) Hubungan Tegangan-Regangan
Bila ada sebuah batang yang mengalami gaya tekan maka batang tersebut akan mengalamai perpendekan dan regangan yang terjadi disebut regangan tekan. Dari teori kekuatan bahan tegangan tarik dapat ditentukan dengan membagi beban dengan luas penampang.
Hubungan tegangan (σ) dan regangan (∈) yang berbanding lurus di dapat dengan rumus :
𝜎 = E x ∈
𝜎 = Tegangan (N/m2) E = Modulus Elastis (N/m3)
∈ = Regangan (m)
l
Δd
1Δd
2Δl
1Δl
2d
Gambar 10
Hubungan Tegangan-Regangan
d) Mohr Coloumn
Pemecahan geometri untuk tegangan-tegangan dengan arah yang berbeda didapat dengan mohr coloumn. Dari gambar 2.13. menunjukan adanya hubungan antara kuat tekan uniaksial, triaksial dan kuat tarik batuan utuh dalam mohr coloumn. Langkah-langkah dalam pembuatan mohr coloumn dan cara mendapatkan nilai kohesi dan sudut geser dalam, sebagai berikut :
Buat sumbu vertikal untuk tegangan geser dan sumbu horisontal untuk kuat tekan dan kuat tarik dengan skala yang sama.
Nilai dari kuat tekan berada disebelah kanan sumbu vertikal sedangkan nilai kuat tarik berada disebelah kiri sumbu vertikal.
Plotkan nilai kuat tekan dan nilai kuat tarik dari data yang telah diketahui membentuk setengah lingkaran.
Setelah diplot tarik garis singgung menyinggung lingkaran kuat tekan dan kuat tarik.
Nilai kohesi didapatkan dari perpotongan antara garis singgung dan sumbu tegak. Sudut geser dalam diperoleh dari besarnya sudut yang dibentuk garis singgung
Gambar 2.13.
Lingkaran Mohr dan Kurva Intrinsik Hasil Pengujian Triaksial
Tabel 1
Tabel Kuat tekan uniaksial dan kuat tarik dari beberapa jenis batuan
Jenis Batuan Kuat Tekan (MPa) Kuat Tarik (MPa) Batuan Intrusif Granit 1000-2800 40-250 Diorit 1800-3000 150-300 Gabro 1500-3000 50-300 Dolerit 2000-3500 150-350 Batuan Ekstrusif Riolit 800-1600 50-90 Dasit 800-1600 30-80 Andesit 400-3200 50-110 Basal 800-4200 60-300 Tufa Vulkanik 50-600 5-45 Batuan Sedimen Batupasir 200-1700 40-250 Batugamping 300-2500 50-250 Dolomit 800-2500 150-250 Serpih 100-1000 20-100 Batubara 50-500 20-50 Batuan Metamorfik Kuarsit 1500-3000 100-300 Gneiss 500-2500 40-200 Marmer 1000-2500 70-200 Sabak 1000-2000 70-200
DAFTAR PUSTAKA
Tim Asisten Laboratorium Tambang, Februari 2014, “Diktat Penuntun Praktikum Geomekanika”. Bandung, Laboratorium Tambang Universitas Islam Bandung. Anonim, 1979, “Buku Panduan Mekanika Batuan”, Universitas Gajah Mada,
Yogyakarta. Laboratorium Mekanika Batuan Bagian Teknik Sipil Fakultas Teknik.
Astawa, Dr. Ir Made Rai & Kramadibrata, Dr. Ir. Suseno. 2005, “Mekanika Batuan”. Bandung. ITB.
