Mekanika Batuan-Sifat Mekanik Batuan Utuh-2

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

SIFAT FISIK DAN MEKANIK BATUAN UTUH – 3B2

Suseno Kramadibrata

Made Astawa Rai

Ridho K Wattimena

Laboratorium Geomeknika

FIKTM - ITB

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Uji TriaksialUji 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)

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Triaksial Sel Von Karman (1911) &Triaksial Sel Von Karman (1911) &Hoek & Franklin (1968)Hoek & Franklin (1968)

Tidak perlu penirisan minyak antar uji

Ukuran terbatas BQ, NQ & HQ

L/D = 2 – 2.5

σ3 max = 70 MPa

Selubung polyethylene mahal

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Sel Triaksial Tipe Sel Triaksial Tipe Von KarmanVon Karman

Dept. Teknik Pertambangan ITBWattimena & Kramadibrata (1997)

Kramadibrata, Wattimena and Simangunsong (1998)

1. Platen penekan2. Bola baja3. Spheical seat4. Alat bantu transducer5. Contoh batuan6. Piston berongga utk tekanan pori7. Sonic transmitter8. Sonic receiver9. Selubung karet10. Ring pengikat selubung karet11. Strain gauges12. Pipa utk tekanan pori13. Pipa utk kabel transducer14. Ruang fluida pemampat15. Dinding sel16. Lubang masuk fluida pemampat17. Lubang keluar fluida pemampat18. Lubang masuk tekanan udara19. Slide bearing20. Sliding seal21. Baut22. Seal pada plat dasar sel23. Lubang masuk tekanan pori24. Lubang keluar tekanan pori25. Port kable strain gauges26. Port kable transducer

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Berbagai Triaksial SelBerbagai Triaksial Sel

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Mohr Circles & Intrinsic CurveMohr Circles & Intrinsic Curve

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

Normal Stress (MPa)

Sh

ear

Str

ess

(MP

a) τ = 5.22 + σN Tan 32.81

Noσ3 σ1

(MPa) (MPa)

1 1.00 22.61

2 2.00 25.70

3 3.00 29.34

φ

τ = c + σN Tan φ

c

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

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

σ3 Minor principal stress /confining pressure

σ 1M

axim

um m

ajor

prin

cipa

l str

ess

at fa

ilure

τ= ½ (σ1 – σ3) Sin 2 βσ = ½ (σ1 + σ3) + ½ (σ1 – σ3) Cos 2 β

A B

D

E

Mohr - Coulomb

Mohr

2 β

β

β

σN

σ3

σ1

τ

τmax

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Metode Tak Langsung Menentukan Metode Tak Langsung Menentukan UCS & UTSUCS & UTS

τ = σn tan φ + c

2β = 90° + φPada kondisi tekan, σ1 = σc & σ3 = 0

Pada kondisi tarik, σ1 = 0 dan σ3 = - σt

Keterangan

τ = Tegangan geser

σN = Tegangan normal

σ1 = Tegangan prinsipal mayor

σ3 = Tegangan prinsipal minor

c = Kohesi

β = Sudut antara s1 dan sn

φ = Sudut gesek dalam

σc = Kuat tekan uniaksial (UCS)

σt = Kuat tarik uniaksial (UTS)

βσσσσσ ++= 2 )cos-(2

1)(

2

13131n

βσστ = 2)sin -(2

131

φφφσσ ++

=sin -1

cos 2c)sin (131

φφσ =

sin -1

cos 2cc

φφσ

+=

sin 1

cos 2ct

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Multistage Triaxial TestMultistage Triaxial Test

-20

0

20

40

60

80

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Strain

σ1- σ

3 (M

Pa

)

σ32 = 5 MPa

σ31 = 2 MPa

σ33 = 7.5 MPa

σ34 = 10 MPa

E1

E2

E3

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

σax &Vp vs. εax

pada triaksial

konvensional

pada batu pasir

Batupasir PT. Kideco Jaya Agung ROTO

NORTH Pit 4 Ardian Rosadi

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Pengaruh Pengaruh σσ33 Pada Pada Kurva Kurva σσ -- εε

Marmer Carrara(Von Karman, 1911)

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Pengaruh Pengaruh σσ33

Pada Kurva Pada Kurva σσ -- εε

0 MPa

2

Teg

anga

n ak

sial

(M

Pa)

200

100

400

300

64Regangan aksial (%)

8

23.5 MPa

50.0 MPa

600

500

165.6 MPa

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1 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 (%)

Dev

iato

ric s

tres

s (M

Pa)

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 (%)

Dev

iato

ric

stes

s (M

Pa)

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 Pengaruh Air Pada Kurva Triaksial σ σ −− εε

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

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 Pengaruh Air Pada Kurva Triaksial σσ –– εεBatupasir (Schwartz, 1964)Batupasir (Schwartz, 1964)

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Perilaku Keruntuhan Menurut Kecepatan Perilaku Keruntuhan Menurut Kecepatan Ultrasonik pada Uji TriaksialUltrasonik 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)

Dev

iato

ric

stre

ss (

MP

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 specimenSaturated specimen

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Faktor Berpengaruh Pada Kurva Triaksial Faktor Berpengaruh Pada Kurva Triaksial σσ –– εε

Pengaruh Suhu

5

500

σ1 −

σ3

(MP

a)

1500

1000

25 °C

2000

1510Regangan aksial (%)

500 °C

300 °C

800 °C

Com

pres

sive

str

engt

h, M

Pa

C o n fin in g p ressu re , M P a

2 0 0

5 00

1 5 00

1 00 0

6 0 04 0 0

ε = 10-4o

o -4ε = 10

2 00 0

2 50 0

ε = 1 0-2o

ε = 1o

o -1ε = 10

Pengaruh Strain Rate

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Variasi Deviatoric Variasi Deviatoric Stress vs Kemiringan Stress vs Kemiringan Bidang Lemah & s3Bidang Lemah & s3

(Donath, 1972 & Mc Lamore – Gray 1967)

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Uji Kuat Geser LangsungUji 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).

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

FaktorFaktor--faktor Yang Mempengaruhi Kuat faktor Yang Mempengaruhi Kuat Geser BatuanGeser 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 FN. Pada Uji Geser langsung, τ & σ N adalah representatif dari FS & FN dibagi 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 τP & nilai perpindahan pada saat kondisi ini disebut perpindahan geser puncak. Setelah τP tercapai, τ akan turun dan berangsur-angsur mencapai nilai konstan & disebut τR. Jika τP & τR diperoleh dari tingkat τN yang 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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Alat Uji Geser Alat Uji Geser Langsung & CreepLangsung & Creep

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Creep GeserCreep Geser

0.34

m0.

5 m

0. 4

7 m

7

6 5

8

9

10

12

1 2

34

11

0.6 m 0.9 m

1.59 m 0.22 m

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

tegangan geser τ

perp

inda

han

u

contoh

contoh

tegangan normal σ

Teg

anga

n ge

ser τ

Perpindahan u

kuat geser puncak

kuat geser sisa Teg

anga

n ge

ser

τ

Tegangan normal σ

τP

φp

φr

τ = Cp + σ tan φp

τ = Cr + σ tan φr τR

Residual strength

Teg

anga

n ge

ser

τ

Tegangan normal σ

τP

Cp – cohesive strength

φp

τ = Cp + σ tan φp

σ tan φp

Peak strength

Clay

Kuarsa

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Bentuk patahan yang terjadi setelah Bentuk patahan yang terjadi setelah batuan mengalami pergeseranbatuan mengalami pergeseran

ipir

Fn

Fs

Cetakan semenContoh batuan

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Batu PasirBatu 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)

TE

GA

NG

AN

GE

SE

R

(kP

a)

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)

TE

GA

NG

AN

GE

SE

R

(kP

a)

Puncak Sisa

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

τ45o σN

σNT

P

5 x 5 x 5 cm

Ball bearing

Tegangan Normal σN

Bevelled Dies Shear TestBevelled Dies Shear Test

A

N

A

45 SinN ==

o PσA

T

A

45 Cos==

o Pτ

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

σN (kg.cm2) 25.07 55.34 116.98

τ (kg.cm2) 43.42 65.95 98.15

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Faktor Eksternal Kuat Geser BatuanFaktor 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 tegangannormal.

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Data Uji GeserData Uji Geser--11

Horizontal Displacement

(mm}FH{kN} σH {kPa}

Vertical Displacement

{mm}FN {kPa} σN {kPa}

58.4255.8853.3450.8048.2645.72

0.002.302.903.202.902.42

0.0085.29

107.54118.66107.5489.74

14.1514.2214.4014.3014.1714.02

3.533.533.533.533.533.53

130.90130.90130.90130.90130.90130.90

43.184064

38.1035.5633.02

4.904.804.744.263.68

181.70178.00175.77157.97136.46

13.8413.7913.7413.6913.61

9.309.309.309.309.30

344.87344.87344.87344.87344.87

30.4827.9425.4022.8620.32

8.808.718.107.707.20

326.32322.99300.37285.53266.99

13.4113.3113.2113.0812.95

18.6018.6018.6018.6018.60

689.73689.73689.73689.73689.73

17.7815.2412.7010.167.62

13.8013.0011.8010.709.20

511.74482.07437.57396.78341.16

12.6512.3211.8911.4011.30

37.2037.2037.2037.2037.20

1379.461379.461379.461379.461379.46

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

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 kgSaw cut plane : circle

- Length : 4.57 cm- Width : 4.57 cm- Area ( A ) : 16.410 cm2

Normal Stress : ( σn ) = Pn /A= 5 kg/cm2

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1


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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1


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.

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1


Dimensi contoh ujiMassa batuan di alam mempunyai sifat & struktur yang heterogen serta kompleks. Contoh batuan yang digunakan untuk uji di laboratoriumdiharapkan 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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

KKriteria Kuat Geser Batuanriteria Kuat Geser Batuan

Kriteria Mohr-Coulomb Linear

τ = C + μσKeterangan:

τ = tegangan geser

C = kohesi

σ = tegangan normal

μ = koefisien geser dalam dari batuan = tan Φ

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

KKriteria Kuat Geser Batuanriteria Kuat Geser Batuan

Kriteria DilatansiPada 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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

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

σH

σH

σN

σN

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Kecepatan Kecepatan UUltrasonikltrasonik

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

cepat rambat gelombang primer (VLp)

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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Kecepatan Rambat Gelombang Kecepatan Rambat Gelombang UltrasonikUltrasonik

Kecepatan rambat gelombang tekan

Kecepatan rambat gelombang geser

Modulus Young dinamik

Modulus geser dinamik

Nisbah Poisson dinamik

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Gelombang suaraGelombang suara

Gelombang infrasonik, frekuensi < 20 Hz

Gelombang sonik, frekuensi 20 Hz – 20 kHz

Gelombang ultrasonik, frekuensi > 20 kHz

Tipe Batuan LokasiJumlah 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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Gelombang UltrasonikGelombang 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 LongitudinalApabila 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 TransversalArah 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 permukaanPenjalaran gelombang ultrasonik dapat juga terjadi di permukaan medium padatan. Kedalaman medium padatan yang dipengaruhi oleh gerak gelombang adalah kira-kira satu panjang gelombang.

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Cepat Rambat Gelombang Tekan & GeserCepat 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)

pp t

LV =

sp t

LV =

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Parameter DinamikParameter Dinamik

Modulus Geser: G = ρ.vs2

ρ = massa per satuan volume

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞−

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞−

=2

p

s

2

p

s

VV

12

VV

21

vNisbah Possion:

Modulus Young Dinamik: E = 2 (1+ν) G

Konstanta Lame: λ = ρ (vp2 – 2 vs

2)

Modulus Ruah: K = (ρ/3) (3vp2 – 4 vs

2)

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Hubungan UCS & Hubungan UCS & Kecepatan Ultrasonik VpKecepatan 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)

σc = 0,036vp* - 31,18

σc = 0,055vp* - 91,44

σc = 9,95vp1,21

batuan sedimen

-

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

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

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Kriteria Runtuh HoekKriteria Runtuh Hoek--BrownBrown

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 (2002).

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Kriteria HoekKriteria Hoek--BrownBrown

σ’1 & σ’3 adalah tegangan efektif maksimum & minimum saat batuan runtuh, mb

adalah nilai konstanta Hoek & Brown m untuk massa batuan

s & a adalah konstanta yg bergantung pada karakteristik massa batuan

σci adalah UCS batuan utuh

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Sifat Batuan UtuhSifat Batuan Utuh

Hubungan antara tegangan prinsipal saat suatu batuan runtuh diberikan oleh σci & mi.

Selang nilai σ3’ sangat kritikal.

Hoek & Brown (1980) gunakan 0 < σ3’ < 0.5 σci

Setidaknya perlu 5 titik data utk dimasukan dalam analisis.

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Penentuan Penentuan σσcici and mand mii

y = mσcix + sσci

x = σ3’

y = (σ1’ – σ3’)2

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Penentuan Penentuan σσcici and mand mii

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Pendugaan Lapangan UCSPendugaan Lapangan UCST

A 3

111

Mek

anik

a B

atua

n –

Sifa

t Fis

ik &

Mek

anik

Bat

uan-

1

Pendugaan Lapangan UCSPendugaan Lapangan UCS

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Nilai mNilai mii Untuk Batuan UtuhUntuk Batuan UtuhT

A 3

111

Mek

anik

a B

atua

n –

Sifa

t Fis

ik &

Mek

anik

Bat

uan-

1

Nilai mNilai mii Untuk Batuan UtuhUntuk Batuan Utuh

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

CatatanCatatan

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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Peak Strength of Moura DU Coal Peak Strength of Moura DU Coal (Medhurst & Brown, 1996)(Medhurst & Brown, 1996)

σci = 32.7 MPa

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Kekuatan Puncak Kekuatan Puncak Moura DU CoalMoura DU Coal

(Medhurst & Brown, 1996)

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Geological Geological Strength Strength

IndexIndex

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Pendugaan m & s Dengan GSIPendugaan m & s Dengan GSI(Hoek, 1994; Hoek et al., 1995)

mb = mi exp [(GSI – 100)/28]

For GSI > 25s = exp [(GSI-100)/9]

a = 0.5

For GSI < 25s = 0

a = 0.65 – (GSI/200)

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Pendugaan m & s Dengan GSIPendugaan 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

orientation - zero

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Apakah GSI ?Apakah GSI ?

Controlled blasting Bulk blasting

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Pendugaan m & s Dengan GSIPendugaan m & s Dengan GSI(Hoek, 2002)

mb = mi exp [(GSI – 100)/(28-14D)]

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

D = Disturbance Factor

a = 1/2 + 1/6 [exp(-GSI/15)-exp(-20/3)]

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Disturbance Factor, DDisturbance Factor, D

Appearance or rock mass

Description of rock massSuggested

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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1




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)

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1




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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1




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

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1




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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Parameter MohrParameter Mohr--CoulombCoulomb

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1

Parameter MohrParameter Mohr--CoulombCoulombT

A 3

111

Mek

anik

a B

atua

n –

Sifa

t Fis

ik &

Mek

anik

Bat

uan-

1

Ringkasan Sejarah Pengembangan Ringkasan Sejarah Pengembangan Kriteria Runtuh HoekKriteria Runtuh Hoek--BrownBrown

1980Hoek 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.

1983Hoek, E. 1983. Strength of jointed rock masses, 23rd. Rankine Lecture. Géotechnique 33(3), 187-223.

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1


1988Hoek 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.

1990Hoek, 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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1


1992Hoek, 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.

1994Hoek, E. 1994. Strength of rock and rock masses, ISRM News Journal, 2(2), 4-16.

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1


1995Hoek, E., Kaiser, P.K. and Bawden. W.F. 1995. Support of underground excavations in hard rock. Rotterdam: Balkema

1997Hoek, E. and Brown, E.T. 1997. Practical estimates of rock mass strength. Intnl. J. Rock Mech. & Mining Sci. & Geomechanics Abstracts. 34(8), 1165-1186.

1998Hoek, 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

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1


2000Hoek, 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.

2001Marinos. P, and Hoek, E. (2001) - Estimating the geotechnical properties of heterogeneous rock masses such as flysch, Bull. Engg. Geol. Env. 60, 85-92.

TA

311

1 M

ekan

ika

Bat

uan

–S

ifat F

isik

& M

ekan

ik B

atua

n-1


2002Hoek, E., Carranza-Torres, C.T., and Corkum, B. (2002), Hoek-Brown failure criterion – 2002 edition. Proc. North American Rock Mechanics Society meeting in Toronto in July 2002.

Mekanika Batuan-Sifat Mekanik Batuan Utuh-2

Documents

Transcript of Mekanika Batuan-Sifat Mekanik Batuan Utuh-2