Upload
resky-ekky
View
321
Download
10
Embed Size (px)
Citation preview
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
1/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
SIFAT FISIK DAN
MEKANIK BATUAN UTUH – 3B2
Suseno Kramadibrata
Made Astawa Rai
Ridho K Wattimena
Laboratorium Geomeknika
FIKTM - ITB
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a 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)
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
2/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a 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
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Sel Triaksial TipeSel Triaksial TipeVon KarmanVon KarmanDept. 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 t ransmitter
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
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
3/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
4/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
5/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Berbagai Triaksial SelBerbagai Triaksial Sel
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
6/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a 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)
S h e a r S t r e s s ( M P a )
τ = 5.22 + σN Tan 32.81
Noσ
3
σ
1
(MPa) (MPa)
1 1.00 22.61
2 2.00 25.70
3 3.00 29.34
φ
τ = c + σN Tan φ
c
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Mohr Coulomb – Linear
Mohr – 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 1
M a x i m u m m
a j o r p r i n c i p a l s t r e s s a t
f a i l u r e
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
σNσ3
σ1
τ
τmax
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
7/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Metode Tak Langsung MenentukanMetode Tak Langsung Menentukan
UCS & UTSUCS & UTS
τ = σn tan φ + c
2β = 90° + φ
Pada kondisi tekan, σ1 = σc & σ3 = 0
Pada kondisi tarik, σ1 = 0 dan σ3 = - σtKeterangan
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-(21 31
φφφσ
σ++
=sin-1
cos2c)sin(131
φφ
σ =sin-1
cos2cc
φφσ
+=
sin1
cos2ct
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
8/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a 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
1 - 3 ( M P a )
σ32 = 5 MPa
σ31 = 2 MPa
σ33 = 7.5 MPa
σ34 = 10 MPa
E1
E2
E3
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
σax &Vp vs. εax
pada triaksial
konvensional
pada batu pasir
Batupasir PT. Kideco
Jaya Agung ROTO
NORTH Pit 4
Ardian Rosadi
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
9/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
PengaruhPengaruh σ33 PadaPada
KurvaKurva σ -- ε
Marmer Carrara(Von Karman, 1911)
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
PengaruhPengaruh σ33Pada KurvaPada Kurva σ -- ε
0 MPa
2
T e g a n g a n a k s i a l
( M P a )
200
100
400
300
64
Regangan aksial (%)
8
23.5 MPa
50.0 MPa
600
500
165.6 MPa
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
10/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1 Kwasnieski (1990)
Kurva perbedaan tegangan –regangan longitudinal spesimenBogdanka mudstone kondisi keringdan basah yang diuji pada teganganpengukungan 20 MPa.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4 5 6
Strain (%)
D e v i a t o r i c s t r e s s ( 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 i a t o r i c s t e s s ( 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 TriaksialPengaruh Air Pada Kurva Triaksial σ ε
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
150
100
tekananaksial(MPa)
50
regangan aksial (%)
1 2
55.2
69.0
62.1
41.4
0
27.6
Pengaruh Air Pada Kurva TriaksialPengaruh Air Pada Kurva Triaksial σ – – εBatupasir (Schwartz, 1964)Batupasir (Schwartz, 1964)
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
11/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Perilaku Keruntuhan Menurut KecepatanPerilaku Keruntuhan Menurut Kecepatan
Ultrasonik pada Uji TriaksialUltrasonik pada Uji Triaksiala. 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 e v i a t o r i c s t r e s s ( M P a )
σ3 = 4 MPa
σ3 = 16 MPa
σ3 = 12 MPa
σ3 = 8 MPa
σ3 = 4 MPa
σ3 = 8 MPa
σ3 = 12 MPaσ3 = 16 MPa
Dried specimen
Saturated s pecimen
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Faktor Berpengaruh Pada Kurva TriaksialFaktor Berpengaruh Pada Kurva Triaksial σ – – ε
Pengaruh Suhu
5
500
σ 1
−
σ 3
( M P a )
1500
1000
25 °C
2000
1510
Regangan aksial (%)
500 °C
300 °C
800 °C C o m p r e s s i v e s t r e n g t h ,
M P a
Conf in ing pressure, MPa
20 0
50 0
1 5 0 0
1 0 0 0
60 040 0
ε = 10-4o
o -4ε = 10
2 0 0 0
2 5 0 0
ε = 10-2o
ε = 1oo -1ε = 10
Pengaruh Strain Rate
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
12/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Variasi DeviatoricVariasi Deviatoric
Stress vs KemiringanStress vs Kemiringan
Bidang Lemah & s3Bidang Lemah & s3(Donath, 1972 &
Mc Lamore – Gray 1967)
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a 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).
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
13/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Faktor Faktor --faktor Yang Mempengaruhi Kuatfaktor Yang Mempengaruhi Kuat
Geser BatuanGeser Batuan
Laju perpindahan geser konstan akan mengindikasikan gaya geser yangbekerja pada batuan tersebut. τ yang dibutuhkan batuan tersebut untuk mulaimembentuk 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 tetapiberangsur-angsur menjadi tidak linear hingga pada saat tercapai nilaimaksimumnya. Nilai τ maksimum = nilai τP & nilai perpindahan pada saatkondisi 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 yangsama, secara ideal akan diperoleh kurva hubungan linear antara kuat geserterhadap masing-masing tingkat tegangan normal.
Permukaan bidang diskontinu alami pada batuan tidak selalu halus, bahkanhampir 100% kasar. Semakin kasar permukaan batuan meningkatkan kekuatangeser pada batuan.
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Alat Uji GeserAlat Uji Geser
Langsung & CreepLangsung & Creep
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
14/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Creep Geser Creep Geser
0.34m
0.5m
0.47m
7
6 5
8
9
10
12
1 2
34
11
0.6 m 0.9 m
1.59 m 0.22 m
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
tegangan geser τ
p e r p i n d a h a
n
u
contoh
contoh
tegangan normal σ
T e g a n g a n g e s e r τ
Perpindahan u
kuat geser puncak
kuat geser sisa T e g a n g a n g e s e r τ
Tegangan normal σ
τP
φp
φr
τ = C p
+ σ t a
n φ p
τ = C r
+ σ t a n
φ rτR
Residual strength
T e g a n g a n g e s e r
τ
Tegangan normal σ
τP
Cp – cohesive strength
φp
τ = C p
+ σ t a n φ p
σ tan φp
Peak strength
Clay
Kuarsa
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
15/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Bentuk patahan yang terjadi setelahBentuk patahan yang terjadi setelah
batuan mengalami pergeseranbatuan mengalami pergeseran
ipir
Fn
Fs
Cetakan semen
Contoh batuan
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Batu Pasir 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 E S E R
( k P 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 (k Pa)
T E G A N G A N
G E S E R
( k P a )
Puncak Sisa
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
16/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a 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
45SinN ==
o P
σ
A
T
A
45Cos==
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
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a 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 tegangan
normal.
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
17/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Data Uji Geser Data Uji Geser --11
Horizontal
Displacement(mm}
FH{kN} σH {kPa}Vertical
Displacement{mm}
FN {kPa} σN {kPa}
58.42
55.88
53.3450.80
48.26
45.72
0.00
2.30
2.903.20
2.90
2.42
0.00
85.29
107.54118.66
107.54
89.74
14.15
14.22
14.4014.30
14.17
14.02
3.53
3.53
3.533.53
3.53
3.53
130.90
130.90
130.90130.90
130.90
130.90
43.184064
38.10
35.56
33.02
4.904.80
4.74
4.26
3.68
181.70178.00
175.77
157.97
136.46
13.8413.79
13.74
13.69
13.61
9.309.30
9.30
9.30
9.30
344.87344.87
344.87
344.87
344.87
30.48
27.94
25.4022.86
20.32
8.80
8.71
8.107.70
7.20
326.32
322.99
300.37285.53
266.99
13.41
13.31
13.2113.08
12.95
18.60
18.60
18.6018.60
18.60
689.73
689.73
689.73689.73
689.73
17.7815.2412.70
10.16
7.62
13.8013.0011.80
10.70
9.20
511.74482.07437.57
396.78
341.16
12.6512.3211.89
11.40
11.30
37.2037.2037.20
37.20
37.20
1379.461379.461379.46
1379.46
1379.46
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a 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 kg
Saw cut plane : circle
- Length : 4.57 cm
- Width : 4.57 cm
- Area ( A ) : 16.410 cm2
Normal Stress : ( σn ) = Pn /A= 5 kg/cm2
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
18/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Faktor Eksternal Kuat Geser BatuanFaktor 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
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Faktor Eksternal Kuat Geser BatuanFaktor Eksternal Kuat Geser Batuan
Pengaruh kehadiran air dan tekanan air
Kehadiran air pada massa batuan menyebabkan permukaan bidang
diskontinu akan tertekan sebagian sehingga tegangan normalmenjadi berkurang.
Kecepatan geser pada permukaan yang basah lebih lambat
dibandingkan dengan permukaan yang kering.
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
19/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Faktor Eksternal Kuat Geser BatuanFaktor 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
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
KKriteria Kuat Geser Batuanriteria Kuat Geser Batuan
Kriteria Mohr-Coulomb Linear
τ= C + μσ
Keterangan: τ = tegangan geser
C = kohesi
σ= tegangan normal
μ= koefisien geser dalam dari batuan = tan Φ
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
20/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
KKriteria Kuat Geser Batuanriteria 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 baikuntuk menjelaskan perilaku ini.
Pada kondisi ini tidak akan ada perpindahan selama resultan gayaberada pada batas sudut geser gerigi.
Akan tetapi jika resultan gaya di luar batas tersebut, akan terjadipergerakan pada arah i. Rekahan akan terbuka dan dilatansi terjadipada bidang geser tersebut.
Tegangan normal σn akan bereaksi melawan dilatansi ini. Apabilapenggeseran dilanjutkan, gerigi akan kelebihan beban dan akan
tergeserkan secara langsung. Pergeseran akan terus berlanjut sejajarterhadap bidang geser umum tanpa ada dilatansi
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a 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
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
21/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
KecepatanKecepatan 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.
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Kecepatan Rambat GelombangKecepatan Rambat GelombangUltrasonikUltrasonik
Kecepatan rambat gelombang tekan
Kecepatan rambat gelombang geser
Modulus Young dinamik
Modulus geser dinamik
Nisbah Poisson dinamik
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
22/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a 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
Contohvp (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
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Gelombang UltrasonikGelombang Ultrasonik
Gelombang merupakan suatu getaran mekanik, hal ini dapat dijelaskan dengankarakteristik gelombang sinusoida seperti dijelaskan dengan sebuah getaran pada seutastali yang getaran pada seutas tali yang bergerak ke arah sumbu x dengan waktu t dankecepatan v yang berbentuk kurva sinus.
Gelombang ultrasonik termasuk dalam kelompok getaran mekanik yang melibatkan gaya-gaya mekanik selama melakukan penjalaran dalam suatu medium. Akibatnya gelombangini tergantung pada elastisitas medium penjalarnya. Fenomena ini terlihat pada perubahanpanjang gelombang (l), jika gelombang ultrasonik tersebut dijalarkan pada medium yangberbeda elastisitasnya.
Gelombang Longitudinal Apabila arah pergerakan partikel-partikel medium sama arahnya dengan arah penjalarangelombang, maka gelombang tersebut dinamakan gelombang longitudinal ataugelombang tekan. Gelombang longitudinal dapat dijalarkan dalam medium padatanmaupun medium fluida cair dan gas.
Gelombang Transversal
Arah pergerakan partikel-partikel medium dapat menyudut terhadap arah penjalarangelombang. Gelombang seperti ini disebut gelombang transversal atau gelombang geser.Umumnya kecepatan penjalaran gelombang transversal setengah kali kecepatanpenjalaran 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 satupanjang gelombang.
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
23/39
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
24/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a 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-existingcrack, bobot isi, kandungan air, ukuran butir & komposisi mineral.
Kahraman (2001) hubungan non-linear antara σc dan Vp denganmenggunakan 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)
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Kriteria Runtuh HoekKriteria Runtuh Hoek--BrownBrown
Hoek & Brown (1980) usul metoda untuk mendugakekuatan massa batuan terkekarkan.
Metodanya dimodifikasi sejak diusulkan (Hoek, 1983;Hoek & Brown, 1988).
Aplikasinya berlaku untuk kualitas massa batuan sangatburuk yang perlu perubahan (Hoek, Wood & Shah,1992)
Pengembangan Klasifikasi Baru disebut GeologicalStrength Index – GSI (Hoek, Kaiser & Bawden, 1995;Hoek, 1995; Hoek & Brown, 1997).
Sejarah pengembangannya dapt ditemukan di Hoek(2002).
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
25/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Kriteria HoekKriteria Hoek--BrownBrown
σ’1 & σ’3 adalah tegangan efektif maksimum & minimum saat batuan runtuh, mbadalah nilai konstanta Hoek & Brown m untuk massa batuan
s & a adalah konstanta yg bergantung pada karakteristik massa batuan
σci adalah UCS batuan utuh
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a 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.
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
26/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
PenentuanPenentuan σcici and mand mii
y = mσcix + sσci
x = σ3’y = (σ1’ – σ3’)2
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
PenentuanPenentuan σcici and mand mii
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
27/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Pendugaan Lapangan UCSPendugaan Lapangan UCS
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Pendugaan Lapangan UCSPendugaan Lapangan UCS
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
28/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Nilai mNilai mii Untuk Batuan UtuhUntuk Batuan Utuh
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Nilai mNilai mii Untuk Batuan UtuhUntuk Batuan Utuh
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
29/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a 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.
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Peak Strength of Moura DU CoalPeak Strength of Moura DU Coal(Medhurst & Brown, 1996)(Medhurst & Brown, 1996)
σci = 32.7 MPa
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
30/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Kekuatan PuncakKekuatan Puncak
Moura DU CoalMoura DU Coal(Medhurst & Brown, 1996)
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
GeologicalGeologicalStrengthStrength
IndexIndex
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
31/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a 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 > 25
s = exp [(GSI-100)/9]
a = 0.5
For GSI < 25
s = 0
a = 0.65 – (GSI/200)
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a 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
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
32/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Apakah GSI ?Apakah GSI ?
Controlled blasting Bulk blasting
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a 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)]
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
33/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Disturbance Factor, DDisturbance Factor, D
Appearance or rock
massDescription 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
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Disturbance Factor, DDisturbance Factor, D
Appearance or rock
massDescription of rock mass
Suggested
value of D
Mechanical or hand
excavation in poor quality rock
masses (no blasting) results in
minimal disturbance to hesurrounding 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)
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
34/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Disturbance Factor, DDisturbance Factor, D
Appearance or rock
mass
Description of rock massSuggested
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
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Disturbance Factor, DDisturbance Factor, D
Appearance or rock
massDescription of rock mass
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
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
35/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Disturbance Factor, DDisturbance Factor, D
Appearance or rock
massDescription of rock mass
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 theslopes is less.
D = 1.0
Production
blasting
D = 0.7
Mechanical
excavation
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Parameter Mohr Parameter Mohr --CoulombCoulomb
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
36/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Parameter Mohr Parameter Mohr --CoulombCoulomb
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Ringkasan Sejarah PengembanganRingkasan Sejarah PengembanganKriteria Runtuh HoekKriteria Runtuh Hoek--BrownBrown
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., ASCE106(GT9), 1013-1035.
1983 Hoek, E. 1983. Strength of jointed rock masses, 23rd.
Rankine Lecture. Géotechnique 33(3), 187-223.
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
37/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Ringkasan Sejarah PengembanganRingkasan Sejarah Pengembangan
Kriteria Runtuh HoekKriteria Runtuh Hoek--BrownBrown
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.
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Ringkasan Sejarah PengembanganRingkasan Sejarah PengembanganKriteria Runtuh HoekKriteria Runtuh Hoek--BrownBrown
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.
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
38/39
T A
3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n – S i f a t F i s i k & M
e k a n i k B a t u a n - 1
Ringkasan Sejarah PengembanganRingkasan Sejarah Pengembangan
Kriteria Runtuh HoekKriteria Runtuh Hoek--BrownBrown
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 forvery weak and sheared rock masses. The case of the Athens
Schist Formation. Bull. Engg. Geol. Env. 57(2), 151-160.
T A 3 1 1 1 M e k a n i k a B a t u a n
– S i f a t F i s i k & M e k a n i k B a t u a n - 1
Ringkasan Sejarah PengembanganRingkasan Sejarah Pengembangan
Kriteria Runtuh HoekKriteria Runtuh Hoek--BrownBrown
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 onGeotechnical & 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 suchas flysch, Bull. Engg. Geol. Env. 60, 85-92.
8/16/2019 207924621 Mekanika Batuan Sifat Mekanik Batuan Utuh 2
39/39