A Sifat Fisik Mekanik Batuan Utuh Kuliah1(OK)

(1)

–

ifa

–

3A-1

SIFAT FISIK DAN

MEKANIK BATUAN UTUH

Laboratorium Geomekanika & Peralatan Tambang

Fakultas Teknik Pertambangan & Perminyakan

(2)

–

ifa

–

3A-2

2 - STRENGTH OF INTACT ROCK &

ROCK MASSES



_{Intact rock properties – physical,}

mechanical and dynamic

properties of rock



_{Rock mass properties – joints}

characterization plus joint

measurements, RQD, rock mass

classifications

(3)

–

ifa

–

3A-3

Kekuatan Batuan Utuh & Massa Batuan

(4)

–

ifa

–

3A-4

Efek Skala – Batuan Utuh – Massa Batuan

(5)

–

ifa

–

3A-5

Massa Batuan

(6)

–

ifa

–

3A-6

Process of

Geotechnical

Investigation

(7)

–

ifa

–

3A-7

Sifat-Sifat Batuan Utuh



_{Physical properties: density (, specific weight (, porosity, absorption, &}

_void

ratio

.



Mechanical properties (static & dynamic): 

, 

, E, 

, c, , & 



_{Dynamic properties: ultrasonic velocity}



_Hardness



_{Slake durability}

Determination of Physical Mechanical Properties



_{Laboratory – performed on small rock samples obtained from field or}

geotechnical bore holes



_{Field - insitu test}



_{Steps laboratory test:}



Determination of physical properties of intact rock (

non destructive test)



Determination of mechanical properties of intact rock (

destructive test

)

(8)

–

ifa

–

3A-8

Sample preparation



_{Direct diamond drilling BQ, NQ HQ (35 - 75 mm) & L/D = 2 – 2.5}



_{Rock sample is cored/drilled from lump rock samples}



Cylindrical specimen: BQ, NQ HQ (35 - 75 mm) & L/D = 2 – 2.5



_{For UCS & Triaxial test: cut specimen, flat, parallel both ends}

and perpendicular each other.



_{Measure L & D, area and volume}

Preparasi Contoh Batuan Untuk

Penentuan Sifat Fisik & Mekanis Batuan

Utuh

(9)

–

ifa

–

Peralatan Yang Digunakan



_{Preparasi Contoh Batuan}

Alat bor inti

Alat Potong Batuan

Alat Uji Squareness



_{Uji Sifat Fisik}

(10)

–

ifa

–

3A-10



Natural weight specimen: Wn



_{Dry weight specimen, after 24 hr in oven with T ±}

90 C: Wo



_{Saturated weight specimen, after saturation}

immersed in water 24 hr: Ww



_{Saturated weigth specimen immersed in water: Ws}



Specimen volume without pores: Wo - Ws



_{Total volume specimen: Ww - Ws}

Penentuan Sifat Fisik

Contoh Batuan Utuh

(11)

TA 3 11 1 M ek an ik a B at ua n – S ifa t F is ik D an M ek an ik B at ua n U tu h – 3A 3A-11

Sifat Fisik

density Water Ws Wo Wo grafity specific True density Water Ws Wn Wo grafity speciic Apparent Ws Ww Ww density Saturated Ws Ww Wo density Dry Ws -Ww Wn density Natural                     





















n

-1

n

ratio

Void

100%

x

Ws

-Ww

Wo

-Ww

n

-Porosity

100%

x

Wo

-Ww

Wo

-

Wn

saturation

of

Degree

100%

x

Wo

-Ww

content

water

Saturated

100%

x

Wo

-

Wn

content

water

Natural

(12)

–

ifa

–

Kasus uji Sifat Fisik

Sa

mp

el

(mm)

D

(mm)

L

Wn

(gr)

Ww

(gr)

Ws

(gr)

Wo

1 67,4

135,2 1346,5 1352,5 866,9 1341,9

2 54,4

109,3

5 685,63

697,9 443,13 640,60

3A-12

Dari hasil pengujian Sifat fisik terhadap 2 sampel dilaboratorium didapatkan data seperti

tabel di atas.

Diminta : Tentukan sifat-sifat fisik batuan ( natural density, dry density, saturated density,

apparent specific gravity, true specific gravit,y, naural water content, saturated water

content, derajat kejenuhan, porosity, dan void ratio )

(13)

–

ifa

–

3A-13

Penentuan Kuat Tekan (Unconfined

Compressive Strength - UCS) & Deformabilitas

Batuan



_{Uji UCS dimaksudkan untuk mengukur kekuatan batuan utuh secara uniaksial}

dalam bentuk geometri contoh batuan beraturan.



Pembebanan diukur dengan pengukur

gaya

(per/spring method) atau load cell

dan

perpindahan

aksial (searah pembebanan) dan lateral (tegak lurus arah

pembebanan) diukur dengan alat ukur perpindahan (10

-3

mm) dial gauge

mekanis,dial gauge electronic atau LVDT



_{Informasi yang diberikan dari uji kuat tekan (UCS) :}



Kurva tegangan regangan – constitutive behaviour



Kekuatan UCS



Modulus Young



Nisbah Poisson



Energi Fraktur

(14)

–

ifa

–

3A-14

ALAT-ALAT UJI TEKAN UNI AKSIAL

(15)

–

ifa

–

3A-15

Uji Unconfined Compressive Strength



_{Uji UCS menggunakan mesin tekan untuk}

membebani contoh batuan dalam bentuk

silinder, kubus atau prisma secara uniaksial.



_{Dua sisi muka dan pinggir contoh batuan}

harus rata, halus dan paralel.



_{Untuk menghindari ketidak paralel titik pusat}

atas dengan contoh batuan perlu dipasang

spherical seat diatas contoh batuan.



_{Secara teori, distribusi tegangan di dalam}

contoh batu akan sama dengan arah

pembebanan kepada muka contoh batuan.



_{Kenyataannya, distribusi tegangan tidak 100%}

paralel dengan arah pembebanan karena

adanya batasan gesekan (friction constraints)

pada dua sisi muka contoh batuan sehingga

dapat menyebabkan contoh batuan pecah

dalam bentuk konus pada kedua muka atau

ujungnya

Steel platen Spherical seat & Steel platen Load cell

(16)

–

ifa

–

3A-16

Friction Constraints

D

ΔD

strain

Lateral







0.5 L 0.5 L

D + D

F

L/D=2

F

L

ΔL

strain

Axial







L/D=2

L/D=1 Cone failure L/D=2

Friction constraint Lt



2 strain

(17)

–

ifa

–

Form Data Pengujian Uji Tekan Uni Aksial

3A-17

No. Lubang Bor : ……… Tinggi (L) ; …….. cm No. Percontoh : ……… Diameter (D) ; ……… cm Kedalaman : ……….. Penampang (A) ; ……… cm Jenis Percontoh ; ……….

No

Gaya

(kg)

∆L

(x0.01mm

)

∆D

(x0,01m

m)

σ

(kg/cm2

)

ε

.

(x0,01)

ε

.

(x0,01)

ε

.

Vol.

(x0,01)

0 -1 -100

-2 -200

-3 -300

-4 -400

-5 -500

-6 -600

-7 -700

-8 -800

-9 -900

-10 -1000

(18)

-TA

–

ifa

–

3A-18

Stress Strain Curve of UCS Test

Strain (%)

Elastic limit / Yield

Point Failure

Axial Lateral

σc

σ

a b

Volumetric

Δε

Δσ

Closing Cracks

ε





2

Possion’s Ratio = (





/



a) = b/a

σ

50%

(19)

–

ifa

–

3A-19

Uniaxial Compressive Strength Test

Stress Strain Curve Sandstone

UCS

: 36.67 MPa

Modulus Young (E)

: 7.8 GPa

Poisson’s Ratio ()

: 0.26

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

 (%)

(20)

–

ifa

–

3A-20

Fa

k

tor

yang mempengaruhi Perilaku Kurva

Tegangan Regangan

Geometrik & bentuk contoh batuan

 _Geometrik

 _{Bentuk: silindrikal, kubus, prisma}  _{Nisbah L/D}

 _{Ukuran diamaeter}

Kondisi Plat Penekan Beban

 _{Diameter plat penekan mempengaruhi distribusi tegangan di dalam contoh}

batuan

 _{Friction constraints antara pelat penekan dengan mukan contoh batuan}

Kekakuan Mesin Tekan

 _{Class I & II Rocks}

Laju Pembebanan

 Laju pembebanan = Laju regangan x Modulus Young (elastic)

 _{ISRM Laju tegangan = 0,5-1,0 MPa/detik}

Temperatur

 _{Temperatur turun, E naik}  _{Temperatur naik, E turun}

Kondisi Contoh Batuan

 _{Kandungan air}

Mineral, Ukuran Butir dan Isotropik

 _{Mineralogy, ukuran butir, porositas}

(21)

–

ifa

–

3A-21

Young’s Modulus



_{Axial Young’s modulus, E (defined as the ratio of the axial stress change}

to axial strain produced by the stress change) of the specimen may be

calculated using any one of several methods employed in accepted

engineering practice.



_{Tangent Young’s modulus, E}

_{, is measured at a stress level which is some}

fixed percentage of the ultimate strength. It is generally taken at a stress

level equal to 50% of the ultimate uniaxial compressive strength.



_{Average Young’s modulus, E}

_av

_{, is determined from the average slopes of}

more-or-less straight line portion of the axial stress-axial strain curve.



_{Secant Young’s modulus, E}

_{, is usually measured from zero stress to}

(22)

–

ifa

–

3A-22

Young’s Modulus



Axial (%)  (MPa)

σc

50% σc

Δε

Δσ

σYP

Secant

 Axial (%)

 (MPa)

σc

Δε Δσ

50% σc

σYP

Tangent

 Axial (%)

 (MPa)

Δσ

σc σ_YP

Δε

(23)

–

ifa

–

3A-23

Possion

’s Ratio

_{’s Ratio}

 _{Poisson’s Ratio: the negative of the ratio of}

lateral strain to the axial strain in an elastic material subjected to a uniaxial stress.  _{In mechanics of deformable bodies: the}

tendency of a material to expand or shrink in a direction perpendicular to a loading direction is known as the ‘‘Poisson effect.’’

 _{Poisson’s Ratio: a mechanical property that} plays a role in the deformation of elastic materials, it is utilized in rock engineering problems associated with the deformation of rocks, e.g. it is a required computational input for the numerical stress analyses.

 _{Value Poisson’s Ratio:}

 Very seldom, negative values or values > 0.5  Isotropic rocks pratically: 0 - 0.5

 Most rocks: 0.05 - 0.45.

 Rock engineering applications: 0.2 - 0.3  Coal = 0.25 – 0.346

(24)

–

ifa

–

3A-24

Brittle Fracture -

Shear Failure

_{Shear Failure}

Axial Failure

(25)

–

ifa

–

3A-25 Dari pengujian UCS didapatkan data dalam tabel diatas. Ukuran sampel D = 40 mm dan L = 90 mm, Diminta :

a. Hitung tegangan, regangan aksial, regangan lateral, dan regangan volumetrik.. b. Gambar kurva tegangan – regangan (

σ

ε

.

Ak), (

σ

ε

.

lt), (

σ

ε

.

vol),

c. Tentukan nilai; kuat tekan (σc), tegangan elastis (σe), modulus tangen (Et), modulus rata-rata (Eav), dan modulus sekan (Es)

No

Gaya

(kg)

∆L

(x0.01mm

)

∆D

(x0,01m

m)

σ

(kg/cm2

)

ε

.

(x0,01)

ε

.

(x0,01)

ε

.

Vol.

(x0,01)

0 -1 -100

100

4 -2 -200

150

10 -3 -300

190

17.5 -4 -400

240

23 -5 -500

280

28 -6 -600

310

34 -7 -700

330

41 -8 -800

360

48 -9 -900

400

75 -10 -1000

500

120 -11 1050

600

220

(26)

–

ifa

–

3A-26

IndirectTensile Strength

– Brazilian Test





= Indirect tensile strength, MPa



_{D = Diameter, mm}



F = Load, N



_{t = Thickness, mm}



_{UTS << UCS}



_{UCS/UTS = Toughness ratio = Brittleness Index}



_{BI menaik kinerja rock cutting menjadi baik}

πDt

F

2 σ



Bottom Jig Brazilian

Top Jig Brazilian

Crack Tensile force Tensile force

D

(27)

–

ifa

–

3A-27

Uji Kuat Tarik Langsung

(Direct Tensile Strength)

(28)

–

ifa

–

3A-28

Kuat Tarik Langsung

(Direct Tensile Strength)

(29)

–

ifa

–

Point Load Index (PLI)



_{Uji PLI dilakukan untuk mengetahui kekuatan (strength) contoh batu}

secara tidak langsung di lapangan



_{Bentuk contoh batu: silinder atau tidak beraturan.}



_{Peralatan yang digunakan mudah dibawa-bawa, tidak begitu besar dan}

cukup ringan sehingga dapat dengan cepat diketahui kekuatan batuan di

lapangan, sebelum dilakukan pengujian di laboratorium.



_{Contoh yang disarankan untuk pengujian ini berbentuk silinder dengan}

diameter = 50 mm (NX = 54 mm).



_{Fracture Index dipakai sebagai ukuran karakteristik diskontinuiti dan}

didefinisikan sebagai jarak rata-rata fraktur dalam sepanjang bor inti atau

massa batuan

(30)

TA 3 11 1 M ek an ik a B at ua n – S ifa t F is ik D an M ek an ik B at ua n U tu h – 3A 3A-30

T

y

pe &

PLI Test Requirements

(ISRM, 1985)

L > 0,7D

a. Diamterical test P

D L

D/ W =1.0 – 1.4 W = (W₁+W₂)/2 L > 0,5D P

P W

D/W = 1.1 ± 0.05 b. Axial test

P P

2 s

D

F

I



s(50) ₂

D

F

k

I



45 . 0





50 D

k

I_s = Point load index, MPa F = Failure load, N

D = Distance between two point loads, mm

_c = 23 I_s– For sample diameter 50 mm

If I_s = 1 MPa, index does not mean anything, thus the strength of rock must be determined through UCS test

(31)

–

ifa

–

(32)

–

ifa

–

3A-32

Tipikal Model Failure Untuk Valid dan

Invalid Test

Valid diametrical test

Valid axial test

Valid block test

(33)

–

ifa

–

3A-33

Uji

Tria

_Tria

ksi

_ksi

al

_al



_{Uji ini dimaksudkan untuk menentukan kekuatan}

batuan utuh di dalam kondisi tegangan triaksial.



_{Data yang diperoleh dari uji ini dibutuhkan untuk}

menentukan:



Selubung kekuatan (intrinsic curve)



Kuat geser (



)



Sudut gesek dalam (

_

)

(34)

–

ifa

–

3A-34

SEL

(35)

–

ifa

–

3A-35

Sel Triaksial Tipe

Von Karman

1. Platen penekan 2. Bola baja 3. Spheical seat

4. Alat bantu transducer 5. Contoh batuan

6. Piston berongga utk tekanan pori 7. Sonic transmitter

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

(36)

–

ifa

–

3A-36

Uji Triaksial K

onven

s

ional





1

2

3 

₃₃

>



₃₂

>



₃₁



₁₃

>



₁₂

>



₁₁

1 

₃₁



₁





_



₃₁

failure

2 

₃₂



_



_



₃₂

3 

₃₃



_



_



₃₃

Get sample out

(37)

–

ifa

–

3A-37

Lingkaran Mohr dan Kurva Intrinsic Uji Tri aksial

(38)

TA 3 11 1 M ek an ik a B at ua n – S ifa t F is ik D an M ek an ik B at ua n U tu h – 3A 3A-38

Mohr Coulomb – Linear; Mohr – Curve linear concave downwards;

in the limit, the envelope may assume the form of a straight line

(Coulomb criterion)







sin

-1

cos

2c

c A B D E

Mohr - Coulomb

Mohr





₃



₁

Normal Stress -



Compression uniaxial Uniaxial tension Compression triaxial  Compression Tension 2







₃



₁ 

c



=



tan



+

c

S he ar s tr es s -  _max ₃Minor principal

stress /confining pressure 1 M a xi m u m m a jo r p ri n ci p a l s tr e ss a t fa ilu re

= ½ (

₁

– 

₃

)

Sin 2





½ (

₁

+ 

₃

) + ½ (

₁

– 

₃

)

Cos 2











sin

1 cos

2c

(39)

–

ifa

–

3B-39

Lingkaran Mohr

&

Kurva

Intrinsic

 = 5.22 + 

Tan 32.81

No



(MPa)

1

1.00

22.61

2

2.00

25.70

3

3.00

29.34 

 = c + 

Tan 

c



₃₁



₃₂



_

(40)

–

ifa

–

3A-40

Lingkaran Mohr & Kurva Intrinsic Batupasir

Triaxial Test

(41)

–

ifa

–

Kasus uji tri aksial

N

o

(cm)

D

(cm)

H

(kg/cm2)

σ3

Gaya N

(kg)

(cm2)

A

σ1

(kg/cm

2)

1

5.5

11

20 3000

2

5.3

11

60 5000

3 5,4

11

90 7200

4 5,3

11

120 9100

5 5,3

11

150 11300

3A-41

Dari hasil pengujian tri aksial terhadap 5 sampel dilaboratorium didapatkan data seperti

tabel di atas.

Diminta :

a.Tentukan tegangan

σ

b.Gambar garis selubung kekuatan geser

(42)

–

ifa

–

3B-42

Uji Geser Pons (Punch Shear Test)



_{Uji geser Pons batuan merupakan perlawanan internal}

batuan terhadap tegangan yang bekerja sepanjang

bidang geser dalam batuan tersebut,



_{Sampel berbentuk slinder tipis dengan tebal t cm dan}

diameter d cm



_{Setelah sampel dimasukan kedalam alat ”Punch test”}

kemudian ditekan dengan mesin tekan sampai sampel

tembus (P kg).



_{Kuat geser (shear strength) di dapatkan}

(kg/cm2)

.d.t

P



(43)

–

ifa

–

3B-43

Uji 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 dan

diberi gaya geser sampai bidangnya bergeser diperoleh:



Garis Coulomb's shear strength,



Kuat geser (shear strength),



Sudut gesek dalam (),



Kohesi (C).

Mohr-Coulomb Criteria (Linear)

 

= C + σ



 

= C + σ tan



(44)

–

ifa

–

3A-44

Direct Shear Test Apparatus & Sample

(45)

–

ifa

–

3B-45

Kohesi



_{Kohesi (c) adalah tegangan geser yang dibutuhkan untuk}

menggeser batuan pada kondisi tegangan normal sama dengan

nol. Hal ini disebabkan oleh permukaan bidang geser yang

kasar atau mungkin telah mengalami sementasi



_{Pada kondisi sisa, nilai kohesi c turun bahkan dapat mencapai}

nilai nol akibat ikatan antar butiran di sekitar permukaan geser

telah terganggu

(46)

–

ifa

–

3B-46

Ilustrasi Geser



_{Untuk memahami sudut gesek dalam (}

_

_),

perlu dibayangkan sebuah balok dengan

berat W berada pada permukaan sebuah

bidang miring yang licin dengan luas bidang

sentuh sebesar A



_{Balok tersebut memiliki gaya penggerak yang}

diakibatkan oleh beratnya sendiri yaitu

sebesar W sin



sedangkan gaya normal N

dan koefisien gesek



menghasilkan gaya

penahan yang disebut dengan gaya gesek

Fs. Koefisien gesek



merupakan faktor

internal yang besarnya sama dengan tan



.

Pada saat balok akan tergelincir, maka

besarnya gaya penahan sama dengan gaya

penggerak sehingga diperoleh persamaan.



W sin



= tan



. (W cos



)



_tan

_

_{= tan}

_



_

₌

_



_{Pada kondisi seperti ini, sudut kemiringan}

bidang tersebut sama dengan sudut gesek

dalam (



) dengan catatan kohesi sama

dengan nol.

Balok pada permukaan bidang miring

N = W co

W si n

Fs = N

(47)

–

ifa

–

3A-47

Shear Strength - Sandstone

Peak

Residual

Residual Peak

Peak

(48)

–

ifa

–

3A-48

Factors Influence Rock Shear Strength



_{Intrinsic factors}



cohesion



internal friction angle



_{Extrinsic factors}

_{(environmental factors)}



normal stress,



pre-existing cracks,



Water,



mineralogy of the rock sample,



grain size,



roughness of the shear plane,



displacement rate



sample size

(49)

–

ifa

–

3A-49

Ultrasoni

c Wave Velocity

_{c Wave Velocity}

This setup can apply axial and radial stress of up to 70

MPa on the sample. The transducers, with frequency

responses of nominal 590-700 kHz, are used in

conjunction with a matching PUNDIT system, which

provides the pulse excitation and a digital timing unit with

a resolution of up to 0.1msec and a digital oscilloscope

with a time-axis resolution of up to 0.0625 msec.

(50)

TA 3 11 1 M ek an ik a B at ua n – S ifa t F is ik D an M ek an ik B at ua n U tu h – 3A 3A-50

Compressional and Shear Wave Velocities



_{L = length of sample (m)}



tp = travel time of compressional wave along the rock sample (second)



_{ts = travel time of shear wave along the rock sample (second)}



_{Infrasonic wave, frequency < 20 Hz}



_{Sonic wave, frequency 20 Hz – 20 kHz}



_{Ultrasonic wave, frequency > 20 kHz}

p p

t

L

V



s s

t

L

V





















2 2

1

2

1

p s p s

V



Ratio

s

Poisson'

Shear Modulus: G = .v

_s2

 = density

Dynamic Young’s Modulus: E = 2 (1+)

G

Lame constant:  =  (v

_p2

_{– 2 v}

)

Bulk Modulus: K = (/3)

(3v

_p2

_{– 4 v}

)

(51)

–

ifa

–

3A-51

Sound Wave

Rock type

Location

v

(m/s)

SD (m/s)

CoV (%)

Limestone

Cibinong

3870,57

190,56

4,92

Tuff breccia

Pongkor

3691,21

224,60

6,08

Granite

Karimun

5402,34

178,24

3,30

Reference Equation Rock Type

Goktan (1988) Wade et al. (1993) Kahraman (2001)

_c = 0,036v_p*_{- 31,18}

c = 0,055v_p*- 91,44 _c = 9,95v_p1,21

Sedimentary

(52)

–

ifa

–

3B-52

Hubungan UCS &

Kecepatan 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}

_

_{c 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)

_c = 0,036v_p*_{- 31,18}

c = 0,055v_p*- 91,44 _c = 9,95v_p1,21

batuan sedimen

-batuan beku, -batuan sedimen, -batuan metamorf

v_p*_{= Kecepatan gelombang tekan (m/det)} _v

(53)

–

ifa

–

Diminta : a. Tentukan Kecepatan gelombang primer (Vp) dan gelombang sekunder (Vs) b. Tentukan Nilai, G, v, E , λ , dan K , bila masa jenis batuan 2400 kg/m3

Tugas.

1.Dari pengujian kuat geser langsung terhadap 4 buah sampel dengan diameter 5,2 cm didapatkan Dari pengujian kuat geser langsung terhadap 4 buah sampel dengan diameter 5,2 cm didapatkan data sbb

data sbb

Diminta : a. Hitung Tegangan Normal (

Diminta : a. Hitung Tegangan Normal (n), Teg. Geser Puncak n), Teg. Geser Puncak

((p) dan tegagan geser Sisa(p) dan tegagan geser Sisa(s)s)

b. Buat grafik selubung kekuatan batuan b. Buat grafik selubung kekuatan batuan

c. Tentukan Sudut geser puncak, kohesi puncak , sudut geser residualc. Tentukan Sudut geser puncak, kohesi puncak , sudut geser residual

dan kohesi residualdan kohesi residual

2. Dari data uji kecepatan gelombang ultrasonik didapatkan data sebagai berikut:

Sampel

N (kg)

Tp (kg

Tr(kg)

1

100

200

140

2

200

245

180

3

300

280

230

4

400

330

250 Sampel

L (cm)

tp (x0,000001 dtk)

ts (x0,000001)dtk

1 5,0

9,3

14

2 5,1

10,5

15

(54)

–

ifa

–

(55)

–

ifa

–

(56)

–

ifa

–

3C-56

S

ifat Mekanik Batuan Utuh

Menurut Uji Indeks



_{Point Load Index (aksial & diametrikal) - ISRM, 1985}



_{Breaking Characteristic}



_{Rock Drillability}



_{Drilling Rate Index}



_{Drillability Barre Granite}



_{Cutting Resistance Wedge Test (FA & FL) - O & K}



_{Voest Alpine Rock Cuttability Index (VA-RCI)}



_{Core Cuttability (Roxborough, 1981)}

(57)

–

ifa

–

Point Load Index (PLI)



_{Uji PLI dilakukan untuk mengetahui kekuatan (strength) contoh batu}

secara tidak langsung di lapangan



_{Bentuk contoh batu: silinder atau tidak beraturan.}



_{Peralatan yang digunakan mudah dibawa-bawa, tidak begitu besar dan}

cukup ringan sehingga dapat dengan cepat diketahui kekuatan batuan di

lapangan, sebelum dilakukan pengujian di laboratorium.



_{Contoh yang disarankan untuk pengujian ini berbentuk silinder dengan}

diameter = 50 mm (NX = 54 mm).



_{Fracture Index dipakai sebagai ukuran karakteristik diskontinuiti dan}

didefinisikan sebagai jarak rata-rata fraktur dalam sepanjang bor inti atau

massa batuan

(58)

TA 3 11 1 M ek an ik a B at ua n – S ifa t F is ik D an M ek an ik B at ua n U tu h – 3A 3A-58

T

y

pe &

PLI Test Requirements

(ISRM, 1985)

L > 0,7D

a. Diamterical test P

D L

D/ W =1.0 – 1.4 W = (W₁+W₂)/2 L > 0,5D P

P W

D/W = 1.1 ± 0.05 b. Axial test

P P

2 s

D

F

I



s(50) ₂

D

F

k

I



45 . 0





50 D

k

I_s = Point load index, MPa F = Failure load, N

D = Distance between two point loads, mm

_c = 23 I_s– For sample diameter 50 mm

If I_s = 1 MPa, index does not mean anything, thus the strength of rock must be determined through UCS test

(59)

–

ifa

–

(60)

–

ifa

–

3C-60

Tipe & Syarat Contoh Batuan Uji PLI

(ISRM, 1985)

L > 0,7D

a. Uji Diametrikal

D/W = 1.1 ± 0.05 b. Uji Aksial

D L

D/ W =1.0 – 1.4 W = (W₁+W₂)/2 L > 0,5D

P P

(61)

–

ifa

–

3A-61

Tipikal Model Failure Untuk Valid dan

Invalid Test

Valid diametrical test

Valid axial test

Valid block test

(62)

–

ifa

–

3A-62

PLI vs. UCS

(63)

TA 3 11 1 M ek an ik a B at ua n – S ifa t F is ik D an M ek an ik B at ua n U tu h –

Hubungan UCS

&

PLI

) 50 s( ) 50 s( c I 003 , 0 03 , 0 I   

Referensi Persamaan Tipe Batuan

Broch & Franklin (1972) Bieniawski (1975)

Brook (1985)

_c = 24I_s(50)

_c = 23I_s(50)

_c = 22I_s(50)

batu pasir

batuan beku, batuan sedimen

-Singh (1981)

Vallejo et al. (1989)

 shale

 batu pasir

Kramadibrata (1992)

_c = 18,7I_s(50)

_c = 12,5I_s(50)

_c = 17,4I_s(50)

_c = 11,82I_s(50)

batu pasir dan shale

-shale

batu pasir

batu pasir dan batu lempung

Gunsallus & Kulhawy (1984) Cargill & Shakoor (1990) Kahraman (2001)

_c = 16,51_s(50) + 51

_c = 23I_s(54)+13

_c = 8,41I_s(50) + 9,51

dolostone, batu pasir, batu gamping batuan sedimen, batuan metamorf

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

(64)

–

ifa

–

3C-64

Point Load Index

2 s

D

F

I



_s(50) ₂

D

F

k

I



45 . 0





50 D

k

I

= Point load index, MPa

F = Failure load, N

D = Jarak antara dua konus penekan, mm



= 23 I

- Untuk diamater contoh 50 mm

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

kekuatan harus berdasarkan uji UCS

(65)

TA 3 11 1 M ek an ik a B at ua n – S ifa t F is ik D an M ek an ik B at ua n U tu h – 3A 3C-65

Hubungan UCS

&

_&

PLI

_PLI

) 50 s( ) 50 s( c I 003 , 0 03 , 0 I   

Referensi Persamaan Tipe Batuan

Broch & Franklin (1972) Bieniawski (1975)

Brook (1985)

_c = 24I_s(50)

_c = 23I_s(50)

_c = 22I_s(50)

batu pasir

batuan beku, batuan sedimen

-Singh (1981)

Vallejo et al. (1989)

 shale

 batu pasir

Kramadibrata (1992)

_c = 18,7I_s(50)

_c = 12,5I_s(50)

_c = 17,4I_s(50)

_c = 11,82I_s(50)

batu pasir dan shale

-shale

batu pasir

batu pasir dan batu lempung

Gunsallus & Kulhawy (1984) Cargill & Shakoor (1990) Kahraman (2001)

_c = 16,5I_s(50) + 51

_c = 23I_s(54)+13

_c = 8,41I_s(50) + 9,51

dolostone, batu pasir, batu gamping batuan sedimen, batuan metamorf

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

(66)

–

ifa

–

3C-66

Impact Strength Index

(ISI)



_{ISI (Evans &}

Pomeroy, 1966) & uji

Protodyakonov

adalah sejenis.



_{Uji ISI menggunakan}

peralatan khusus



_{Contoh batu:}



ukuran 0.95 - 0. 32

cm



berat 100 gram



dipukul dengan

piston sebanyak 20

kali



sisa batuan

berukuran semula

ditimbang dan sama

dengan ISI

(67)

–

ifa

–

3C-67

Hubungan UCS & Impact Strength

Index (ISI)



_{Uji ISI sudah tidak direkomendasikan lagi oleh ISRM 1986 –}

_{Commision on}

Testing Methods Groups on Test For Drilling and Boring

, sehingga

perkembangan penelitian untuk mengembangkan kegunaannya, baik untuk

memprediksi nilai UCS maupun manfaat lainnya, menjadi kecil.



_{Kahraman (2001), data hasil uji ISI relatif konsisten daripada UCS dan uji}

indeks lainnya.

Referensi Persamaan Tipe Batuan Hobbs (1964) _c*_{= 53ISI – 2509}

Goktan (1988) _c = 0,095ISI – 3,667 batuan sedimen

(68)

–

ifa

–

3C-68

Schmidt Hammer

 _{Ada 2 tipe untuk batu dan beton: L & N. Energi impak (EI) tipe L}

= 0,735 J = 1/3 EI tipe N & dimensinya juga lebih besar.

 _{Tipe L untuk uji contoh batuan silinder & tipe N untuk contoh}

batuan besar; blok batuan / langsung pada massa batuan.

 _{Terdiri dari piston yang dikombinasikan dengan per. Piston}

secara otomatis terlepas dan menumbuk permukaan kontak dengan batuan ketika hammer ditekan ke arah permukaan batuan. Piston tersebut akan segera memantul kembali ke arah dalam hammer. Jarak pantul piston yang terbaca pada indikator dinyatakan sebagai nilai pantul Schmidt Hammer. Nilai pantul Schmidt Hammer = rata-rata 10 pengujian. Jarak pantulan ini merupakan fungsi dari jumlah energi impak yang hilang akibat deformasi plastik dan failure dari batu di tempat terjadinya impak.

 _{Nilai pantul fungsi orientasi dari hammer. Pengujian dengan}

menekan hammer relatif ke arah bawah menghasilkan nilai

pantul < daripada menekan hammer ke arah atas. Gaya gravitasi akan menghambat pantulan piston pada saat hammer ditekan ke arah bawah sebab arah pantul dari piston berlawanan arah

dengan gaya gravitasi.

 Perlu dikalibrasi dengan melakukan 10x pembacaan pada anvil standar.

1. Contoh batuan 2. Impact plunger 3. Indikator angka pantul

(69)

TA 3 11 1 M ek an ik a B at ua n – S ifa t F is ik D an M ek an ik B at ua n U tu h – 3A 3C-69

Joint Condition

Joint Strength

Estimate of JCS

Based on Schmidt

Hammer & SW of

Rock

Schmidt Hammer – L type hammer

H a m m e r D ir e c ti o n S p e c if ic W e ig h t o f R o c k k N /m 3 U n ia x ia l C o m p re s s iv e S tr e n g th o f J o in t - M P a

(70)

–

ifa

–

3C-70

Menduga “Joint Compressive

Strength”

Schmidt hammer

(71)

–

ifa

–

3C-71

Hubungan UCS & Schmidt Hammer

Hubungan tsb memperlihatkan kecenderungan penggunaan bobot

isi sebagai variabel tambahan pada hampir semua persamaan

korelasi antara UCS dan

Schmidt Hammer

Referensi Persamaan Tipe Batuan _HammerTipe 1. Deere & Miller, 1966

2. Kidybinski, 1968 3. Beverly et al., 1979

4. Haramy & DeMarco, 1985 5. Cargill & Shakoor, 1990 5.1. batu pasir

5.2. karbonat

6. Kahraman, 2001

1 _c = 6,9 ×10(0,16+0,0087Rn)

2 _c = 0,477e(0,045Rn+)

3 _c = 12,74e(0,0185Rn)

4 _c = 0.094R_n – 0,383

. .

 1 _c = e(0,043Rnd + 1,2)

. .

2 _c = e(0.018Rnd + 2,9)

6 _c = 6,97e(0,014Rn)

1. 2. 3.

-4. batu bara

5. sedimen, metamorf 6. tiga jenis batuan

L -L L L N

(72)

–

ifa

–

3C-72

Hubungan UCS – PLI – Schmidt

Hammer

Term _(MPa)UCS _(MPa)PLI HardnessSchmidt (Type L)

Field Estimate of Strength Examples*

R5 Extremely

Strong >250 >10 50-60

Rock material only chipped under

repeated hammer blows fresh basalt, chert, diabase, gneiss, granite, quatzite R4

Very

Strong 100-250 4-10 40-50

Requires many blows of a geological hammer to break intact

rock specimens

Amphibolite, sandstone, basalt, gabbro, gneiss, granodiorite, limestone, marble rhyolite, tuff R3

Strong 50-100 2-4 30-40

Hand held specimens broken by a single blow of a geological

hammer

Limestone, marble, phyllite, sandstone, schist, shale R2

Medium

Strong 25-50 1-2 15-30

Firm blow with geological pick indents rock to 5mm, knife just

scrapes surface

Claystone, coal, concrete, schist. shale, siltstone R1

Weak 5-25 ** <15 Knife cuts material but too hard to shape into triaxial specimens chalk, rock salt, potash R0

Very Weak 1-5 **

Material crumbles under firm blows of geological pick, can be scraped

with knife

highly weathered or altered rock

Extremely

(1)

TA

3

11

1 M

ek

an

ik

a

B

at

ua

n

–

S

ifa

t

F

is

ik

D

an

M

ek

an

ik

B

at

ua

n

U

tu

h

–

3A

3C-67

Hubungan UCS & Impact Strength

Index (ISI)



_{Uji ISI sudah tidak direkomendasikan lagi oleh ISRM 1986 – Commision on}

Testing Methods Groups on Test For Drilling and Boring, sehingga

perkembangan penelitian untuk mengembangkan kegunaannya, baik untuk

memprediksi nilai UCS maupun manfaat lainnya, menjadi kecil.



_{Kahraman (2001), data hasil uji ISI relatif konsisten daripada UCS dan uji}

indeks lainnya.

Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

Hobbs (1964)



_c*

_{= 53ISI – 2509}

Goktan (1988)



= 0,095ISI – 3,667

batuan sedimen

(2)

TA

3

11

1 M

ek

an

ik

a

B

at

ua

n

–

S

ifa

t

F

is

ik

D

an

M

ek

an

ik

B

at

ua

n

U

tu

h

–

3A

3C-68

Schmidt Hammer

 _{Ada 2 tipe untuk batu dan beton: L & N. Energi impak (EI) tipe L} = 0,735 J = 1/3 EI tipe N & dimensinya juga lebih besar.

 _{Tipe L untuk uji contoh batuan silinder & tipe N untuk contoh} batuan besar; blok batuan / langsung pada massa batuan.  _{Terdiri dari piston yang dikombinasikan dengan per. Piston}

menekan hammer relatif ke arah bawah menghasilkan nilai

pantul < daripada menekan hammer ke arah atas. Gaya gravitasi akan menghambat pantulan piston pada saat hammer ditekan ke arah bawah sebab arah pantul dari piston berlawanan arah

dengan gaya gravitasi.

 Perlu dikalibrasi dengan melakukan 10x pembacaan pada anvil standar.

1. Contoh batuan 2. Impact plunger 3. Indikator angka pantul

(3)

TA

3

11

1 M

ek

an

ik

a

B

at

ua

n

–

S

ifa

t

F

is

ik

D

an

M

ek

an

ik

B

at

ua

n

U

tu

h

–

3A

3C-69

Joint Condition

Joint Strength

Estimate of JCS

Based on Schmidt

Hammer & SW of

Rock

H a m m e r D ir e c ti o n S p e c if ic W e ig h t o f R o c k k N /m 3 U n ia x ia l C o m p re s s iv e S tr e n g th o f J o in t - M P a

(4)

TA

3

11

1 M

ek

an

ik

a

B

at

ua

n

–

S

ifa

t

F

is

ik

D

an

M

ek

an

ik

B

at

ua

n

U

tu

h

–

3A

3C-70

Menduga “Joint Compressive

Strength”

Schmidt hammer

(5)

TA

3

11

1 M

ek

an

ik

a

B

at

ua

n

–

S

ifa

t

F

is

ik

D

an

M

ek

an

ik

B

at

ua

n

U

tu

h

–

3A

3C-71

Hubungan UCS & Schmidt Hammer

Hubungan tsb memperlihatkan kecenderungan penggunaan bobot

isi sebagai variabel tambahan pada hampir semua persamaan

korelasi antara UCS dan

Schmidt Hammer

Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

_Hammer

Tipe

1. Deere & Miller, 1966

2. Kidybinski, 1968

3. Beverly et al., 1979

4. Haramy & DeMarco, 1985

5. Cargill & Shakoor, 1990

5.1. batu pasir

5.2. karbonat

6. Kahraman, 2001

.

1 

= 6,9 ×10

(0,16+0,0087Rn)

.

2 

= 0,477e

(0,045Rn+)

.

3 

= 12,74e

(0,0185Rn)

.

4 

= 0.094R

– 0,383

. .

 1

= e

(0,043Rnd + 1,2)

. .

2

= e

(0.018Rnd + 2,9)

.

6 

= 6,97e

(0,014Rn)

1.

2.

3. -4. batu bara

5. sedimen, metamorf

6. tiga jenis batuan

L

-L

L

N

(6)

TA

3

11

1 M

ek

an

ik

a

B

at

ua

n

–

S

ifa

t

F

is

ik

D

an

M

ek

an

ik

B

at

ua

n

U

tu

h

–

3A

3C-72

Hubungan UCS – PLI – Schmidt

Hammer

Term

_(MPa)

UCS

_(MPa)

PLI

Hardness

Schmidt

(Type L)

Field Estimate of Strength

Examples*

R5 Extremely

Strong >250 >10 50-60

Rock material only chipped under

repeated hammer blows fresh basalt, chert, diabase, gneiss, granite, quatzite

R4 Very

Strong 100-250 4-10 40-50

Requires many blows of a geological hammer to break intact

rock specimens

Amphibolite, sandstone, basalt, gabbro, gneiss, granodiorite, limestone, marble rhyolite, tuff R3

Strong 50-100 2-4 30-40

Hand held specimens broken by a single blow of a geological

hammer

Limestone, marble, phyllite, sandstone, schist, shale R2

Medium

Strong 25-50 1-2 15-30

Firm blow with geological pick indents rock to 5mm, knife just

scrapes surface

Claystone, coal, concrete, schist. shale, siltstone R1

Weak 5-25 ** <15 Knife cuts material but too hard to shape into triaxial specimens chalk, rock salt, potash

Very Weak 1-5 **

Material crumbles under firm blows of geological pick, can be scraped

with knife

highly weathered or altered rock

Extremely