SIFAT FISIK DAN MEKANIK BATUAN - 2

Transkripsi

1 SIFAT FISIK DAN MEKANIK BATUAN - 2 Suseno Kramadibrata Laboratorium Geomeknika FIKTM - ITB

2 Uji 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)

3 Sel Triaksial Tipe Von Karman Dept. 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 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

4

5 Sel Von Karman Type & Triaksial Hoek & Franklin (1968) Tidak perlu penirisan minyak antar uji Ukuran terbatas BQ, NQ & HQ L/D = σ 3 max 70 MPa Selubung polyethylene mahal

6 Mohr Circles & Intrinsic Curve Shear Stress (MPa) c 0 τ = c + σ N Tan φ τ = σ N Tan φ No 1 2 σ 3 (MPa) σ 1 (MPa) Normal Stress (MPa)

7 σ 1 Maximum major principal stress at failure β σ 1 σ N σ 3 σ 3 Minor principal stress /confining pressure τ Mohr Coulomb Linear Mohr Curve linear concave downwards; in the limit, the envelope may assume the form of a straight line (Coulomb criterion) τ= ½ (σ 1 σ 3 ) Sin 2 β σ = ½ (σ 1 + σ 3 ) + ½ (σ 1 σ 3 ) Cos 2 β D Mohr - Coulomb τ max β Mohr E A 2 β B

8 Metode Tak Langsung Menentukan σ n ( σ1 + σ3) + UCS & UTS 1 1 = ( σ1 - σ3)cos τ = ( σ1 - σ3)sin 2β σ 1 = σ c = σ t = 1 2 σ φ 3(1+ sin ) + 2c cos 1- sin 2c cos 1- sin 2c cos 1+ sin φ φ φ φ φ φ β τ = σ n tan φ + c 2β = 90 + φ Pada kondisi tekan, σ 1 = σ c & σ 3 = 0 Pada kondisi tarik, σ 1 = 0 dan σ 3 = - σ t Keterangan τ σ N σ 1 σ 3 c β φ σ c σ t = Tegangan geser = Tegangan normal = Tegangan prinsipal mayor = Tegangan prinsipal minor = Kohesi = Sudut antara s1 dan sn = Sudut gesek dalam = Kuat tekan uniaksial (UCS) = Kuat tarik uniaksial (UTS)

9 Multistage Triaxial Test σ1-σ3 (MPa) E 1 E 2 σ 31 = 2 MPa σ 32 = 5 MPa σ 34 = 10 MPa σ 33 = 7.5 MPa E 3-20 Strain

10

11 Deviatoric s tres s (M Pa) Schwartz (1964) Tekanan air pori mempunyai sedikit pengaruh pada kekuatan batuan jika angka pori spesimen batuan kurang < 0, Granite (void ratio = 0.022) Sandstone (void ratio = 0.163) Applied σ3 = 35 MPa µ = 35 MPa Strain (%) µ = 7 MPa µ = 7 MPa µ = 21 MPa µ = 21 MPa µ = 35 MPa Deviatoric stess (MPa) Kwasnieski (1990) Kurva perbedaan tegangan regangan longitudinal spesimen Bogdanka mudstone kondisi kering dan basah yang diuji pada tegangan pengukungan 20 MPa. air-dry specimen σ3 = 20 MPa wet specimen Longitudinal strain (%)

12 Pengaruh σ 3 Pada Kurva σ - ε

13

14 Variasi Deviatoric Stress vs Kemiringan Bidang Lemah & σ 3 (Donath, 1972 & Mc Lamore Gray 1967)

15 Perilaku Keruntuhan Menurut Kecepatan Ultrasonik pada Uji Triaksial Deviatoric stress (MPa) a. Contoh Jenuh; b. Contoh Kering Dried specimen Saturated specimen σ3 = 4 MPa σ3 = 16 MPa σ3 = 12 MPa σ3 = 8 MPa σ3 = 16 MPa σ3 = 12 MPa σ3 = 8 MPa σ3 = 4 MPa Sonic velocity (km/s)

16 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 garis Coulomb's shear strength, kuat geser (shear strength), sudut geser dalam (φ), kohesi (C).

17 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Kuat Geser 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 F N. Pada Uji Geser langsung, τ & σ N adalah representatif dari F S & F N 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 τ P & nilai perpindahan pada saat kondisi ini disebut perpindahan geser puncak. Setelah τ P tercapai, τ akan turun dan berangsur-angsur mencapai nilai konstan & disebut τ R. Jika τ P & τ R diperoleh dari tingkat τ N 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.

18 tegangan normal σ contoh contoh tegangan geser τ kuat geser puncak kuat geser sisa Perpindahan u Peak strength τ P φp τ = Cp + σ tan φp σ tan φp Cp cohesive strength Tegangan normal σ τ P φp Kuarsa τ R φr Clay τ = Cp + σ tan φp τ = Cr + σ tan φr Residual strength Tegangan normal σ Tegangan geserτ perpindahan u Tegangan geser τ Tegangan geser τ

19 Bevelled Dies Shear Test Tegangan Normal σ N σ o N = = T P Sin 45 A τ P N A 45 o σ N σ N 5 x 5 x 5 cm α P (kg) A (cm 2 ) σ N (kg.cm 2 ) Tegangan Geser τ τ = P Cos 45 A α=30 o o = α=40 o T A α=50 o τ (kg.cm 2 ) Ball bearing

20 Faktor 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.

21 Data Uji Geser-1 Horizontal Displacement (mm} FH{kN} σh {kpa} Vertical Displacement {mm} FN {kpa} σn {kpa}

22 SHER DISP (mm) SHEARING FORCE, kg NORMAL DISPL ( x 0,01 mm ) FORWARD SHEARING REVERSE SHEARING Normal Load = kg Saw cut plane : circle - Length : 4.57 cm - Width : 4.57 cm - Area ( A ) : cm2 Normal Stress : ( σn ) = Pn /A = 5 kg/cm

23 Faktor 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

24 Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan 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.

25 Faktor 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

26 Kriteria 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

27 Kriteria 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 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

28 σ N σ N σ H τ = C + σ tan (Φ + i) i Keterangan: τ = tegangan geser C = kohesi σ = tegangan normal µ = koefisien geser dalam dari batuan = tan Φ i = sudut dilatasi i σ H

29 Kecepatan Ultrasonik 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.

30 Kec. Rambat Gel. Ultrasonik Kecepatan rambat gelombang tekan Kecepatan rambat gelombang geser Modulus Young dinamik Modulus geser dinamik Nisbah Poisson dinamik

31 Cepat Rambat Gelombang Tekan & V = p L t L = panjang contoh (m) p Geser V = tp = waktu yang dibutuhkan gelombang tekan merambat sepanjang contoh (detik) ts = waktu yang dibutuhkan gelombang geser merambat sepanjang contoh (detik) p L t s

32 Parameter Parameter Dinamik Dinamik Modulus Geser: G = ρ.v s 2 ρ = massa per satuan volume = 2 p s 2 p s V V 1 2 V V 2 1 v Nisbah Possion: Modulus Young Dinamik: E = 2 (1+ν) G Konstanta Lame: λ = ρ (v p 2 2 v s2 ) Modulus Ruah: K = (ρ/3) (3v p2 4 v s2 )

33 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 σc dan Vp dengan menggunakan variasi contoh batuan dari penelitiannya Goktan & Wade et al. sehingga lebih andal utk prediksi UCS daripada Vp. Referensi Goktan (1988) Wade et al. (1993) Kahraman (2001) Persamaan σ c = 0,036v p* - 31,18 σc = 0,055v p * - 91,44 σ c = 9,95v p 1,21 batuan sedimen - Tipe Batuan batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf v p* = Kecepatan gelombang tekan (m/det) v p = Kecepatan gelombang tekan (km/det)

34 Kriteria Runtuh Hoek-Brown 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).

35 Kriteria Hoek-Brown σ 1 & σ 3 adalah tegangan efektif maksimum & minimum saat batuan runtuh, m b adalah nilai konstanta Hoek & Brown m untuk massa batuan s & a adalah konstanta yg bergantung pada karakteristik massa batuan σ ci adalah UCS batuan utuh

36 Sifat Batuan Utuh Hubungan antara tegangan prinsipal saat suatu batuan runtuh diberikan oleh σ ci & m i. Selang nilai σ 3 sangat kritikal. Hoek & Brown (1980) gunakan 0 < σ 3 < 0.5 σ ci Setidaknya perlu 5 titik data utk dimasukan dalam analisis.

37 Penentuan σ ci and m i y = mσ ci x + sσ ci x = σ 3 y = (σ 1 σ 3 ) 2

38 Penentuan σ ci and m i

39 Pendugaan Lapangan UCS

40 Pendugaan Lapangan UCS

41 Nilai m i Untuk Batuan Utuh

42 Nilai m i Untuk Batuan Utuh

43 Catatan 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.

44 Peak Strength of Moura DU Coal (Medhurst & Brown, 1996) σ ci = 32.7 MPa

45 Kekuatan Puncak Moura DU Coal (Medhurst & Brown, 1996)

46 Geological Strength Index

47 Pendugaan m & s Dengan GSI (Hoek, 1994; Hoek et al., 1995) m b = m i 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)

48 Pendugaan 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 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 digunakan maka: GSI = RMR89 5 RMR89 punya groundwater rating 15 & adjustment utk joint orientation - zero

49 Apakah GSI? Controlled blasting Bulk blasting

50 Pendugaan m & s Dengan GSI (Hoek, 2002) m b = m i 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)]

51 Disturbance Factor, D Appearance or rock mass Description of rock mass Excellent quality controlled blasting or excavation by Tunnel Boring Machine results in minimal disturbance to the confined rock mass surrounding a tunnel. Suggested value of D D = 0

52 Disturbance Factor, D Appearance or rock mass Description of rock mass 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. Suggested value of D D = 0 D = 0.5 (no invert)

53 Disturbance Factor, D Appearance or rock mass Description of rock mass Very poor quality blasting in a hard rock tunnel results in severe local damage, extending 2 or 3 m, in the surrounding rock mass. Suggested value of D D = 0.8

54 Disturbance Factor, D Appearance or rock mass Description of rock mass 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. Suggested value of D D = 0.7 Poor blasting D = 1.0 Good blasting

55 Disturbance Factor, D Appearance or rock mass Description of rock mass 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. Suggested value of D D = 1.0 Production blasting D = 0.7 Mechanical excavation

56 Parameter Mohr-Coulomb

57 Parameter Mohr-Coulomb

58 Ringkasan Sejarah Pengembangan 1980 Kriteria Runtuh Hoek-Brown Hoek E. and Brown E.T Underground Excavations in Rock. London: Institution of Mining and Metallurgy 527 pages. Hoek, E. and Brown, E.T Empirical strength criterion for rock masses. J. Geotech. Engng Div., ASCE 106(GT9), Hoek, E Strength of jointed rock masses, 23rd. Rankine Lecture. Géotechnique 33(3),

59 Ringkasan Sejarah Pengembangan 1988 Kriteria Runtuh Hoek-Brown Hoek E and Brown E.T The Hoek-Brown failure criterion - a 1988 update. Proc. 15th Canadian Rock Mech. Symp. (ed. J.H. Curran), pp Toronto: Civil Engineering Dept., University of Toronto Hoek, E Estimating Mohr-Coulomb friction and cohesion values from the Hoek-Brown failure criterion. Intnl. J. Rock Mech. & Mining Sci. & Geomechanics Abstracts. 12(3),

60 Ringkasan Sejarah Pengembangan 1992 Kriteria Runtuh Hoek-Brown Hoek, E., Wood, D. and Shah, S A modified Hoek- Brown criterion for jointed rock masses. Proc. rock characterization, symp. Int. Soc. Rock Mech.: Eurock 92, (J.Hudson ed.) Hoek, E Strength of rock and rock masses, ISRM News Journal, 2(2), 4-16.

61 Ringkasan Sejarah Pengembangan 1995 Kriteria Runtuh Hoek-Brown Hoek, E., Kaiser, P.K. and Bawden. W.F Support of underground excavations in hard rock. Rotterdam: Balkema 1997 Hoek, E. and Brown, E.T Practical estimates of rock mass strength. Intnl. J. Rock Mech. & Mining Sci. & Geomechanics Abstracts. 34(8), Hoek, 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),

62 Ringkasan Sejarah Pengembangan 2000 Kriteria Runtuh Hoek-Brown Hoek, E. and Marinos, P. (2000) Predicting Tunnel Squeezing. Tunnels and Tunnelling International. Part 1 - November Issue 2000, , Part 2 - December, 2000, 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 , Melbourne, Australia Marinos. P, and Hoek, E. (2001) - Estimating the geotechnical properties of heterogeneous rock masses such as flysch, Bull. Engg. Geol. Env. 60,

63 Ringkasan Sejarah Pengembangan 2002 Kriteria Runtuh Hoek-Brown Hoek, 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.