9 - TA3111-3B Sifat Mekanik Batuan Utuh-12

1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

SIFAT FISIK DAN MEKA MEKANI NIK K BATU BATUAN AN UTUH UTUH – 3B 3B1 1

Suseno Kramadibrata Made Astawa Rai Ridho K Wattimena Laborato Laboratorium rium Geomekni Geomeknika ka FIK FIKTM - ITB

Sifat Fisik & Mekanik Batuan Utuh


•Core Cuttability

Penggalian Penggalian

 

Massa Batuan 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Klasifikasi UCS 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

.1

1

10

Soil

Low strength

Very low

Soil

Very soft rock

100

Hard rock

Soft rock

Very low strength

Soil

Low strength

Medium strength

Rock

Extremely hard rock

h h m t t u g h g i g n i d n e e e t r H t r s M s

High strength

Very high strength

Very high strength

Weak Strong

10 Uniaxial Compressive Strength (MPa)

100

ISRM 1979

Jennings 1973

Bieniawski 1973

Extremely Broch & high Franklin strength 1972 Extremely strong

h t m h t u g w g i High Very high o n d n e e L t r e t r strength strength s M s

Very weak

1

t h g n er t s

Very high

High

Very Moderately Moderately Strong strong strong weak

Weak

Very low strength

.1

m u i d e M

Very hard rock w o L

Soil

Very weak

e t a r e d o M

1000

Very strong

Geological Society 1970 Deere & Miller 1966 Coates 1964

1000

Kuat Tekan Uniaksial (UCS) 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

UCS (MPa) Klasifikasi Bieniawski, 1973

Tamrock, 1988

Sangat keras

250-700

200 [7]

Keras

100-250

120 – 200 [6-7]

Keras sedang

50-100

60 – 120 [4,5-6]

-

30 – 60 [3-4,5]

Lunak

25-50

10 – 30[2-3]

Sangat lunak

1-25

- 10

Cukup lunak

(Tamrock Surface Drilling and Blasting, 1988), Mohs Hardness [-]


Karakteristik Fisik & Mekanik Statik Batuan Utuh Jenis batuan

Bobot isi (t/m3)

Kuat Tekan (MPa)

Kuat Tarik (MPa)

Modulus Young (GPa)

Granit

2,5 – 2,8

70 - 300

8 - 30

35 – 80

Basalt

2,4 – 2,9

50 - 300

6 - 30

20 – 100

Batupasir

2,2 – 2,7

40 - 150

2 - 15

10 – 40

Dolerit

2,9 – 3,1

100 - 300

8 - 30

40 – 90

Batugamping

2,0 – 2,8

40 - 130

2 - 12

10 – 50

Andesit

2,5 – 2,8

70 - 150

5 - 15

30 – 60


Karakteristik Fisik & Mekanik Statik Batuan Utuh Typical Rock Types

Compressive Strength (MPa)

Tensile Strength (MPa)

Shear Strength (MPa)

Bulk Density (ton/m3)

Porosity %

Granite

100-250

7-25

14-50

2.6-2.9

0.5-1.5

Diorite

150-300

15-30

NA

NA

NA

Diabase

100-350

15-35

25-60

2.7-3.05

0.1-0.5

Gabbro

150-300

15-30

NA

2.8-3.1

0.1-0.2

Basalt

100-300

10-30

20-60

2.8-2.9

0.1-1.0

Gneiss

50-200

5-20

NA

2.8-3.0

0.5-1.5

Marble

100-250

7-20

NA

2.6-2.7

0.5-2

Slate

100-200

7-20

15-30

2.6-2.7

0.1-0.5

Quartzite

150-300

10-30

20-60

2.6-2.7

0.1-0.5

Sandstone

20-170

4-25

8-40

2.0-2.6

5-25

Shale

5-100

2-10

3-30

2.0-2.4

10-30

Limestone

30-250

5-25

10-50

2.2-2.6

5-20

Dolomite

30-250

15-25

NA

2.5-2.6

1-5

Steel

900-1500

NA.

NA

NA

NA


Uji Kuat Tekan (Unconfined Compressive Strength Test)









Uji ini menggunakan mesin tekan (compression machine ) untuk menekan contoh batu yang berbentuk silinder, balok atau prisma dari satu arah (uniaxial ). Penyebaran tegangan di dalam contoh batu secara teoritis adalah searah dengan gaya yang dikenakan pada contoh tersebut. Tetapi dalam kenyataannya arah tegangan tidak searah dengan gaya yang dikenakan pada contoh tersebut karena ada pengaruh dari plat penekan mesin tekan yang menghimpit contoh. Sehingga bentuk pecahan tidak berbentuk bidang pecah yang searah dengan gaya melainkan kadangkala berbentuk kerucut


Syarat Contoh Uji UCS & Triaksial









Perbandingan panjang terhadap diameter contoh (L/D) antara 2 - 2,5. Kedua ujung contoh halus dan rata dengan ketidakrataan kurang dari 0,02 mm untuk tiap ujung contoh. Kedua ujung contoh tegak lurus sumbu utama dengan ketidaktegaklurusan kurang dari 0,06°. Keliling contoh halus dan bebas dari ketidakberaturan serta lurus, tidak melebihi dari 0,3 mm pada seluruh tinggi contoh.

Testing Machines 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T


Servo Control System 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Tegangan (MPa) 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

ε v = εa + 2 εl Volumetrik

σ

Failure

c 2

σ

Batas Elastis / Yield Point

E

b

a Δ σ

1 Δ ε

Lateral

Regangan (%)

Closing Cracks

Aksial


Contoh Kurva Tegangan Regangan 3 Jenis Batuan 18 0 Granit 16 0 14 0 12 0

) 10 0 a P M ( σ σ

80 60 40

Breksi Tufa Gamping

20 0 0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

ε a (%)

Tipe Batuan

Lokasi

Jumlah Contoh

σc

Rata-rata

(MPa) SD

E (GPa)

SE (MJ/m3)

CoV (%)

Gamping

Cibinong

5

20,51

2,42

11,81

5,00

0,04

Breksi Tufa

Pongkor

5

28,38

6,11

21,52

5,77

0,08

Granit

Karimun

5

162,82

15,40

9,46

18,75

0,83

Spesifik Energi UCS 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

σ

σ

σ1

σ2

ε1

ε

ε2

a. Batuan A

U =

1

b. Batuan B

L

P dL

PdL = ∫ ∫ A V 0

0

Lo

ε

=

∫ 0

σ d ε

ε

σ

(MPa)

Secant σ

1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f σ (MPa) i S – n a σc u t a σ YP B a k i n a k e M 1 50% σYP 1 1 3 A T

c

σYP

50% σc Δσ

Δε

(MPa)

σ

ε Aksial (%)

Average σ

c

σ

YP

Tangent Δσ

Δσ

Δε Δε

ε Aksial (%)

ε Aksial (%)




UCS = σc



Batas elastik - σE



Modulus Young Tangen (Tangent Young’s Modulus ), Et & diukur pada tingkat tegangan = 50 % σyp.



Modulus Young Rata-rata (Average Young’s Modulus ), Eav & diukur dari rata-rata kemiringan kurva atau bagian linier yang terbesar dari kurva.



Modulus Young Sekan (Secant Young's Modulus ), Es & diukur dari tegangan = 0 sampai nilai tegangan tertentu, yang biasanya 50 % σc.

Persamaan Kurva Tegangan Regangan 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T



Energi Fraktur UCS = Wf = ½ Fp x



Energi Fraktur Spesifik UCS = Wsf = σc x εp





∆l

Toughness Indeks (Singh, 1983) = TI =

Rock Toughness (Farmer, 1986) = RT=

σ c

2

2 E σ c

x 100 2

E

F


0.5 ∆L

L/D=2

0.5 ∆L D + ∆D

Regangan Aksial = ε A

=

∆L

L

Regangan Lateral = ε L

Regangan Volumetrik = ε V

=

= ε A + 2ε L

∆D

D


Fracture Effect L/D=2

L/D=1 Friction constraint

L/D=2

L/D=2 Cataclasis


Homogeneous Shear

Axial Splitting

Combination Axial & Local Shear

Cone Failure

Homogeneous Shear

Splintery & Onion Leaves & Buckling


5 Tipe pecah batuan akibat pembebanan triaksial (Griggs & Handin, 1960)


Perilaku deformasi batuan akibat tekanan pemampatan pada uji triaksial (Goodman)

Brittle Fracture & Axial Splitting 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Brittle Fracture Axial Splitting & Combination Axial & Local Shear 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Shear Failure 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Splintery & Onion Leaves & Buckling 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Shape Effect 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

σ

ASTM

Protodiakonov

L/D=2

c(l = D) =

σ

c

0,222 0,778 + l / D

c(l = 2D) =

σ

L/D=2.5

8 σ c 2 7 + l / D

L/D=3

Shape Effect Batu Pasir Kering John (1972) 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Scale Effect 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Shape Effect


Scale Effect Hoek & Brown (1980)

Scale Effect - Kramadibrata (1993) 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

UCS MPa 600 BASALTMAFIC

500

PORPHYRY GMD-U8 Ore GMD-U8 MULLOCK

400 300 200 100 0 0

25

50

75

100

Diameter mm

125

150

175


Beberapa Faktor Yang Mempengaruhi Kurva Tegangan Regangan GEOMETRI & BENTUK CONTOH BATUAN Geometri contoh batu Bentuk: Silinder, Prisma, Kubus Perbandingan tinggi - diameter (h/d) Ukuran    

KONDISI PLAT PENEKAN Mempengaruhi distribusi tegangan didalam percontoh Gesekan antara pelat tekan dengan permukaan contoh batu  

KECEPATAN PEMBEBANAN Laju pembebanan = Laju regangan x Modulus Young (elastik) ISRM STRESS RATE = 0,5-1,0 MPa / sec  

TEMPERATUR Temperatur turun E Naik Temperatur naik E Turun E Bentuk kurva berubah   

LINGKUNGAN Kandungan air 

MINERAL & BUTIRAN Mineralogi, ukuran butir, porositas Material pengikat kekuatan batu: Kuarsa, Kalsit, Mineral; Ferrous, Lempung  


Pengaruh Arah Pembebanan Pada Kuat Tekan Devonian Slate & Graphitic Phyllite (Brown et al, 1977 & Salcedo, 1983)


Kuat Tarik Brazilian (Uniaxial Tensile Strength) σt =









F



Plat atas Contoh



D

Batuan



Plat bawah 

F

2F πDt

= Kuat Tarik tak langsung, MPa D = Diameter contoh, mm F = Beban, N t = Tebal contoh, mm UTS << UCS UCS/UTS = Toughness ratio = Brittleness Index BI semakin besar, kinerja alat gali potong meningkat beberapa kali lipat Brittleness “dapat” diubah dengan linear combination of load and displacement

σt


Brazilian Jig

Jig Brazilian Atas

Gaya Tarik

Rekahan

Jig Brazilian Bawah

Gaya Tarik

Uji Kuat Tarik Langsung 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Kuat Tarik Langsung 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Bonded

End-pull

Grip

Jenis Deformasi Tarik 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T

Kuat Tarik Dinamik 1 n a u t a B k i n a k e M & k i s i F t a f i S – n a u t a B a k i n a k e M 1 1 1 3 A T









Kuat tarik dinamik batuan jauh lebih kecil daripada kuat tekan statiknya. Kuat tarik dinamik sangat penting untuk diketahui dalam proses penggalian mekanis dan peledakan. Tegangan tarik tangensial harus lebih besar daripada kuat tarik dinamik agar terjadi rekahan radial Bila spalling diinginkan untuk terjadi, kuat tarik dinamik harus lebih kecil daripada tegangan tarik radial yang dihasilkan dari pantulan pulsa tegangan tekan awal di bidang bebas.

9 - TA3111-3B Sifat Mekanik Batuan Utuh-12

Recommend Documents