Mekanika Batuan

Mekanika batuan merupakan ilmu teoritis dan terapan tentang perilaku mekanik batuan, berkaitan dengan respons batuan atas medan gaya dari lingkungan sekitarnya (Deere, D.V., dalam Stagg & Zienkiewicz, 1968)

Mekanika batuan mempelajari :

1)  Mekanisme deformasi kristal-kristal mineral yang mengalami tekanan tinggi pada temperatur tinggi

2)  Perilaku triaksial batuan di laboratorium

3)  Stabilitas dinding terowongan, bahkan :

4)  Mekanisme pergerakan-pergerakan kerak bumi sendiri, dalam hal ini jelas geologi berperan, antara lain material-material yang terlibat :

– masa batuan yang keberadaannya tidak terlepas dari  lingkungan geologi  atau dihasilkan dari lingkungan geologi

– karakter fisiknya, yang merupakan fungsi dari cara terjadinya dan dari semua proses yang terlibat

– stabilitas dinding terowongan, bahkan

– sejarah geologi pada lokasi kejadian

PENTINGNYA LITOLOGI DAN JENIS BATUAN        

Litologi suatu batuan memberikan acuan tentang mineraloginya, tekstur, kemas yang mengarahkan kepada klasifikasi yang dapat diterima ;  (lithology = ilmu tentang batuan).

Pentingnya klasifikasi yang dapat diterima :

Jenis batuan,  mineralogy, tekstur, fabric (kemas)  —> deskriptif terminologi —> sistem klasifikasi yang dapat diterima, misalnya: oolitic limestone, bituminous shale.

Jenis batuan sama bisa memberikan rentang nilai sifat mekanik yang panjang Cenderung lithologic name ditinggalkan, diganti dengan nama kelas yang menggunakan sifat mekanik —> tetap dipertahankan untuk beberapa alasan :

1) Setidaknya ada rentang nilai

Untuk jenis batuan tertentu sebagian rentang harganya tinggi/panjang, sebagian lagi pendek. Misalnya: limestone 5.000 lb/in2 hingga 35.000 lb/in2 (rentang harga 30.000; 1 lb/in2 = 0,70307 Ton/m2); rock salt, garam batuan, 3.000 – 5.000 lb/in2 —> rentang harga 2.000 saja.

2)  Sehubungan dengan tekstur, fabric, structural anisotropy dalam batuan yang terbentuk secara khusus (a particular origin); misalnya:

a. batuan beku, umumnya punya suatu fabric yang padat dan interlocking, yang hanya sedikit saja memiliki perbedaan sifat mekanik ke arah-arah yang berbeda.

b. batuan sedimen berlapis anisotropy in mechanical properties

c. batuan metamorf, foliasi —> lebih-lebih anisotropy

 

Prinsip Dasar Mekanika Batuan

Mengenal dan menafsirkan tentang asal-usul dan mekanisme pembentukan suatu struktur geologi akan menjadi lebih mudah apabila kita memahami prinsip-prinsip dasar mekanika batuan, yaitu tentang konsep gaya (force), tegasan (stress), tarikan (strain) dan faktor-faktor lainnya yang mempengaruhi karakter suatu materi/bahan.

·         Gaya (Force)

Gaya merupakan suatu vektor yang dapat merubah gerak dan arah pergerakan suatu benda. Gaya dapat bekerja secara seimbang terhadap suatu benda (seperti gaya gravitasi dan elektromagnetik) atau bekerja hanya pada bagian tertentu dari suatu benda (misalnya gaya-gaya yang bekerja di sepanjang suatu sesar di permukaan bumi).

Gaya gravitasi merupakan gaya utama yang bekerja terhadap semua obyek/materi yang ada di sekeliling kita.  Besaran (magnitud) suatu gaya gravitasi adalah berbanding lurus dengan jumlah materi yang ada, akan tetapi magnitud gaya di permukaan tidak tergantung pada luas kawasan yang terlibat.  Satu gaya dapat diurai menjadi 2 komponen gaya yang bekerja dengan arah tertentu, dimana diagonalnya mewakili jumlah gaya tersebut. Gaya yang bekerja diatas permukaan dapat dibagi menjadi 2 komponen yaitu: satu tegak lurus dengan bidang permukaan dan satu lagi searah dengan permukaan.

Pada kondisi 3-dimensi, setiap komponen gaya dapat dibagi lagi menjadi dua komponen membentuk sudut tegak lurus antara satu dengan lainnya. Setiap gaya, dapat dipisahkan menjadi tiga komponen gaya, yaitu komponen gaya X, Y dan Z.

·         Tekanan Litostatik

Tekanan yang terjadi pada suatu benda yang berada di dalam air dikenal sebagai tekanan hidrostatik. Tekanan hidrostatik yang dialami oleh suatu benda yang berada di dalam air adalah berbanding lurus dengan berat volume air yang bergerak ke atas atau volume air yang dipindahkannya.

Sebagaimana tekanan hidrostatik suatu benda yang berada di dalam air, maka batuan yang terdapat di dalam bumi juga mendapat tekanan yang sama seperti benda yang berada dalam air, akan tetapi tekanannya jauh lebih besar ketimbang benda yang ada di dalam air, dan hal ini disebabkan karena batuan yang berada di dalam bumi mendapat tekanan yang sangat besar yang dikenal dengan tekanan litostatik. Tekanan litostatik ini menekan kesegala arah dan akan meningkat ke arah dalam bumi.

·         Tegasan (Stress forces)

Tegasan adalah gaya yang bekerja pada suatu luasan permukaan dari suatu benda. Tegasan juga dapat didefinisikan sebagai suatu kondisi yang terjadi pada batuan sebagai respon dari gaya-gaya yang berasal dari luar. Tegasan dapat didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada luasan suatu permukaan benda dibagi dengan luas permukaan benda tersebut: Tegasan (P)= Daya (F) / luas (A).

Tegasan yang bekerja pada salah satu permukaan yang mempunyai komponen tegasan prinsipal atau tegasan utama, yaitu terdiri daripada 3 komponen, yaitu: σP, σQ dan σR.  Tegasan pembeda adalah perbedaan antara tegasan maksimal (σP) dan tegasan minimal (σR). Sekiranya perbedaan gaya telah melampaui kekuatan batuan maka retakan/rekahan akan terjadi pada batuan tersebut. Kekuatan suatu batuan sangat tergantung pada besarnya tegasan yang diperlukan untuk menghasilkan retakan/rekahan.

·         Gaya Tarikan (Tensional Forces)

Gaya Tegangan merupakan gaya yang dihasilkan oleh tegasan, dan melibatkan perubahan panjang, bentuk (distortion) atau dilatasi (dilation) atau ketiga-tiganya.

Bila terdapat perubahan tekanan litostatik, suatu benda (homogen) akan berubah volumenya (dilatasi) tetapi bukan bentuknya. Misalnya, batuan gabro akan mengembang bila gaya hidrostatiknya diturunkan.

Perubahan bentuk biasanya terjadi pada saat gaya terpusat pada suatu benda. Bila suatu benda dikenai gaya, maka biasanya akan dilampaui ketiga fasa, yaitu fasa elastisitas, fasa plastisitas, dan fasa pecah. Bahan yang rapuh biasanya pecah sebelum fase plastisitas dilampaui, sementara bahan yang plastis akan mempunyai selang yang besar antara sifat elastis dan sifat untuk pecah. Hubungan ini dalam mekanika batuan ditunjukkan oleh tegasan dan tarikan.

Kekuatan batuan, biasanya mengacu pada gaya yang diperlukan untuk pecah pada suhu dan tekanan permukaan tertentu. Setiap batuan mempunyai kekuatan yang berbeda-beda, walaupun terdiri dari jenis yang sama. Hal ini dikarenakan kondisi pembentukannya juga berbeda-beda.

Batuan sedimen seperti batupasir, batugamping, batulempung kurang kuat dibandingkan dengan batuan metamorf (kuarsit, marmer, batusabak) dan batuan beku (basalt, andesit, gabro).

Batuan yang terdapat di Bumi merupakan subyek yang secara terus menerus mendapat gaya yang berakibat tubuh batuan dapat mengalami pelengkungan atau keretakan. Ketika tubuh batuan melengkung atau retak, maka kita menyebutnya batuan tersebut terdeformasi (berubah bentuk dan ukurannya). Penyebab deformasi pada batuan adalah gaya tegasan (gaya/satuan luas). Oleh karena itu untuk memahami deformasi yang terjadi pada batuan, maka kita harus memahami konsep tentang gaya yang bekerja pada batuan. Tegasan (stress) dan tegasan tarik (strain stress) adalah gaya gaya yang bekerja di seluruh tempat dimuka bumi. Salah satu jenis tegasan yang biasa kita kenal adalah tegasan yang bersifat seragam (uniform-stress) dan dikenal sebagai tekanan (pressure). Tegasan seragam adalah suatu gaya yang bekerja secara seimbang kesemua arah. Tekanan yang terjadi di bumi yang berkaitan dengan beban yang menutupi batuan adalah tegasan yang bersifat seragam. Jika tegasan kesegala arah tidak sama (tidak seragam) maka tegasan yang demikian dikenal sebagai tegasan diferensial.

Tegasan diferensial dapat dikelompokaan menjadi 3 jenis, yaitu:

·         Tegasan tensional (tegasan extensional) adalah tegasan yang dapat mengakibatkan batuan mengalami peregangan atau mengencang.

·         Tegasan kompresional adalah tegasan yang dapat mengakibatkan batuan mengalami penekanan.

·         Tegasan geser adalah tegasan yang dapat berakibat pada tergesernya dan berpindahnya batuan.

Ketika batuan terdeformasi maka batuan mengalami tarikan. Gaya tarikan akan merubah bentuk, ukuran, atau volume dari suatu batuan. Tahapan deformasi terjadi ketika suatu batuan mengalami peningkatan gaya tegasan yang melampaui 3 tahapan pada deformasi batuan.

di bawah memperlihatkan hubungan antara gaya tarikan dan gaya tegasan yang terjadi pada proses deformasi batuan.

·         Deformasi yang bersifat elastis (Elastic Deformation) terjadi apabila sifat gaya tariknya dapat berbalik (reversible).

·         Deformasi yang bersifat lentur (Ductile Deformation) terjadi apabila sifat gaya tariknya tidak dapat kembali lagi (irreversible).

·         Retakan / rekahan (Fracture) terjadi apabila sifat gaya tariknya yang tidak kembali lagi ketika batuan pecah/retak.

Kita dapat membagi material menjadi 2 (dua) kelas didasarkan atas sifat perilaku dari material ketika dikenakan gaya tegasan padanya, yaitu :

·         Material yang bersifat retas (brittle material), yaitu apabila sebagian kecil atau sebagian besar bersifat elastis tetapi hanya sebagian kecil bersifat lentur sebelum material tersebut retak/pecah

·         Material yang bersifat lentur (ductile material) jika sebagian kecil bersifat elastis dan sebagian besar bersifat lentur sebelum terjadi peretakan / fracture

Bagaimana suatu batuan / material akan bereaksi tergantung pada beberapa faktor, antara lain adalah:

Temperatur – Pada temperatur tinggi molekul molekul dan ikatannya dapat meregang dan berpindah, sehingga batuan/material akan lebih bereaksi pada kelenturan dan pada temperatur, material akan bersifat retas.

Tekanan bebas – pada material yang terkena tekanan bebas yang besar akan sifat untuk retak menjadi berkurang dikarenakan tekanan disekelilingnya cenderung untuk menghalangi terbentuknya retakan. Pada material yang tertekan yang rendah akan menjadi bersifat retas dan cenderung menjadi retak.

Kecepatan tarikan – Pada material yang tertarik secara cepat cenderung akan retak. Pada material yang tertarik secara lambat maka akan cukup waktu bagi setiap atom dalam material berpindah dan oleh karena itu maka material akan berperilaku / bersifat lentur.

Komposisi – Beberapa mineral, seperti Kuarsa, Olivine, dan Feldspar bersifat sangat retas. Mineral lainnya, seperti mineral lempung, mica, dan kalsit bersifat lentur. Hal tersebut berhubungan dengan tipe ikatan kimianya yang terikat satu dan lainnya. Jadi, komposisi mineral yang ada dalam batuan akan menjadi suatu faktor dalam menentukan tingkah laku dari batuan. Aspek lainnya adalah hadir tidaknya air. Air kelihatannya berperan dalam memperlemah ikatan kimia dan mengitari butiran mineral sehingga dapat menyebabkan pergeseran. Dengan demikian batuan yang bersifat basah cenderung akan bersifat lentur, sedangkan batuan yang kering akan cenderung bersifat retas.

 

KLASIFIKASI KETEKNIKAN —> BATUAN PADU (INTACT ROCK)

a. Batuan padu (Intact rock) 

merupakan material batuan yang dapat diambil sebagai sample dan diuji di laboratorium, dan bebas dari kemampuan structural berskala besar, misalnya kekar, bidang-bidang perlapisan, zona gerusan (shear zones).

Klasifikasi batuan padu berdasarkan 2 sifat keteknikan, yaitu:

– Ketahanan kompresif satu-sumbu σa(ult) (uni axial compressive strength)

– Modulus of elasticity, Et  = tangen modulus pada 50% ultimate strength), ketahanan kompresif hasil uji spesimen dengan nisbah ukuran panjang : diameter (h : D) paling tidak =  2 : 1. h : D = 2:1, malah boleh lebih besar

Batuan diklasifikasikan baik atas dasar strength maupun modulus ratio —> sebagai AM, BL, BH, CM dan seterusnya.

Modulus-ratio  =  Et / σa (ult)

Et      = target modulus pada 50% ultimate (final maximum) strength

σa(ult) = qu = unconfined / uniaxial compressive trength (UCS)

(http://bosstambang.com/Surface-Mining/mekanika-batuan.html)

 

Sifat Fisik Batuan

Porositas
Porositas didefinisikan sebagai perbandingan volume pori-pori (yaitu volume yang ditempati oleh fluida) terhadap volume total batuan. Ada dua jenis porositas yaitu porositas antar butir dan porositas rekahan. Secara matematis porositas dapat dituliskan sebagai berikut:

Sebagai contoh, apabila batuan mempunyai media berpori dengan volume 0,001 m3, dan media berpori tersebut dapat terisi air sebanyak 0,00023 m3, maka porositasnya adalah:
Pada kenyataannya, porositas didalam suatu sistem panasbumi sangat bervariasi. Contohnya didalam sistem reservoir rekah alami, porositas berkisar sedikit lebih besar dari nol, akan tetapi dapat berharga sama dengan satu (1) pada rekahannya. Pada umumnya porositas rata-rata dari suatu sistem media berpori berharga antara 5 – 30%.

Kecepatan Aliran Fluida

Kecepatan aliran darcy atau flux velocity (v) adalah laju alir rata-rata volume flux per satuan luas penampang di media berpori. Sedangkan kecepatan rata-rata fluida yang melalui media berpori dikenal sebagai interstitial velocity (u). Hubungan antara kedua parameter kecepatan tersebut adalah sebagai berikut:

Harga flux velocity pada umumnya sekitar 10-6 m/s. Besarnya interstitial velocity digunakan untuk kecepatan suatu partikel (partikel kimia penjejak atau tracer) yang mengalir pada media berpori.

Permeabilitas

Permeabilitas adalah parameter yang memvisualisasikan kemudahan suatu fluida untuk mengalir pada media berpori. Parameter ini dihubungkan dengan kecepatan alir fluida oleh hukum Darcy seperti di bawah ini

Tanda negatif dalam persamaan di atas menunjukkan bahwa apabila tekanan bertambah dalam satu arah, maka arah alirannya berlawanan arah dengan pertambahan tekanan tersebut. Dari persamaan (2.3) dapat dinyatakan bahwa kecepatan alir fluida (kecepatan flux) berbanding lurus dengan k/m, dimana didalam teknik perminyakan, k/m dikenal sebagai mobility ratio.

Permeabilitas mempunyai arah, dimana ke arah x dan y biasanya mempunyai permeabilitas lebih besar dari pada ke arah z. Sistem ini disebut anisotropic.

Apabila permeabilitas tersebut seragam ke arah horizontal maupun vertikal disebut sistem isotropik.

Satuan permeabilitas adalah m2. Pada umumnya pada reservoir panasbumi, permeabilitas vertikal berkisar antara 10-14 m2, dengan permeabilitas horizontal dapat mencapai 10 kali lebih besar dari permeabilitas vertikalnya (sekitar 10-13 m2). Satuan permeabilitas yang umum digunakan didunia perminyakan adalah Darcy (1 Darcy = 10-12 m2).

Densitas Batuan
Densitas batuan dari batuan berpori adalah perbandingan antara berat terhadap volume (rata-rata dari material tersebut). Densitas spesifik adalah perbandingan antara densitas material tersebut terhadap densitas air pada tekanan dan temperatur yang normal, yaitu kurang lebih 103 kg/m3.

Batuan mempunyai sifat-sifat tertentu yang perlu diketahui, dalam mekanika

batuan dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu ;

a. Sifat fisik batuan seperti bobot isi ”Spesific Gravity” porositas dan absorbsi ”Void Ratio”.

b. Sifat mekanika batuan seperti kuat tekan, kuat tarik, modulus elastisitas, ”   Poisson `s Ratio”.

Kedua sifat tersebut dapat ditentukan, pada umumnya ditentukan terhadap sampel yang diambil dari lapangan. Satu persatu dapat digunakan untuk menentukan kedua sifat batuan. Pertama-tama adalah penetuan sifak fisik batuan yang merupakan pengujian tanpa merusak (Non Destructive Test), kemudian dilanjutkan dengan penentuan sifat mekanik batuan yang merupakan pengujian merusak (Destructive Test) sehingga contoh fasture (hancur).

Pembutan contoh batuan dapat dilakukan dilaboratorium maupun dilapangan (insitu). Pembuatan percontohan dilaboratorium dilakukan dari blok batuan yang diambil dilapangan hasil pemboran Core (inti). Sampel yang didapat berbentuk selinder dengan diameter pada umumnnya antara 50-70 mm dan tingginya dua kali diameter tersebut. Ukuran percontohan dapat lebih kecil dari ukuran yang disebut diatas tergantung maksud pengujian.

Pengujian ini dilakukan pada inti bor (core) dengan contoh berbentuk silinder dengan dimeter 50-70 mm kemudian dipotong dengan mesin untuk mendapatkan ukuran tinggi dua kali diameternya.

Kemudian conto yang diambil dimasukkan eksikator dan udara yang ada dalam eksikator dihisap sehingga conto dalam keadaan vacum.

Dari conto yang didalam eksikator didapatkan nilai berat jenis,berat jenuh tergantung dalam air dan berat kering conto.

Referensi
(http://dasuha.wordpress.com/2008/11/06/mekanika-batuanuji-kuat-geser/)

(http://bosstambang.com/Surface-Mining/mekanika-batuan.html)

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s