LABORATORIUM PENGUJIAN SIFAT FISIK BATUAN

BAB I

PENDAHULUAN

Dalam mekanika batuan, sifat-sifat batuan yang penting diketahui adalah :

1.      Sifat fisik batuan seperti bobot isi, porositas, kandungan air, absorpsi dan angka pori.

2.      Sifat mekanik batuan seperti kuat tekan uniaksial, kuat tarik, modulus elastisitas, Poisson Ratio, sudut geser dalam dan kohesi.

3.      Sifat Dinamik seperti cepat rambat gelombang primer, cepat rambat gelombang skunder, modulus rigit dinamik, dinamik Young’s Modulus, konstanta Lame dan Bulk Modulus.

4.      Sifat Abrasivitas seperti Schimazek F Value (Schimazek & Knats, 1987) dan Cerchar Abrasivity Index (Valantine, 1973).

Penentuan sifat-sifat batuan tersebut dapat dilakukan di laboratorium dan di lapangan (in-situ).

Dalam penuntun praktikum ini akan diuraikan penentuan sifat fisik dan sifat mekanik batuan. Pengujian sifat fisik dan mekanik batuan di laboratorium pada umumnya dilakukan terhadap percontoh (sample) yang diambil di lapangan. Satu percontoh dapat digunakan untuk menentukan kedua sifat batuan tersebut. Pertama-tama adalah penentuan sifat fisik batuan yang merupakan pengujian tak merusak (non destructive test), kemudian dilanjutkan dengan pengujian sifat mekanik yang merupakan pengujian merusak (destructive test) sehinggga batuan percontoh hancur.

Pengujian terhadap percontoh batuan yang dapat dilakukan di laboratorium mekanika batuan meliputi :

1.      Uji Sifat Fisik, untuk menentukan :

-          Bobot isi asli (g_nat)

-          Bobot isi kering (g_dry)

-          Bobot isi jenuh (g_sat)

-          Berat jenis murni (r_tr)

-          Berat jenis semu (r_app)

-          Kandungan air asli (W_nat)

-          Kandungan air jenuh (W_sat)

-          Derajat kejenuhan (S)

-          Porositas (n) dan

-          Angka pori (e)

2.      Uji Kuat Tekan (Uniaxial Compressive Strength), untuk menentukan :

-          Kuat tekan (s_c)

-          Batas elastik (s_e)

-          Modulus elastisitas (E)

-          Poisson’s Ratio (n)

3.      Uji Triaksial (Triaxial Test), untuk menentukan :

-          Selubung kekuatan (strength envelope)

-          Kuat geser (t)

-          Sudut geser dalam (f)

-          Kohesi (c)

4.      Uji Geser Langsung (Direct Shears Test), untuk menentukan :

-          Garis “Coulomb’s shear strength”

-          Kuat geser (t)

-          Sudut geser dalam (f)

-          Kohesi (c)

5.      Uji Kuat Tarik Tidak Langsung (Brazillian Test), untuk menentukan kuat tarik tidak langsung (s_t).

6.      Uji Schimidt Hammer, untuk menentukan kuat tekan berdasarkan jumlah rebound.

7.      Uji Beban Titik (Point Load Test), untuk menentukan kuat tekan secara tidak langsung melalui nilai Index Franklin.

BAB II

PENGUJIAN SIFAT FISIK BATUAN

2.1. PEMBUATAN PERCONTOH

Percontoh batuan untuk diuji berupa inti bore (core) dari hasil pemboran inti di lapangan atau dapat dibuat di laboratorium. Pembuatan percontoh di lapangan yaitu dengan melakukan pemboran inti (core drillling) langsung ke dalam batuan yang akan diselidiki di lapangan, sehingga diperoleh inti yang berbentuk silinder. Inti tersebut langsung dapat digunakan untuk pengujian di laboratorium dengan syarat tinggi percontoh dua kali diameternya.

Pembuatan percontoh di laboratorium dapat dibuat dari blok batuan yang diambil di lapangan kemudian di bor dengan pengintian di laboratorium. Hasil percontoh  yang diperoleh  umumnya berbentuk silinder dengan diameter  50 – 70 mm, kemudian dipotong dengan mesin potong batu untuk mendapatkan ukuran tinggi percontoh dua kali diameternya. Ukuran percontoh dapat lebih kecil maupun lebih besar dari ukuran tersebut di atas tergantung dari maksud dan tujuan pengujian.

Pembuatan percontoh di laboratorium dapat juga dilakukan dengan membuat model fisik percontoh dengan tujuan untuk memenuhi kompetensi praktikum mahasiswa. Model fisik percontoh batuan dapat dibuat dari campuran krikil, pasir dan semen. Perbandingan campuran ini disesuaikan dengan kebutuhan. Semakin besar campuran semennya maka percontoh akan semakin kuat. Campuran ini kemudian diaduk dan dimasukkan ke dalam pipa paralon dengan ukuran diameter 50 – 70 mm dan tinggi dua kali diameternya, selanjutnya dibiarkan dengan jangka waktu 7 sampai 27 hari. Pengujian percontoh sebaiknya dilakukan setelah jangka waktu selama 27 percontoh model fisik tersebut dibuat.

2.2. PERALATAN

Peralatan yang dipakai untuk pengujian sifat fisik adalah :

1.      Neraca listrik dengan ketelitian 0,1 gram

2.      Eksikator dan pompa vakum, dipakai pada saat penjenuhan percontoh.

3.      Oven, dipakai untuk pengeringan percontoh setelah penjenuhan.

2.3. PROSEDUR PERCOBAAN

Prosedur pengujian sifat fisik dilakukan sebagai berikut.

1.      Penimbangan berat asli percontoh (Wn)

2.      Penjenuhan percontoh dalam eksikator dengan cara :

-          Eksikator pada bibir dan tepi tutupnya diolesi vaselin dengan rata.

-          Percontoh dimasukkan ke dalam eksikator dengan hati-hati, kemudian ditutup dengan rapat agar udara luar tidak dapat masuk ketika dihisap dengan pompa vacum.

-          Udara dalam eksikator dihisap dengan bantuan pompa vacum selama 15 menit, dengan maksud untuk mengeluarkan udara yang ada dalam percontoh. Pastikan tidak ada kebocoran pada selang penghisap dan pada penutup eksikator.

-          Setelah 15 menit, penghisapan dihentikan dan kran selang yang dihubungkan ke pompa vacum ditutup, kemudian ke dalam eksikator masukkan air sehingga percontoh terendam sepertiganya, air dibiarkan masuk melalui selang dengan sendirinya akibat perbedaan tekanan dalam eksikator, yaitu dengan membuka kran pada selang yang dihubungkan ke bak air.

-          Setelah itu tutup kembali kran pada selang yang menuju bak air dan buka kran pada selang yang dihubungkan ke pompa vacum, selanjutnya penghisapan dilakukan lagi selama 15 menit, kemudian penghisapan dihentikan lagi.

-          Setelah penghisapan dihentikan dan masukkan lagi air dengan cara seperti tersebut di atas sehingga percontoh terendam dua per tiganya. Kemudian lanjutkan lagi penghisapan selama 15 menit atau sampai benar-benar tidak ada lagi gelembung udara keluar dari sisi-sisi percontoh. Kemudian biarkan percontoh terendam hingga benar-benar jenuh selama 24 jam.

3.      Setelah perendaman selama 24 jam, percontoh dalam eksikator dikeluarkan dan ditimbang segera dalam keadaaan jenuh sehingga didapat berat jenuh (Ww).

4.      Timbang lagi percontoh dalam kondisi jenuh tergantung dalam air, sehingga diperoleh berat jenuh tergantung dalam air (Ws)

5.      Kemudian percontoh dikeringkan kembali, dengan cara memasukkannya ke dalam oven selama 24 jam pada temperatur 90^oC.

6.      Setelah di oven selama 24 jam, keluarkan percontoh dari oven kemudian timbang sehingga didapat berat kering (Wo).

7.      Hitung sifat-sifat fisik dengan menggunakan persamaan-persamaan yang ada pada sub bab 2.4.

2.4. PERHITUNGAN SIFAT-SIFAT FISIK PERCONTOH

Penimbangan berat percontoh

-            Berat percontoh asli (natural) = Wn

-            Berat percontoh kering (setelah di oven selama 24 jam dengan temperatur 90^oC) = Wo

-            Berat percontoh jenuh (setelah dijenuhkan selama 24 jam) = Ww

-            Berat jenuh tergantung dalam air = Ws

-            Volume percontoh tanpa pori-pori = Wo – Ws

-            Volume percontoh total = Ww – Ws

Penentuan sifat-sifat fisik

1.      Bobot isi asli (natural density) =

2.      Bobot isi kering (dry density) =

3.      Bobot isi jenuh (Saturated density) =

4.      Berat jenis murni =

5.      Berat jenis semu =

6.      Kandungan air asli =

7.      Kandungan air jenuh =

8.      Derajat kejenuhan =

9.      Porositas =

10.  Angka Pori =

BAB III

PENGUJIAN KUAT TEKAN

 (UNIAXIAL COMPRESSIVE STRENGTH TEST)

3.1.  TEORI

Pengujian ini menggunakan alat mesin tekan untuk memberikan beban pada percontoh batuan. Pada saat percontoh batuan menerima beban pengujian yang diterapkan secara teratur dan meningkat, maka kondisi percontoh batuan cenderung mengalami perubahan bentuk. Perubahan bentuk ini akan terjadi dalam arah lateral (D_d) dan arah vertikal (D_l). Sehingga percontoh batuan secara langsung mengalami perubahan bentuk volumetrik. Perubahan bentuk dalam arah lateral terhadap diameter disebut regangan lateral,e_l dan perubahan bentuk dalam arah vertikal terhadap tinggi disebut regangan aksial,e_a serta perubahan bentuk disebut dengan regangan volumetrik,e_v (lihat Gambar 3.1)

el = Dd/d ea = Dl/l ev =ea + 2el

Gambar 3.1

Regangan aksial dan lateral

Dari nilai-nilai regangan-regangan tersebut oleh Bieniawski ditentukan sebagai dasar untuk menentukan perilaku batuan yang dinyatakan dalam hubungan tegangan-regangan berupa kurva tegangan-regangan (lihat Gambar 3.2). Dari kurva tersebut dapat ditentukan sifat mekanik batuan yaitu kuat tekan, batas elastik, Modulus elastisitas dan Poissons Ratio.

 

Gambar 3.2. Kurva Tegangan-Regangan

Kuat Tekan Uniaksial

Kuat tekan uniaksial adalah perbandingan beban yang diberikan pada percontoh batuan terhadap luas permukaan percontoh yang menerima beban. Hal ini dapat dituliskan dengan rumus s_c = P/A. Kuat tekan ini diperhitungkan pada saat percontoh batuan mengalami keruntuhan (failure) dengan beban (P) yang bekerja pada saat terjadinya keruntuhan. Dari kurva tegangan-regangan (Gambar 3.2) dapat ditentukan bahwa kuat tekan uniaksial percontoh batuan terdapat pada bagian puncak (peak).

Batas Elastik

Penentuan harga batas elastik berdasarkan dari kurva tegangan-regangan yang diperoleh dari pengujian kuat tekan uniaksial. Penentuan ini dilihat dari kondisi garis yang linier dari grafik regangan aksial terhadap beban yang diberikan. Batas akhir garis linier ini kemudian diproyeksikan terhadap bebab yang diberikan, sehingga nilai tersebut merupakan batas elastik percontoh batuan (lihat Gambar 3.2).

Modulus Elastisitas

Harga modulus elastisitas adalah perbandingan antara selisih  nilai tegangan aksial (Ds) dengan selisih nilai regangan aksial (De). Perbandingan nilai ini diambil pada garis yang linier dari kurva tegangan-regangan (lihat Gambar 3.2)

Ada beberapa defenisi modulus elastisitas :

1.      Tangent Young’s Modulus (Et) ; diukur pada tingkat tegangan sebesar 50% s_c.

2.      Average Young’s Modulus (Eav) ; diukur dari rata-rata kemiringan kurva atau bagian garis linier yang terpanjang dari kurva.

3.      Secant Young’s Modulus (Es) ; diukur dari nilai tegangan nol sampai nilai tegangan 50% s_c.

Poisson’s Ratio

Poisson Ratio adalah perbandingan antara regangan lateral terhadap regangan aksial pada kondisi tegangan sebesar s_i. Nilai s_i diukur pada titik garis singgung yang ditarik sejajar dengan tegangan aksial pada saat kurva regangan volumetrik mulai berubah arah. Titik garis singgung tersebut diproyeksikan tegak lurus ke sumbu tegangan aksial maka akan diperoleh s_i. Melalui titik s_i buat garis tegak lurus tegangan aksial sehingga memotong kurva regangan aksial dan regangan lateral. Kemudian dari masing-masing titik potong tersebut diproyeksikan tegak lurus ke sumbu regangan aksial dan regangan lateral, maka akan diperoleh nilai e_ai dan e_li (lihat Gambar 3.3). Dari nilai akan dihitung nilai Poisson’s Ratio dengan persamaan  n = e_li / e_ai  pada tingkat tegangan s_i.

Gambar 3.3. Pengambilan Nilai e_li dan e_ai

3.2.  TUJUAN

Pengujian kuat tekan uniaksial bertujuan untuk mengetahui nilai-nilai :

-            Kuat tekan percontoh batuan (s_c)

-            Batas elastik (s_e)

-            Modulus Elastisitas (E)

-            Poisson’s Ratio (n)

3.3.  PERALATAN

-            Alat pengebor inti, terdiri dari beberapa diameter.

-            Alat pemotong batu.

-            Garenda, kikir dan amplas untuk menghaluskan permukaan percontoh.

-            Squareness, untuk mengukur penyimpangan kesejajaran permukaan percontoh.

-            Jangka Sorong, untuk mengukur tinggi dan diameter percontoh.

-            Dial gauge, untuk mengukur perpindahan dan regangan.

-            Mesin Kuat Tekan Uniaksial.

3.4.  PROSEDUR PERCOBAAN

Prosedur percobaan pengujian kuat tekan uniaksial dilakukan sebagai berikut.

1.      Preparasi Percontoh

-          Haluskan permukaan percontoh dengan menggunakan amplas, kikir atau gerenda.

-          Ukur kesejajaran permukaan percontoh dengan menggunakan alat Squareness (tidak lebih besar dari satu kali putas dial pengukur).

-          Ukur diameter dan tinggi percontoh dengan jangka sorong. Pengukuran ini dilakukan sebanyak dua kali pada masing-masing diameter (atas dan bawah) dan tinggi percontoh.

2.      Tahapan Pengujian

-          Percontoh batuan dimasukkan pada alat uji kuat tekan uniaksial

-          Pasang dial gauge untuk pengukuran secara aksial dan lateral

-          Atur kedudukan jarum penunjuk besaran beban yang bekerja pada kondisi awal.

-          Hidupkan mesin kuat tekan dan atur kecepatan pembebanan.

-          Setelah platen (plat landasan) menyentuh permukaan percontoh, atur dial gauge pada kedudukan nol (atau baca jarum dial gauge pada kondisi awal).

-          Amati proses pembebanan, catat pergerakan deformasi secara aksial dan lateral dari dial gauge.

-          Secara terus menerus amati proses pembebanan dengan teliti. Hentikan pembebanan setelah jarum hitam pembaca bergerak kembali kedudukan nol. Jarum merah menunjukkan pembebanan maksimum pada saat percontoh mengalami failure.

-          Jika percontoh batuan telah failure, maka pengujian tekah selesai, kemudian data-data hasil pengujian diolah dan dibuatkan kurva tegangan-regangan.

BAB IV

PENGUJIAN KUAT TARIK TIDAK LANGSUNG

(BRAZILLIAN TEST)

4.1.  TEORI

Pengujian kuat tarik tidak langsung menggunakan alat kuat tekan uniaksial, dimana percontoh batuan diletakkan diantara dua platen, kemudian diberikan beban sehingga batuan mengalami failure. Pemberian beban dilakukan pada bagian diameterikal percontoh batuan (lihat Gambar 4.1). Percontoh batuan dibuat dengan geometri ; tinggi (tebal) percontoh setengah dari diameternya.

Keterangan : P : beban (kN) R : jari-jari percontoh H : tinggi (tebal) percontoh

Kuat tarik batuan secara tidak langsung dapat dihitung dengan rumus :

Gambar 4.1. Pemberian Beban Pada Uji Kuat Tarik

4.2.  TUJUAN

Tujuan dari pengujian kuat tarik tidak langsung (Brazillian Test) adalah untuk menentukan nilai kuat tarik dari percontoh batuan.

4.3.  PERALATAN

-            Mesin kuat tekan uniaksial

-            Pemotong batu (Rock Cutter)

-            Garenda, kikir dan amplas

-            Jangka Sorong

4.4.  PROSEDUR PERCOBAAN

1.      Preparasi Percontoh

-          Haluskan permukaan percontoh dengan menggunakan amplas, kikir atau gerenda.

-          Ukur kesejajaran permukaan percontoh dengan menggunakan alat Squareness (tidak lebih besar dari satu kali putas dial pengukur).

-          Ukur diameter dan tinggi(tebal) percontoh dengan jangka sorong. Pengukuran ini dilakukan sebanyak dua kali pada masing-masing diameter (atas dan bawah) dan tinggi (tebal) percontoh.

2.      Tahapan Pengujian

-          Percontoh batuan dimasukkan pada alat uji kuat tekan uniaksial

-          Atur kedudukan jarum penunjuk besaran beban yang bekerja pada kondisi awal.

-          Hidupkan mesin kuat tekan dan atur kecepatan pembebanan.

-          Amati proses pembebanan secara terus menerus dengan teliti. Hentikan pembebanan  jika percontoh batuan telah mengalami failure. Catat nilai akhir pembebanan pada saat percontoh batuan mengalami failure.

-          Hitung nilai kuat tarik percontoh batuan dengan menggunakan rumus di atas.

BAB V

UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST)

5.1. TEORI

Pengujian ini merupakan salah satu  pengujian yang sangat penting dalam mekanika batuan, karena percontoh batuan diberikan gaya secara tiga arah atau batuan mengalami tegangan tiga sumbu x, y dan z yang saling tegak lurus (confining pressure). Sehingga menunjukkan kondisi massa batuan yang terdapat di alam yang mengalami gaya dari berbagai arah.

Tegangan yang diberikan pada percontoh batuan secara vertikal (sumbu y) dilakukan dengan alat penekan piston yang terdapat pada alat kuat tekan uniaksial. Dan tegangan horizontal (sumbu x dan z) diberikan tegangan melalui oli silinder yang dimasukkan kedalam triaxial cell (lihat Gambar 5.1). Tegangan vertikal ini dikonotasikan sebagai s₁ dan tegangan horizontal dikonotasikan sebagai s₂ dan s₃ (s₂  = s₃).

 

Gambar 5.1. Triaxial cell.

Tegangan-tegangan yang bekerja pada triaxial cell dan tegangan yang diberikan secara vertikal dari alat kuat tekan uniaksial dapat dilihat pada Gambar 5.2.

Gambar 5.2. Bagian-Bagian Alat Uji Triaxial.

Tegangan vertikal yang diberikan selalu lebih besar dari tegangan horizontal (s₃ >s₂  = s₃). Semakin besar tegangan secara horizontal yang diberikan maka tegangan vertikal untuk membuat batuan failure akan semakin besar, karena meningkatnya tegangan horizontal akan menaikkan kekuatan batuan.

Tegangan-tegangan yang bekerja akan mengakibatkan terjadinya regangan-regangan. Regangan ini diukur dengan alat dial gauge dan strain gauge. Dimana strain gauge diletakkan secara vertikal dan horizontal seperti yang terlihat pada potongan penampang triaxial cell Gambar 5.3.

 

Gambar 5.3. Potongan Penampang traxial cell

Hasil pengujian triaksial akan memberikan kurva intrinsic dan lingkaran mohr (lihat Gambara 5.4)

 

Gambar 5.4. Kurva Intrinsic dari Pengujian Triaksial

5.2. TUJUAN

Tujuan pengujian triaksial adalah untuk menentukan :

-            Selubung kekuatan (strength envelope)

-            Kuat geser (t)

-            Sudut geser dalam (f)

-            Kohesi (c)

5.3. PERALATAN

-            Mesin kuat tekan uniaksial

-            Triaksial Cell

-            Mesin Pemotong Batuan

-            Jangka Sorong

-            Gerenda, kikir dan amplas

-            Ring karet

-            Karet pembalut percontoh

PROSEDUR PERCOBAAN

1.      Preparasi percontoh seperti dalam pengujian kuat tekan uniaksial.

2.      Balut percontoh dengan karet dan ring karet pada kedua ujungnya.

3.      Buka tutup triaksial cell dengan cara melepaskan baut triaksial cell, lalu letakkan percontoh dalam triaksial cell, kemudian tutup lagi dan pasang baut triaksial cell.

4.      Atur posisi platen di atas bola baja pada triaksial cell untuk menekan percontoh secara axial (s₁) dan pasangkan selang pada tempat masuknya oli silinder (s₂ dan s₃) .

5.      Setelah semua dipasang, periksa lagi secara hati-hati, terutama pada platen dan selang oli silinder. Kemudian berikan beban secara bersamaan. Atur s₁ dan buat konstan dengan harga yang dikehendaki (mulai dari yang rendah). Selanjutnya berikan (s₂=s₃) secara bertingkat hingga batuan failure.

6.      Catat pembacaan terakhir tegangan yang diberikan saat batuan failure (s₁) dan. (s₂=s₃) dan buatkan kurva intrinsiknya.

7.      Hal yang sama pada pengujian percontoh berikutnya (minimal tiga percontoh). Dengan demikian pengujian telah selesai.