Diktat Mekanika Batuan BAB I (Batuan dan Mekanika Batuan)

  BAB I

 BATUAN DAN MEKANIKA BATUAN

1.1. DEFINISI BATUAN

Berbagai definisi dari batuan sebagai objek dari mekanika batuan telah diberikan oleh para ahli dari berbagai disiplin ilmu yang saling berhubungan.

                                                                                         

a.    Menurut Para Geologiwan

1)       Batuan adalah susunan mineral dan bahan organis yang bersatu membentuk kulit bumi.

2)       Batuan adalah sernua material yang membentuk kulit bumi yang dibagi atas :

‑ Batuan yang terkonsolidasi (consolidated rock).

‑ Batuan yang tidak terkonsolidasi ( unconsolidated rock).

b.    Menurut Para Ahli Tehnik Sipil Khususnya Ahli Geotehnik

1)   Istilah batuan hanya untuk formasi yang keras dan padat dari kulit bumi.

2)   Batuan adalah suatu bahan yang keras dan koheren atau yang telah terkonsolidasi dan tidak dapat digali dengan cara biasa, misainya dengan cangkul dan belincong.

c.    Menurut Talobre (Perancis, 1948)

Batuan adalah material yang membentuk kulit bumi termasuk fluida yang berada didalamnya (seperti air, minyak dan lain‑lain).

d. Menurut ASTM

Batuan adalah suatu bahan yang terdiri dari mineral padat (solid) berupa massa yang berukuran besar ataupun berupa fragmen‑fragmen.

e. Secara Umum

Batuan adalah campuran dari satu atau lebih mineral yang berbeda, tidak mempunyai komposisi kimia tetap.

Dari definisi di atas dapat disimpulkan bahwa batuan tidak sama dengan tanah. Tanah dikenal sebagai material yang "mobile", rapuh dan letaknya dekat dengan permukaan burni.

1.2. KOMPOSISI BATUAN

Kulit bumi, 99 % dari beratnya terdiri dari 8 unsur; 0, Si, AI, Fe, Ca, Na, Mg, dan H.

Komposisi dominan dari kulit bumi tersebut adalah :

Si0₂     = 59,8 %                                    Fe        = 3,39 %

A1₂0   = 14,9 %                                    Na₂0    = 3,25 %

CaO    = 4,9 %                                      K₂0     = 2,98 %

MgO   = 3,7 %                                      Fe₂0₃  = 2,69 %

                                                              H₂0     = 2,02 %

Batuan terdiri dari batuan padat baik berupa kristal maupun yang tidak mempunyai bentuk tertentu dan bagian kosong seperti pori‑pori, fissure, crack, joint, dil.

1.3. DEFINISI MEKANIKA BATUAN

Definisi mekanika batuan telah diberikan oleh beberapa ahli atau komisi‑komisi yang bergerak di bidang ilmu-ilmu tersebut.

a. Menurut Talobre

Mekanika batuan adalah sebuah teknik dan juga sains yang tujuannya adalah mempelajari perilaku (behaviour) batuan di tempat asalnya untuk dapat mengendalikan pekerjaan‑pekerjaan yang dibuat pada batuan tersebut (seperti penggalian dibawah tanah dan lain‑lainnya).

Untuk mencapai tujuan tersebut Mekanika Batuan merupakan gabungan dari

Teori + pengalaman + pekerjaan/pengujian di laboratorium + pengujian in‑situ.

sehingga mekanika batuan tidak sama dengan ilmu geologi yang didefinisikan oleh Talobre sebagai sains deskriptif yang mengidentifikasi batuan dan mempelajari sejarah dari batuan.

Demikian juga mekanika batuan tidak sama dengan ilmu geologi terapan. Ilmu geologi terapan banyak mengemukakan problem‑problem yang paling sering dihadapi oleh para geologiawan di proyek‑proyek seperti proyek bendungan, terowongan. Dengan mencari analogi‑analogi, terutama dari proyek‑proyek yang sudah dikerjakan dapat menyelesaikan kesulitan‑kesulitan yang dihadapi pada proyek yang sedang dikerjakan. Meskipun penyelesaian ini masih secara empiris dan kualitatif.

b. Menurut Coates

Menurut Coates, seorang ahli mekanika batuan dari Kanada

1) Mekanika adalah ilmu yang mempelajari efek dari gaya atau tekanan pada sebuah benda.

Efek ini bermacam‑macam, misalnya percepatan, kecepatan, perpindahan.

2) Mekanika batuan adalah ilmu yang mempelajari efek dari pada gaya terhadap batuan.

Efek utama yang menarik bagi para Geologiwan adalah perubahan bentuk.

Para ahli geofisika tertarik pada aspek dinamis dari pada perubahan volume dan bentuk yaitu gelombang seismik.

Bagi para insinyur, mekanika batuan adalah :

-          Analisis dari pada beban atau gaya yang dikenakan pada batuan.

-          Analisis dari dampak dalam yang dinyatakan dalam tegangan (stress), regangan (strain) atau enersi yang disimpan,

-          Analisis akibat dari dampak dalam tersebut, yaitu rekahan (fracture), aliran atau deformasi dari batuan.

c.  Menurut US National Committee On Rock Mechanics (1984)

Mekanika batuan adalah ilmu pengetahuan yang mempelajari perilaku (behaviour) batuan baik secara teoritis maupun terapan, merupakan cabang dari ilmu mekanika yang berkenaan dengan sikap batuan terhadap medan‑medan gaya pada lingkungannya.

d. Menurut Budavari

Mekanika batuan adalah ilmu yang mempelajari mekanika perpindahan padatan untuk menentukan distribusi gaya‑gaya dalam dan deformasi akibat gaya luar pada suatu benda padat.

Hampir semua mekanika perpindahan benda padat didasarkan atas teori kontinum. Konsep kontinum adalah fiksi matematik yang tergantung pada struktur molekul material yang digantikan oleh suatu bidang kontinum yang perilaku matematiknya identik dengan media aslinya.

Material ekivalennya dianggap homogen, mempunyai sifat‑sifat mekanik yang sama pada semua titik. Penyederhanaannya adalah bahwa semua sifat mekaniknya sama ke semua arah pada suatu titik di dalam suatu batuan.

e. Menurut Hudson dan Harrison

Mekanika batuan adalah ilmu yang mempelajari reaksi batuan yang apabila padanya dikenai suatu gangguan. Dalam hal material alam, ilmu ini berlaku untuk masalah deformasi suatu struktur geologi, seperti bagaimana lipatan, patahan, clan rekahan berkembang begitu tegangan terjadi pada batuan selama proses geologi.

Beberapa tipe rekayasa vang melibatkan mekanika batuan adalah pekrjaan sipil, tambang dan perminyakan.

Topik utama mekanika batuan adalah batuan utuh, struktur batuan, tegangan, aliran air, dan rekayasa, yang ditulis secara diagonal dari kiri atas ke kanan bawah. pada Gambar 1.1. Garis ini sering disebut sebagai diagonal utama. Semua kotak lainnya menunjukkan interaksi antara satu dengan lainnya.

f. Secara Umum

Mekanika batuan adalah ilmu yang mempelajari sifat dan perilaku batuan bila terhadapnya dikenakan gaya atau tekanan.

Gambar 1.1. Matriks interaksi mekanika batuan dan rekayasa batuan yang menunjukkan subyek-subyek utama dan interaksinya. (Hudson dan Harrison, 1990)

1.4. SIFAT BATUAN

Sifat batuan yang sebenarnya di alam adalah :

a. Heterogen

1) Jenis mineral pembentuk batuan yang berbeda.

2) Ukuran dan bentuk partikel/butir berbeda di dalam batuan.

2) Ukuran, bentuk dan penyebaran void berbeda di dalam batuan.

b. Diskontinu

Massa batuan di alam tidak kontinu (diskontinu) karena adanya bidang‑bidang lemah (crack, joint, fault, fissure) dimana kekerapan, perluasan dan orientasi dari bidang‑bidang lemah tersebut tidak kontinu.

c. Anisotrop

Karena sifat batuan heterogen, diskontinu, anisotrope maka untuk dapat menghitung secara matematis misainya sebuah lubang bukaan yang disekitarnya terdiri dari batuan B1, B2, B3, diasumsikan batuan ekivalen B’ sebagai pengganti batuan B1, B2, B3, yang mempunyai sifat homogen, kontinu dan isotrope (Gambar 1.2).

                               

Gambar 1.2. Asumsi batuan ekivalen untuk mempermudah perhitungan di dalam

                     mekanika batuan.

1.5. BEBERAPA CIRI DARI MEKANIKA BATUAN

1. Dalam ukuran besar, solid dan massa batuan yang kuat/keras, maka batuan dapat dianggap kontinu.
2. Bagaimanapun juga karena keadaan alamiah dan lingkungan geologi, maka batuan tidak kontinu (diskontinu) karena adanya kekar, fissure, schistosity, crack, cavities dan diskontinuitas lainnya. Untuk kondisi tertentu, dapat dikatakan bahwa mekanika batuan adalah mekanika diskontinu atau mekanika dari struktur batuan.
3. Secara mekanika, batuan adalah sistem ”multiple body” (Gambar 1.3).
4. Analisis mekanika tanah dilakukan pada bidang, sedang analisis mekanika batuan dilakukan pada bidang dan ruang.
5. Mekanika batuan dikembangkan secara terpisah dari meknaika tanah, tetapi ada beberapa yang tumpang tindih.
6. Mekanika batuan banyak menggunakan :

‑ teori elastisitas

‑ teori piastisitas

‑ dan mempeiajari batuan, sistem struktur batuan secara eksperimen.

Gambar 1.3. Sistem batuan single body dan multiple body (Jumikis, 1983)

1.6. BEBERAPA PERSOALAN DALAM MEKANIKA BATUAN

Beberapa persoalan di dalam mekanika batuan akan timbul dan erat hubungannya dengan aktifitas yang dilakukan oleh manusia pada batuan (Gambar 1.4) seperti persoalan pondasi pada batuan, penggalian batuan di bawah permukaan tanah baik untuk pekerjaan teknik sipil maupun pertambangan, pemakaian batu sebagai bahan bangunan dan sebagainya.

Gambar 1.4. Beberapa aktifitas manusia pada batuan

Adapun persoalan di dalam mekanika batuan antara lain :

a. Bagaimana reaksi dari batuan ketika diambil untuk dipergunakan ?

b.Berapa dan bagaimana besarnya daya dukung (bearing capacity) dari batuan     dipermukaan dan pada berbagai kedalaman untuk menerima berbagai beban ?

c. Bagaimana kekuatan geser batuan ?

d. Bagaimana sikap batuan di bawah beban dinamis ?

e. Bagaimana pengaruh gempa pada sistem pondasi di dalam batuan?

f. Bagaimana nilai modulus elastisitas dan Poisson’s ratio dari batuan ?

g.Bagaimana pengaruh dari bidang‑bidang lemah (kekar, bidang perlapisan, schistosity, retakan, rongga dan diskontinuitas lainnya) pada batuan terhadap kekuatannya ?

h.   Metode pengujian laboratorium apa saja yang paling mendekati kenyataan untuk   mengetahui kekutan pondasi atau sifat batuan dalam mendukung massa batuan ?

i.    Bagaimana meiiiperhitungkan kekar dan sesar dalam perencanaan pekerjaan di dalam batuan ?

j.    Bagaimana menangguiangi deformasi yang diakibatkan oleh perbedaan yang bersifat perlahan‑lahan (creep) pada batuan.

k.   Hukum apa saja yang menyangkut aliran plastik (plastik flow) dari batuan ?

1.   Bagaimana pengaruh “anisotrop”" terhadap distribusi tegangan dalam batuan ?

m. Bagaimana korelasi dari hasil‑hasil pengujian kekuatan batuan yang telah dilakukan di lapangan dan di laboratorium dalam menyiapkan percontoh batuan ?

n.   Bagaimana metode pengujian yang akan dilaksanakan yang sesual dengan kondisi lapangan terhadap sifat‑sifat batuannya.

o.   Bagaimana mekanisme keruntuhan/kehancu ran dari batuan (failure of rock)?

p.   Dapatkah keadaan tegangan di dalam massa batuan dihitung secara tepat, atau bahkan dapat diukur ?

q.   Faktor‑faktor apa saja yang menyangkut perencanaan kemiringan lereng dari suatu massa batuan ?

r.    Apakah roof bolting pada atap sebuah lubang bukaan di bawah tanah sudah aman sehingga lubang tersebut dapat digunakan sebagai instalasi yang permanen ?

1.7. RUANG LINGKUP MEKANIKA BATUAN

Secara luas sasaran dari mekanika batuan adalah aplikasinya pada pemecahan persoalan‑persoalan geoteknik, yang antara lain adalah

a.   Menyelenggarakan penyelidikan yang bersifat teknik pada batuan.

b.   Mengernbangkan cara pengambilan percontoh batuan secara rasionil dan metode identifikasi serta klasifikasi batuan.

c.   Mengembangkan peralatan uji batuan yang baik dan metode standar pengujian untuk kuat tekan serta kuat geser batuan.

d.   Mengumpulkan dan mengklasifikasikan informasi batuan dan sifat‑sifat fisiknya

dalam dasar ilmu mekanika batuan, teknik pondasi dan teknik bangunan air.

e.  Berdasarkan hasil‑hasil pengujian yang dilakukan pada batuan, dapat dipelajari sifat fisik, sifat mekanik (statik dan dinamik), elastisitas, plastisitas, perilaku batuan, clan bentuk kerusakan (failure) di bawah beban statik dan dinamik dari batuan tersebut.

f.  Mempelajari sifat batuan di bawah kondisi thermal dan sistem keairan (water regimen).

g.   Menyangkut struktur statik dan dinamik dari batuan.

h.  Mengembangkan metode pengukuran di lapangan (in‑situ) dari sifat deformasi statik dan dinamik batuan serta tegangan sisa di dalam batuan di bawah kondisi lingkungan yang bermacam‑macarn seperti pelapukan, ”leaching”, seismik dan tektonik.

i.   Menyelenggarakan penelitian terhadap mekanisme kerusakan/kehancuran batuan.

j.  Mengorganisir penelitian tentang perkuatan batuan dar pengukuran tegangan in‑situ.

k.  Mengganti dengan metode ilmiah dari perencanaan teknik pada batuan yang banyak menggunakan media empiris sebelumnya, sehingga turut memberikan konstribusi terhadap kemajuan disiplin ilmu mekanika batuan.

l.  Merangsang dan menyebarkan ilmu pengetahuan tentang batuan dan mekanika  batuan.

m. Mempergunakan mekanika batuan untuk memecahkan persolan‑persoalan teknik secara praktis.

n. Mempelajari sikap massa batuan asli dibawah kondisi beban dan kondisi lingkungannya

o.  Menyangkut struktur statik batuan dan kestabilan batuan sangat penting ditinjau dari sudut keamanan (safety) dan ekonomi.

p.   Mempelajari stabilitas struktur rekayasa yang material utamanya adalah batuan.

q.  Mempelajari proses pengurangan ukuran batuan dengan menggunakan gaya-gaya luar seperti pemboran, peledakan, pemotongan dan pengasahan.

r.   Mempelajari pengaruh gaya‑gaya Pada batuan dan yang utama adalah berkaitan dengan fenomena yang mempengaruhi pendugan rekahan dan deformasi.

s.  Mempelajari beban atau gaya yang bekerja pada batuan, analisis dari efek dalam, maksudnya tegangan dan regangan, energi dalam, dan akhirnya analisis dari gaya‑gaya dalam seperti rekahan, aliran, atau deformasi batuan.